引言：为什么“复合材料制造”是一门工程学科，而不仅是材料选择
复合材料常常被简单地描述为“轻量化”或“高强度”材料，但它真正的价值并不来自材料名称本身，而来自制造过程中的可控性。
与金属不同，金属材料的性能主要由合金成分决定；而复合材料的性能，则来自纤维、树脂、结构设计与制造工艺之间的协同作用。
换句话说，复合材料的性能不是“买来就有的”，而是被制造出来的。
正因为如此，复合材料制造被视为一门独立的工程学科——
它位于材料科学、机械设计与工业过程控制的交汇点。
本文将从制造视角系统讲清楚：
复合材料由什么构成
主要制造工艺有哪些
不同工艺适合哪些行业
为什么复合材料正在持续替代传统材料
什么是复合材料？
复合材料是一种工程化材料体系，通过将两种或多种在物理和化学上不同的材料组合在一起，获得单一材料无法实现的综合性能。
任何复合材料都包含两个核心要素：
增强体（Reinforcement）：承担主要载荷，提供强度与刚度
基体（Matrix）：包覆增强体，传递载荷，并提供环境保护
复合材料的关键不在于简单叠加，而在于增强体与基体之间的协同作用。
这也是为什么复合材料被单独划分为一类工程材料，与金属、高分子、陶瓷并列。
复合材料的主要分类方式
1. 纤维增强复合材料（FRC）
这是现代工业中应用最广泛的复合材料类型。
连续或短切纤维被嵌入基体中，用于承受拉伸、弯曲和疲劳载荷。
典型特征包括：
极高的比强度和比刚度
明显的各向异性
可通过纤维铺设方向调控性能
碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维复合材料都属于这一类。
2. 颗粒增强复合材料
颗粒增强复合材料通过在基体中分散颗粒来改善性能。
主要作用包括：
提高耐磨性
改善热稳定性
控制尺寸变化
混凝土、陶瓷填充塑料、颗粒增强金属都属于这一体系。这类材料并不依赖明确的载荷路径，而是通过限制基体变形来提升整体性能。
3. 结构型与混合型复合材料
结构型复合材料将材料设计与结构设计结合在一起。
典型形式包括：
蜂窝夹层结构
泡沫夹芯夹层板
多材料混合层合结构
这类结构在极低重量下即可获得极高的弯曲刚度，广泛应用于航空、船舶和交通领域。
复合材料中常用的增强材料
碳纤维
碳纤维是目前商业化增强材料中比刚度最高的一种。
主要特点：
密度低
疲劳性能优异
热膨胀系数极小
因此，碳纤维被广泛用于航空航天、高端汽车、压力容器等高性能结构。
玻璃纤维
玻璃纤维是全球使用量最大的增强材料。
其优势在于：
成本低
强度和耐腐蚀性良好
绝缘性能优异
广泛应用于船舶、风电、建筑和通用工业领域。
芳纶纤维
芳纶纤维以韧性而非刚度见长。
主要特点：
极强的抗冲击能力
优异的吸能性能
密度低
常用于防护装备、抗冲击结构和安全相关部件。
基体材料：热固性与热塑性的差异
热固性树脂基体
热固性树脂通过不可逆的化学反应固化。
常见特点：
固化前黏度低，易于浸润纤维
固化后尺寸稳定
耐热性能好
环氧、聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂均属于这一类。
热塑性树脂基体
热塑性树脂通过加热软化、冷却固化。
优势包括：
韧性高
成型周期短
具备回收潜力
其挑战在于加工温度高、熔体黏度大，但随着自动化技术的发展，应用正在快速增长。
主要复合材料制造工艺
手糊与喷射成型
开放模具工艺，人工参与度高，成本低。
适用于：
原型件
大尺寸、低批量结构
船舶和建筑构件
但机械性能一致性有限。
真空袋成型
通过真空压实提升质量。
优势：
提高纤维体积分数
降低孔隙率
提升重复性
常作为手糊工艺的升级方案。
树脂灌注与 RTM
封闭模具工艺，树脂被抽吸或注入干纤维预成型体。
优点包括：
树脂含量可控
表面质量好
尺寸精度高
广泛应用于风电、汽车覆盖件和中等批量工业部件。
缠绕成型（Filament Winding）
高度自动化的成型工艺。
优势：
纤维利用率极高
载荷方向高度匹配
非常适合压力容器
几何形状主要受限于回转体。
拉挤成型（Pultrusion）
连续生产恒定截面型材。
特点：
产能高
成本低
纵向性能极佳
广泛用于建筑和基础设施。
预浸料、高压釜与非高压釜工艺
预浸料体系代表最高性能水平。
高压釜：致密度最高、孔隙率最低
非高压釜（OOA）：显著降低投资成本，性能接近航空级
这类工艺主导航空航天主承力结构。
自动铺丝（AFP）与自动铺带（ATL）
现代复合材料制造的核心技术。
优势：
精确控制纤维方向
高一致性
降低人工依赖
AFP 适合复杂几何，ATL 适合大面积平缓结构。
典型复合材料制造流程
材料与模具准备
纤维铺放或预成型
树脂浸润或预浸料叠层
压实与固化
脱模与加工
装配与粘接
检测与认证
任何一步的偏差，都会直接影响最终性能。
复合材料制造的主要应用行业
航空航天：机翼、机身、旋翼
汽车：结构加强件、车身部件
船舶：船体、甲板、桅杆
能源：风电叶片、压力管道
建筑：FRP 钢筋、型材
体育用品：自行车、球拍、防护装备
复合材料的优势来自工艺适配能力，而非单一性能指标。
优势与局限
优势
极高的强度重量比
优异的耐腐蚀和耐疲劳性能
高度的设计自由度
结构一体化能力强
局限
材料与设备成本高
检测与维修复杂
回收仍具挑战
对制造缺陷高度敏感
复合材料的成功，取决于过程控制能力。
制造技术的发展趋势
更高水平的自动化与数字制造
热塑性与可回收体系
AI 辅助工艺优化与检测
低能耗、快速固化工艺
可持续材料体系
复合材料制造正在从“经验驱动”，走向工业化、数据化。
结论
复合材料制造并不是简单地“把纤维和树脂放在一起”，而是通过严谨的制造过程，工程化地塑造性能。
正是制造能力，决定了复合材料为什么能在重量、疲劳寿命和结构效率上持续替代传统材料。
理解复合材料是如何被制造出来的，才真正理解它们为什么如此强大。
苏ICP备2022047254号
