復(fù)合材料在制造業(yè)中的現(xiàn)代應(yīng)用并不新鮮，它跨越了幾十年，最早可追溯到 1960 年代初。 在此之前，纖維與液體基質(zhì)的結(jié)合已被用于各種應(yīng)用。

盡管如此，與鋼、鋁、鐵和鈦等傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料仍處于成熟階段，而且直到現(xiàn)在才被設(shè)計(jì)和制造工程師更好地理解。 此外，復(fù)合材料因其非各向同性的特性而受到阻礙，這使得它們難以建模和模擬。

高強(qiáng)度和低重量仍然是推動(dòng)復(fù)合材料進(jìn)入新領(lǐng)域的制勝組合，但其他性能同樣重要。復(fù)合材料具有抗疲勞性，可以顯著減少特定應(yīng)用所需的零件數(shù)量——這意味著成品需要更少的原材料、更少的接頭和緊固件以及更短的組裝時(shí)間。復(fù)合材料還具有耐極端溫度、耐腐蝕和耐磨損的能力，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，這些特性在很大程度上降低了產(chǎn)品生命周期成本，這些特性推動(dòng)了復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

截然不同的材料

復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料的不同之處在于，復(fù)合材料部件包含兩種截然不同的成分——纖維和基質(zhì)材料（最常見的是聚合物樹脂）——復(fù)合后，它們保持分離，但相互作用，形成一種新材料，這種新材料的性能不能通過簡(jiǎn)單地將其組分的性能相加來預(yù)測(cè)。 事實(shí)上，纖維/樹脂組合的主要優(yōu)勢(shì)之一是其互補(bǔ)性。 例如，薄玻璃纖維具有相對(duì)較高的抗拉強(qiáng)度，但容易損壞。 相比之下，大多數(shù)聚合物樹脂的抗拉強(qiáng)度較弱，但非常堅(jiān)韌和可塑。 然而，當(dāng)纖維和樹脂結(jié)合在一起時(shí)，它們可以互相抵消對(duì)方的弱點(diǎn)，產(chǎn)生一種遠(yuǎn)比任何單獨(dú)的成分都有用的材料。

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能主要來源于纖維增強(qiáng)。 用于大型市場(chǎng)的商業(yè)復(fù)合材料，如汽車零部件、船舶、消費(fèi)品和耐腐蝕工業(yè)零件，通常由不連續(xù)、隨機(jī)取向的玻璃纖維或連續(xù)但非取向的纖維形式制成。先進(jìn)的復(fù)合材料最初是為軍事航空航天市場(chǎng)開發(fā)的，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)金屬，現(xiàn)在在通信衛(wèi)星、飛機(jī)、體育用品、運(yùn)輸、重工業(yè)以及石油和天然氣勘探和風(fēng)力渦輪機(jī)建設(shè)的能源部門得到應(yīng)用。

高性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性來自連續(xù)的、定向的、高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)材料——最常見的是碳纖維、芳族聚酰胺纖維或玻璃纖維——在基體中提高可加工性并增強(qiáng)機(jī)械性能，如剛度和耐化學(xué)性。

纖維方向可以控制，這是可以提高任何應(yīng)用性能的一個(gè)因素。 例如，在復(fù)合高爾夫球桿軸中，硼纖維和碳纖維在復(fù)合桿身內(nèi)以不同角度定向，能夠充分利用其強(qiáng)度和剛度特性，并承受扭矩載荷和多重彎曲、壓縮和拉伸力。

玻璃纖維

復(fù)合材料行業(yè)中使用的絕大多數(shù)纖維都是玻璃。玻璃纖維是最古老和最常見的增強(qiáng)材料，用于大多數(shù)終端市場(chǎng)應(yīng)用（航空航天工業(yè)是一個(gè)重要的例外）以取代較重的金屬部件。玻璃纖維比第二種最常見的增強(qiáng)材料碳纖維更重，而且沒有碳纖維那么堅(jiān)硬，但它更耐沖擊并且具有更大的斷裂伸長(zhǎng)率（也就是說，它在斷裂前伸長(zhǎng)到更大的程度）。根據(jù)玻璃類型、長(zhǎng)絲直徑、涂層化學(xué)（稱為“上漿”）和纖維形式的不同，可以獲得范圍廣泛的特性和性能水平。

玻璃絲以稱為股束的形式供應(yīng)，股是連續(xù)玻璃絲的集合。粗紗通常是指一捆未加捻的股線，像線一樣包裹在大線軸上。單端粗紗由連續(xù)的多個(gè)玻璃絲的股線組成，這些玻璃絲貫穿股線的長(zhǎng)度。多端粗紗包含長(zhǎng)但不是完全連續(xù)的絞線，這些絞線在繞線過程中以交錯(cuò)排列的方式添加或丟棄。紗線是捻在一起的股線的集合。

高性能纖維

用于先進(jìn)復(fù)合材料的高性能纖維包括碳纖維、芳綸纖維（商品名凱夫拉爾和Twaron）、硼纖維、高模量聚乙烯（PE）、新型纖維。

碳纖維——迄今為止在高性能應(yīng)用中使用最廣泛的纖維——是由多種前驅(qū)體制成的，包括聚丙烯腈(PAN)、人造絲和瀝青。前驅(qū)纖維經(jīng)過化學(xué)處理，加熱和拉伸，然后碳化，以產(chǎn)生高強(qiáng)度纖維。市場(chǎng)上的第一個(gè)高性能碳纖維是由人造絲前體制成的。今天，聚丙烯腈和瀝青基纖維在大多數(shù)應(yīng)用中已經(jīng)取代了人造纖維。PAN基碳纖維是用途最廣泛的。它們提供了一系列驚人的性能，包括優(yōu)良的強(qiáng)度和高剛度。瀝青纖維由石油或煤焦油瀝青制成，具有高到極高的剛度和低到負(fù)的軸向熱膨脹系數(shù)(CTE)。

它們的 CTE 特性在需要熱管理的航天器應(yīng)用中特別有用，例如電子儀器外殼。碳纖維的特性正在刺激尋找替代品和更便宜的前體材料，例如從紙漿和廢紙中提取的木質(zhì)素。雖然研究工作正在取得進(jìn)展，但這種低成本的纖維材料要成為可行的商業(yè)增強(qiáng)材料選擇還有很長(zhǎng)的路要走。

雖然它們比玻璃或芳綸纖維更堅(jiān)固，但碳纖維不僅不耐沖擊，而且在與金屬接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電偶腐蝕。 制造商通過在層壓板疊層過程中使用阻隔材料或面紗層（通常是玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）來克服后一個(gè)問題。

高性能碳纖維的基本纖維形式是稱為絲束的連續(xù)纖維束。 碳纖維絲束由數(shù)千根連續(xù)的、未加捻的細(xì)絲組成，細(xì)絲數(shù)由數(shù)字后跟“K”表示，表示乘以 1,000（例如，12K 表示細(xì)絲數(shù)為 12,000）。 絲束可以直接用于長(zhǎng)絲纏繞或拉擠成型等工藝，也可以轉(zhuǎn)化為單向帶、織物和其他增強(qiáng)形式。

芳綸纖維，由芳香族聚酰胺形成，具有優(yōu)異的抗沖擊性和良好的伸長(zhǎng)率(高于碳，但低于玻璃)。芳綸纖維因其在防彈背心和其他裝甲和彈道應(yīng)用方面的性能而聞名，部分原因是執(zhí)法和軍事市場(chǎng)對(duì)人員保護(hù)和裝甲的需求。芳綸纖維的性能也使其成為直升機(jī)旋翼葉片，船舶外殼和體育用品的極佳選擇。

硼纖維的強(qiáng)度是鋼的五倍，硬度是鋼的兩倍。硼具有強(qiáng)度、剛度和重量輕，并具有優(yōu)良的抗壓性能和抗屈曲性能。硼復(fù)合材料的用途廣泛，從體育用品，如魚竿、高爾夫球桿軸、滑雪板和自行車框架，到航空航天應(yīng)用，如飛機(jī)尾翼皮、桁架構(gòu)件和預(yù)制飛機(jī)修補(bǔ)補(bǔ)丁。

高性能纖維的高成本可能會(huì)阻礙他們的選擇，如果制造商忽視檢查如何通過這些材料為項(xiàng)目帶來的更高性能、耐用性和設(shè)計(jì)自由度以及這些優(yōu)勢(shì)對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生的積極影響來降低高成本一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：生命周期成本。 對(duì)于碳纖維來說尤其如此，從歷史上看，由于碳纖維供需的顯著波動(dòng)，碳纖維的選擇一直很復(fù)雜。