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復合材料零部件減重的方法有哪些
文章來源:碳纖維及其復合材料技術     更新時間:2022-03-24 14:09:44
使用復合材料加工某個部件時,經常會遇到一個問題,它可以做的更輕嗎?答案當然是肯定的,但是復合材料零部件減重的方法并不總是固定不變的。對于復合材料零部件,需要成本與性能之間存在一定平衡。

 

在對復合材料設計或零部件進行優化之前,必須先對零部件進行充分研究。即使使用性能更高的材料如碳纖維來替換玻璃纖維零件,也需要一定的知識才能簡單地使零件更輕。目前幾種降低復合材料零部件的主要方法包括:

 

1、優化樹脂與增強纖維的比例

 

若要使現有復合材料零件發揮最大設計能力,則可以通過優化樹脂與增強纖維的比例。在進行濕鋪層時,樹脂太少會導致纖維沒有被充分浸漬,從而導致載荷分布不當,并可能導致部件完全失效。

 

 

而過多的樹脂對最終復合材料零件的結構完整性沒有好處。因此,研究樹脂與增強纖維的最佳比例對于獲得最有效的復合材料結構件是不可或缺的。

 

2、增強纖維選擇

 

芳綸纖維、碳纖維和玻璃纖維三種增強纖維的物理特性和差異很容易可以查到。需要更多研究的是如何將這些纖維特性結合到織物中,這與層壓后織物的最終材料特性有關,每種類型的纖維和織物都具有自己獨特優勢,如碳纖維性能最優、玻璃纖維成本最低等。

 

為了實現復合材料結構件輕量化,使用碳纖維或芳綸纖維來代替玻璃纖維會很容易減輕任何部件的重量,因為與玻璃纖維相比,芳綸纖維和碳纖維更輕、更強,因此部件更輕。

 

3、使用單向帶

 

減輕零件重量需要了解零件的使用細節,了解如何以及在何處施加荷載是很重要的,一旦了解了零件技術需求和設計細節,纖維取向就在零件重量優化中發揮著不可或缺的作用。

 

 

單向膠帶可以在單一方向提供優異性能,用于在指定方向上承受載荷,在復合材料中使用單向膠帶可實現在需要的地方優化強度。這是一個可行的選擇方案,它可以在不增加重量的情況下提高零件的剛度和強度。

 

4、樹脂選擇

 

就整體強度和高模量領域應用而言,性能最高的常溫樹脂是環氧樹脂,它的性能顯著優于聚酯和乙烯基酯樹脂,尤其是在與碳纖維或芳綸纖維配合使用時,其強度與重量之比更高(為了零件的靈活性,人們大多以聚酯樹脂為主)。

 

 

環氧樹脂一般會有一系列選擇方案,這就需要通過查閱制造商的技術數據表,找到滿足設計需求的樹脂材料特性。同樣,在選定的環氧樹脂中實現樹脂與纖維的合適比例將產生最有效的復合材料。

 

5、復合材料的優化

 

獲得最輕復合材料零件最好的方法是使用預浸料。預浸料中樹脂已經提前實現與纖維復合,并達到了材料性能的極限。由于纖維與樹脂的比例已經優化,因此其制備的產品顯然優于濕法鋪層或灌注工藝。

 

預浸料固化層密度相對確定,因此,從預浸料角度設計的產品在重量和可重復性方面與最終部件的設計是準確的。而濕鋪和灌注過程在設計階段的準確數據取決于幾個過程因素。

 

6、添加夾芯結構

 

添加材料這似乎不利于減輕重量并獲得更輕的部件。在現有設計中添加夾芯將增加疊層的重量。然而,芯材通常用于加強零件并為復合材料部件增加高剛度。一些芯類型增加了樹脂的重量以及剛度,而一些芯類型則旨在實現最高程度的復合材料性能。

 

眾所周知,適當地在零件的較弱區域添加芯會使零件更堅固。在所有可用的核心中,Nomex蜂窩芯結構可提供優異的性能,使用 Nomex Honeycomb 可能需要更多的加工,但考慮到它所達到的重量強度,結果是不可否認的。芯材也可以從較重的、浸有樹脂的芯材更換為較輕的芯材,并且可以通過這種方式輕松減輕重量。

 

 

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