材料与工艺：复合材料纤维

复合材料在制造业中的现代应用并不新鲜，它跨越了几十年，最早可追溯到 1960 年代初。 在此之前，纤维与液体基质的结合已被用于各种应用。

尽管如此，与钢、铝、铁和钛等传统材料相比，复合材料仍处于成熟阶段，而且直到现在才被设计和制造工程师更好地理解。 此外，复合材料因其非各向同性的特性而受到阻碍，这使得它们难以建模和模拟。

高强度和低重量仍然是推动复合材料进入新领域的制胜组合，但其他性能同样重要。复合材料具有抗疲劳性，可以显着减少特定应用所需的零件数量——这意味着成品需要更少的原材料、更少的接头和紧固件以及更短的组装时间。复合材料还具有耐极端温度、耐腐蚀和耐磨损的能力，尤其是在工业环境中，这些特性在很大程度上降低了产品生命周期成本，这些特性推动了复合材料的广泛应用。

截然不同的材料

复合材料与传统材料的不同之处在于，复合材料部件包含两种截然不同的成分——纤维和基质材料（最常见的是聚合物树脂）——复合后，它们保持分离，但相互作用，形成一种新材料，这种新材料的性能不能通过简单地将其组分的性能相加来预测。 事实上，纤维/树脂组合的主要优势之一是其互补性。 例如，薄玻璃纤维具有相对较高的抗拉强度，但容易损坏。 相比之下，大多数聚合物树脂的抗拉强度较弱，但非常坚韧和可塑。 然而，当纤维和树脂结合在一起时，它们可以互相抵消对方的弱点，产生一种远比任何单独的成分都有用的材料。

复合材料的结构性能主要来源于纤维增强。 用于大型市场的商业复合材料，如汽车零部件、船舶、消费品和耐腐蚀工业零件，通常由不连续、随机取向的玻璃纤维或连续但非取向的纤维形式制成。先进的复合材料最初是为军事航空航天市场开发的，其性能优于传统结构金属，现在在通信卫星、飞机、体育用品、运输、重工业以及石油和天然气勘探和风力涡轮机建设的能源部门得到应用。

高性能复合材料的结构特性来自连续的、定向的、高强度的纤维增强材料——最常见的是碳纤维、芳族聚酰胺纤维或玻璃纤维——在基体中提高可加工性并增强机械性能，如刚度和耐化学性。

纤维方向可以控制，这是可以提高任何应用性能的一个因素。 例如，在复合高尔夫球杆轴中，硼纤维和碳纤维在复合杆身内以不同角度定向，能够充分利用其强度和刚度特性，并承受扭矩载荷和多重弯曲、压缩和拉伸力。

玻璃纤维

复合材料行业中使用的绝大多数纤维都是玻璃。玻璃纤维是最古老和最常见的增强材料，用于大多数终端市场应用（航空航天工业是一个重要的例外）以取代较重的金属部件。玻璃纤维比第二种最常见的增强材料碳纤维更重，而且没有碳纤维那么坚硬，但它更耐冲击并且具有更大的断裂伸长率（也就是说，它在断裂前伸长到更大的程度）。根据玻璃类型、长丝直径、涂层化学（称为“上浆”）和纤维形式的不同，可以获得范围广泛的特性和性能水平。

玻璃丝以称为股束的形式供应，股是连续玻璃丝的集合。粗纱通常是指一捆未加捻的股线，像线一样包裹在大线轴上。单端粗纱由连续的多个玻璃丝的股线组成，这些玻璃丝贯穿股线的长度。多端粗纱包含长但不是完全连续的绞线，这些绞线在绕线过程中以交错排列的方式添加或丢弃。纱线是捻在一起的股线的集合。

高性能纤维

用于先进复合材料的高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维（商品名凯夫拉尔和Twaron）、硼纤维、高模量聚乙烯（PE）、新型纤维。

碳纤维——迄今为止在高性能应用中使用最广泛的纤维——是由多种前驱体制成的，包括聚丙烯腈(PAN)、人造丝和沥青。前驱纤维经过化学处理，加热和拉伸，然后碳化，以产生高强度纤维。市场上的第一个高性能碳纤维是由人造丝前体制成的。今天，聚丙烯腈和沥青基纤维在大多数应用中已经取代了人造纤维。PAN基碳纤维是用途最广泛的。它们提供了一系列惊人的性能，包括优良的强度和高刚度。沥青纤维由石油或煤焦油沥青制成，具有高到极高的刚度和低到负的轴向热膨胀系数(CTE)。

它们的 CTE 特性在需要热管理的航天器应用中特别有用，例如电子仪器外壳。碳纤维的特性正在刺激寻找替代品和更便宜的前体材料，例如从纸浆和废纸中提取的木质素。虽然研究工作正在取得进展，但这种低成本的纤维材料要成为可行的商业增强材料选择还有很长的路要走。

虽然它们比玻璃或芳纶纤维更坚固，但碳纤维不仅不耐冲击，而且在与金属接触时会发生电偶腐蚀。 制造商通过在层压板叠层过程中使用阻隔材料或面纱层（通常是玻璃纤维/环氧树脂）来克服后一个问题。

高性能碳纤维的基本纤维形式是称为丝束的连续纤维束。 碳纤维丝束由数千根连续的、未加捻的细丝组成，细丝数由数字后跟“K”表示，表示乘以 1,000（例如，12K 表示细丝数为 12,000）。 丝束可以直接用于长丝缠绕或拉挤成型等工艺，也可以转化为单向带、织物和其他增强形式。

芳纶纤维，由芳香族聚酰胺形成，具有优异的抗冲击性和良好的伸长率(高于碳，但低于玻璃)。芳纶纤维因其在防弹背心和其他装甲和弹道应用方面的性能而闻名，部分原因是执法和军事市场对人员保护和装甲的需求。芳纶纤维的性能也使其成为直升机旋翼叶片，船舶外壳和体育用品的极佳选择。

硼纤维的强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。硼具有强度、刚度和重量轻，并具有优良的抗压性能和抗屈曲性能。硼复合材料的用途广泛，从体育用品，如鱼竿、高尔夫球杆轴、滑雪板和自行车框架，到航空航天应用，如飞机尾翼皮、桁架构件和预制飞机修补补丁。

高性能纤维的高成本可能会阻碍他们的选择，如果制造商忽视检查如何通过这些材料为项目带来的更高性能、耐用性和设计自由度以及这些优势对项目产生的积极影响来降低高成本一个关键指标：生命周期成本。 对于碳纤维来说尤其如此，从历史上看，由于碳纤维供需的显着波动，碳纤维的选择一直很复杂。