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制作复合材料的基本标准
 
发布日期: 2020-04-11  
  丰富的纤维增强材料和树脂系统品种为复合材料部件设计人员提供了自由的选择空间。然而对材料特性的熟悉程度是满足产品设计的一个先决条件,不过,成本才最关键的因素。一个过度设计的复合材料产品是无法与成本较低的材料体系相抗衡的。而一个恰当设计的复合材料部件不仅意味着在满足应用要求的前提下选取最正确的材料和工艺,还要在很多时候考虑到诸如安装,维护和使用寿命的成本等因素,做到投入与产出的平衡,从而使所设计的产品在市场上更有竞争力。    众所周知,纤维增强材料的主要作用是提高材料的机械性能,如提供适当的刚度和强度,而树脂基体的功能则更强调物理特性,主要表现在保证材料的韧性和耐冲击、耐候性、防火、耐紫外线以及防腐蚀性能上。
 
设计一款复合材料时要考虑的首要因素是纤维和树脂的比例问题,因为它最终决定着部件的重量和成本,并对最终部件的机械性还能在多大程度上得以优化产生影响。纤维和树脂的比例基本上可分为三类:20:80的比例一般用于低成本的非结构件制造;70:30则用于一些高端的拉挤结构件产品;60:40是制造先进复合材料最常见的比例。
 
另外,一旦要使用纤维增强材料,设计时就必须考虑纤维类型,纤维形式和纤维的方向或架构这三大因素。纤维方向是指位于制品尺寸最长的部分的纤维的方向。通常情况下,纤维的架构方式取决于其承受的主荷载的方向,道理就如同土木工程师设计钢筋混凝土结构的设计原理。方向相同的话是平行(纵向0 °)、另外还有环向(纵向90 °)、和螺旋向(通常位于± 33 °至± 45 °之间)。然而,纤维的方向其实相差很大。例如,在利用纤维缠绕工艺制造管道和压力容器时,一个呈54 °的缠绕角度能满足制品在环向和纵向(或轴向)上的双向强度要求。但是,如果要特别强调管制品的轴向强度的话,此时的横向跨度强度就被淡化,那么 ± 20 ° / ± 70 °的纤维方向将能提供更高强度的弯曲模量。
 
复合材料的性质容许设计师可以根据特定部件的性能要求,来定制纤维结构。一块层压板可以被设计成各向同性或各向异性,平衡或非平衡的,对称或不对称等多种形式,全在于所设计的部件需要承受多大的力。此外,不同的纤维方向还决定了管道制品的壁厚范围,从而能够开发出质量更轻,形状更为复杂,以及更大规模的增强性部件。
 
值得注意的是,层压板的层间粘接也是至关重要的,不当的层间处理(分层)是相当致命的,可能导致整个复合材料部件设计功亏一篑。因为不当的粘接可能会导致层压板在受力或受到冲击时出现分层的现象。因此,设计者必须充分考虑材料的机械应力/载荷,附着力,重量,刚度,工作温度和韧性的要求,以及诸如电磁透明度和辐射性等变量。不仅如此,复合材料部件的设计还包含诸如表面处理,疲劳寿命,部件的整体配置,以及对报废或返工的估计等一系列复杂而细致的因素。
 
最后,成型工艺也是影响复合材料部件设计的因素之一。例如,纤维缠绕工艺和铺带工艺对增强材料的形式有不同的要求,而且利用这两种工艺所成型的部件结构与采用手糊成型的层压板或真空袋固化的预浸料也有很大的差别。树脂传递模塑工艺(RTM)比起其他工艺更适用于三维预浸料。每一种成型工艺都有各自的优势和技术局限性,因此设计师在设计时虽然拥有非常灵活的选择空间,但是必须努力平衡材料性能和经济成本,以实现最大的性价比。
 
三明治结构,作为一种常见的复合材料结构,是以轻质芯材为核心,两侧被复合材料层压面板夹持的结构。这些重量轻便的板结构在所有的复合材料结构中,拥有最高的硬度与重量比和强度与重量比,因此具有极强的耐弯曲和屈曲性能。适用的夹芯材料包括闭孔泡沫材料(closed-cell foams),轻木和各种形式的(铝,纸或塑料)百叶窗型透明蜂窝结构(celled honeycomb)。含空心小球的泡沫芯材重量更轻。目前,三明治结构已被广泛应用于现代飞机和船舶制造,以及在诸如货物集装箱和模块化建筑领域中也有较大的应用潜力。
 
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