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    制作復合材料的基本標準
     
    發布日期: 2020-12-06  
      

    豐富的纖維增強材料和樹脂系統品種為復合材料部件設計人員提供了自由的選擇空間。然而對材料特性的熟悉程度是滿足產品設計的一個先決條件,不過,成本才最關鍵的因素。一個過度設計的復合材料產品是無法與成本較低的材料體系相抗衡的。而一個恰當設計的復合材料部件不僅意味著在滿足應用要求的前提下選取最正確的材料和工藝,還要在很多時候考慮到諸如安裝,維護和使用壽命的成本等因素,做到投入與產出的平衡,從而使所設計的產品在市場上更有競爭力。    眾所周知,纖維增強材料的主要作用是提高材料的機械性能,如提供適當的剛度和強度,而樹脂基體的功能則更強調物理特性,主要表現在保證材料的韌性和耐沖擊、耐候性、防火、耐紫外線以及防腐蝕性能上。

    設計一款復合材料時要考慮的首要因素是纖維和樹脂的比例問題,因為它最終決定著部件的重量和成本,并對最終部件的機械性還能在多大程度上得以優化產生影響。纖維和樹脂的比例基本上可分為三類:20:80的比例一般用于低成本的非結構件制造;70:30則用于一些高端的拉擠結構件產品;60:40是制造先進復合材料最常見的比例。

    另外,一旦要使用纖維增強材料,設計時就必須考慮纖維類型,纖維形式和纖維的方向或架構這三大因素。纖維方向是指位于制品尺寸最長的部分的纖維的方向。通常情況下,纖維的架構方式取決于其承受的主荷載的方向,道理就如同土木工程師設計鋼筋混凝土結構的設計原理。方向相同的話是平行(縱向0 °)、另外還有環向(縱向90 °)、和螺旋向(通常位于± 33 °至± 45 °之間)。然而,纖維的方向其實相差很大。例如,在利用纖維纏繞工藝制造管道和壓力容器時,一個呈54 °的纏繞角度能滿足制品在環向和縱向(或軸向)上的雙向強度要求。但是,如果要特別強調管制品的軸向強度的話,此時的橫向跨度強度就被淡化,那么 ± 20 ° / ± 70 °的纖維方向將能提供更高強度的彎曲模量。

    復合材料的性質容許設計師可以根據特定部件的性能要求,來定制纖維結構。一塊層壓板可以被設計成各向同性或各向異性,平衡或非平衡的,對稱或不對稱等多種形式,全在于所設計的部件需要承受多大的力。此外,不同的纖維方向還決定了管道制品的壁厚范圍,從而能夠開發出質量更輕,形狀更為復雜,以及更大規模的增強性部件。

    值得注意的是,層壓板的層間粘接也是至關重要的,不當的層間處理(分層)是相當致命的,可能導致整個復合材料部件設計功虧一簣。因為不當的粘接可能會導致層壓板在受力或受到沖擊時出現分層的現象。因此,設計者必須充分考慮材料的機械應力/載荷,附著力,重量,剛度,工作溫度和韌性的要求,以及諸如電磁透明度和輻射性等變量。不僅如此,復合材料部件的設計還包含諸如表面處理,疲勞壽命,部件的整體配置,以及對報廢或返工的估計等一系列復雜而細致的因素。

    最后,成型工藝也是影響復合材料部件設計的因素之一。例如,纖維纏繞工藝和鋪帶工藝對增強材料的形式有不同的要求,而且利用這兩種工藝所成型的部件結構與采用手糊成型的層壓板或真空袋固化的預浸料也有很大的差別。樹脂傳遞模塑工藝(RTM)比起其他工藝更適用于三維預浸料。每一種成型工藝都有各自的優勢和技術局限性,因此設計師在設計時雖然擁有非常靈活的選擇空間,但是必須努力平衡材料性能和經濟成本,以實現最大的性價比。

    三明治結構,作為一種常見的復合材料結構,是以輕質芯材為核心,兩側被復合材料層壓面板夾持的結構。這些重量輕便的板結構在所有的復合材料結構中,擁有最高的硬度與重量比和強度與重量比,因此具有極強的耐彎曲和屈曲性能。適用的夾芯材料包括閉孔泡沫材料(closed-cell foams),輕木和各種形式的(鋁,紙或塑料)百葉窗型透明蜂窩結構(celled honeycomb)。含空心小球的泡沫芯材重量更輕。目前,三明治結構已被廣泛應用于現代飛機和船舶制造,以及在諸如貨物集裝箱和模塊化建筑領域中也有較大的應用潛力。

     
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