复合材料是两种或两种以上材料的结合，近年来，由于它们可以提供许多优点，它们已经进入了几个行业。Brokkr技术公司总裁Andy Hessler表示，复合材料具有降低部件成本、零件质量和缩短设计推向市场所需时间的潜力。他说:“当利用它们的摩擦学特性时，它们还可以提高可靠性。”
流体动力就是这样一个可以从复合材料的使用中受益的行业;虽然一些制造商已经在使用，但材料的进步已经增加了潜在的用途和可以实现的效益。
复合材料的选择范围很广，因此有必要花时间研究所有的可能性，以及成本和性能的平衡。复合材料和塑料可以以大多数金属无法实现的方式进行加工，从而可以在更大的自由范围内优化形状以提高强度和材料性能，并根据特定的制造方法定制设计。
Polygon表示，将复合材料整合到气瓶中有很大的市场机会，比如减轻重量、提高耐腐蚀性和不导电。
多边形的公司
System Seals公司的应用工程师Tim Girardi表示，与单一材料相比，使用复合材料的主要原因之一是能够混合和操纵材料，以获得两种材料的优点。他解释说，一种材料可以选择其较低的摩擦率性能，但当使用本身具有较高的磨损率。然而，将其与另一种磨损率低的材料相结合，使制造商能够获得所需的两种性能——低摩擦系数和低磨损率。
Girardi说，系统密封采用复合材料作为主要改善内部轴承、衬套或导向带性能的手段。在这些改进中，它希望实现的是减少金属故障，延长密封寿命，降低泄漏率。该公司还对通过使用复合材料降低摩擦磨损率以及降低成本感兴趣。Girardi说，在某些情况下，复合材料的集成可以在特定的应用中减小圆柱体的尺寸。
复合材料的类型因应用而异，但Girardi说，典型的流体动力应用材料将是树脂(如尼龙、聚酯或酚醛)和增强剂或填充物(如玻璃或碳纤维、聚四氟乙烯或嵌入树脂的编织织物)的组合。他说:“在大多数流体动力应用中，我们真正倾向于放弃的一件事是玻璃填充尼龙和酚醛树脂。”“我们的测试表明，它们的表现真的不太好。
他说:“对于复合轴承，我们通常推荐我们的聚酯复合材料，因为它们经过优化，除了提高屈服强度、模量和大多数应用的工作温度限制外，还可以减少磨损、摩擦和疲劳。”“它们还可以与各种液压油兼容。”
Hessler说，性能更高的复合材料，如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺酰亚胺(PAI)和聚醚酰亚胺(PEI)正在越来越多地应用于苛刻的应用领域。这些复合材料具有与液压元件中常用的许多铸造和烧结金属部件相当的强度特性。他说:“它们还具有巨大的化学稳定性，可以在更高的温度下工作而不会变质。”
“每种应用都有其成本、可靠性和性能方面的限制，”在确定复合材料是否适合特定应用时，他说。“在一个领域可行的方法在另一个领域可能行不通……必须考虑到可制造性、可用性以及成本。”
流体动力工业中的复合材料
赫斯勒建议，所有品种的泵都能从复合材料中获益，因为复合材料的重量和成本都是一个问题。任何严重依赖黄铜摩擦特性的组件也是转换为复合材料的良好候选者。这是因为许多复合材料与黄铜一样坚固，具有相似或更好的摩擦系数，同时提供更低的零件成本。他说:“液压缸也可以从进一步的开发中受益，特别是在将位置传感集成到缸壳本身的情况下。”“仅这一点就能对许多系统产生巨大影响。”
Polygon公司，已经使用复合材料制造流体动力元件超过20年，是这样一家公司，一直是嵌入式电子气缸的先驱。一个例子是它与佐治亚理工大学主办的孵化技术实体Sentrinsic合作创建的Intrinsic Sensing Technology。Polygon公司首席执行官Jim Shobert表示，Sentrinsic公司开发软件和电子接口，Polygon公司提供化学、结构和机械元素。他说:“Sentrinsic曾读过Polygon之前为军用飞机设计的燃油系统油管，这种油管部分导电，同时也是绝缘的。”这为该技术的发展提供了基础。
Shobert说，Polygon进一步增强了油管的离散层，在相同的横截面积内，这些层在磁性和非磁性之间交替。通过结合电子比率度量计算，Sentrinsic能够测量当金属活塞穿过该物体的长度时，管内发生的磁扰动。他解释道:“我们的既定目标是在气缸内部提供一种反馈机制，绕过必须用枪炮钻孔活塞杆的主要过程。”虽然Sentrinsic无法将该技术商业化，但他表示Polygon将继续在这一领域开展工作，并采用多层方法。
Shobert说，制造复合材料结构的过程是分层进行的，这使得电子等二次材料可以被纳入结构中，并且不需要像使用金属时那样机械地固定它们。“从本质上讲，这些组件可以被包裹在层压结构中，就像建造一个房子，电线包含在木桁架本身。”
Shobert说，从一开始，该公司就认为将复合材料应用到气缸中有很大的市场机会。除了重量更轻、耐腐蚀性更好、不导电等传统优点外，polygon还发现复合材料有提高密封寿命的倾向。Shobert说，这是因为内孔的微观表面特性是起伏的，而不是峰值的，如果不投入大量的抛光或珩磨，金属表面是无法模仿的。
“从概念上讲，我们还认为复合材料可以作为嵌入式材料的平台，如传感器、流体通道、布线、箔片、热电偶、磁粒子、光纤等”，这已经在内在传感技术的发展中得到了部分证明。
钢头复合材料采用包含在热固性环氧树脂基体中的碳纤维强度，以承受压力容器壁中的高应力。
Steelhead Composites LLC
然而，这样做的挑战之一是可以整合到组件中的各种材料。不仅有大量的纤维(如玻璃纤维、玄武岩和聚酯纤维)，还有树脂可以固定纤维结构。乙烯基酯和环氧树脂是热固性结构的可能选择;肖伯特说，新的热塑性树脂正在行业内发展，特别是在欧洲。Polygon最近开发了一种新型蓄能器，该蓄能器含有热塑性树脂，“可以被棒球棒或锤子击打，而不会留下任何剥落、凹痕或骨折。”
Steelhead Composites有限责任公司产品开发经理Mike Stewart表示，复合材料的主要优势是其强度重量比，可以根据给定设计的需要应用于特定的方向。他解释说:“在Steelhead复合材料公司，我们采用热固性环氧树脂基体中包含的碳纤维强度，可以承受压力容器内壁的高应力，工作压力高达10,000 psi (689.5 bar)。”
该公司的容器外表面通常还包括玻璃或芳纶(凯夫拉®)纤维，以利用其抗损伤能力。斯图尔特说:“这是一个应用复合材料的独特属性来解决独特设计需求的例子，即使是相同的组件。”Steelhead复合材料公司也在寻求使用热塑性树脂作为基体材料，这将提供改进的加工技术，以及增强的韧性和可回收性。
斯图尔特说，复合材料在移动应用中特别有益，可以减轻大型、重型、高强度部件的重量。他说:“高压蓄能器与钢制蓄能器具有相同的功能特性，可节省75%的重量。”
Stewart解释说，碳纤维具有极高的比强度(强度与密度之比)，再加上其在特定方向上应用的能力，可以承受最高的载荷，这使得大幅减轻重量成为可能。在压力容器的情况下，由包含的压力引起的最高应力是墙内的环向(或周向)应力。通过在环箍方向设计复合覆层，碳纤维增强材料可以非常有效地承载载荷，这比各向同性材料要有效得多，后者需要在所有三个维度上增加厚度(和重量)以支持一个主要方向的载荷。
利用复合材料的挑战
Girardi说，不仅要理解预期的应用程序，还要理解在该应用程序中试图实现什么，这是使用复合材料的一个不可分割的部分。工程师们希望确保他们理解并利用混合在一起的材料，以便从所需的性能中受益，并确保它们按预期执行。
不同导带材料在同一应用中的应用实例。左边的产品是System Seals复合导向带，右边的产品是竞争对手的产品，由于不适应环境，因此发生了灾难性的故障。
系统密封公司
例如，流体兼容性是需要考虑的一个重要因素。他说，某些树脂可能会因为在应用中使用的液体而分解，这将立即引起问题。吉拉迪说:“我们一直在关注这些问题……在某些流体中对某些材料进行了大量的内部测试，这样我们就能更好地了解这些性能以及它们的表现，这样我们就能对复合材料做出更好的决定。”
Stewart补充道:“复合材料的设计需要考虑与传统金属不同的因素，例如零件所承受的应力、这些应力的方向、表面光洁度、损伤容差、工作温度、疲劳和磨损。”
他说，能够准确捕捉复合材料行为的设计软件有限，这就构成了一个挑战，而获得对工程师进行复合材料分析的专业培训也是一个挑战。此外，许多专业人士对复合材料的可用性以及它们的性能如何影响任何特定设计的熟悉程度有限。
肖伯特说，使用复合材料的最大挑战之一是确定如何将它们纳入现有或传统的装配工艺。他解释说:“工程界并不相信一个粘接接头可以表现出与机械接头相似的性能。”“作为一个行业，我们都受益于波音推进非传统技术的能力，所以这种模式正在改变。”
传统上，机械方法包括焊接、穿线、压边或拉杆。因此，Polygon已经收集了大量关于如何将金属组件机械地附着到复合材料上的信息，以绕过先前感知的复合材料适应性约束。Shobert说:“我们创造了一项独特的专利，它结合了机械接头，将金属端压入复合材料管中，并允许复合材料结构的箍向力将杆端锁定到位。”此外，我们还开发了将纤维缠绕在金属界面上的技术，从而创造出一种坚固的机械接头，这是工程界可以接受的。”
与任何新的或不同的技术一样，熟悉度是行业采用的关键挑战。然而，斯图尔特表示，由于复合材料在航空航天、汽车、船舶和体育用品等其他行业的使用越来越普遍，复合材料有获得更广泛接受的趋势。
Shobert指出，在构建复合结构时，采用的一个重要障碍是设计的可变性。他说:“在与金属打交道时，关于材料性能有着丰富的历史。”“我们生产复合材料结构的人通常以范围来呈现材料特性，通常具有显著的可变性，这完全取决于纤维结构和材料成分等因素。这既是一个非常积极的设计特征，也是一个需要更多市场教育的令人困惑的特征。”
Girardi说，当System Seals进行内部测试并看到复合材料可以提供的好处时，它试图将这些数据提供给其他人。这样做可以更容易地帮助客户理解可以实现的好处。他说:“当我们实际应用和使用(复合材料)时，我们也会尝试分享这些案例研究。”
制造复合材料结构的过程是分层进行的，使得电子等二次材料能够被纳入结构中。
多边形的公司
Shobert说，基于复合材料现有的优点和特点，流体动力行业可以发现开发更多基于复合材料的组件的优势。他指出，在移动起重机的例子中，复合材料提供了设计臂架驱动缸到缸壁的液压流体路径的潜力。“这只是复合材料提供的设计自由度和灵活性的一个小例子，”他说。“这只是需要在应用程序和具有设计能力的复合实体之间进行更多的工程合作。”
Hessler表示:“流体动力行业的风险规避文化为其他技术在许多情况下完全取代液压技术留下了巨大的机会。”他还指出，汽车转向系统就是一个典型的例子。“水力学并不是会消失，而是它们应用的规模和范围可能会在我们脚下突然发生变化，留给我们一个更小的市场。
他总结道:“那些花精力在弯道周围寻找方向的公司，将准备好在为时未晚之前对其产品做出适当的调整。”
