复合材料有什么用途?

复合材料的应用是无穷无尽的。考虑到不同材料组合可实现的设计自由度和变化,几乎任何应用和材料要求都可以通过复合材料来解决。

材料和工艺选择

材料和制造工艺的选择与成品零件的所需性能和用途直接相关。在考虑复合材料零件的应用时,以下是在材料和工艺选择过程中需要考虑的一些因素:

刚度和强度

零件的刚度和强度将是零件组成和载荷方向的函数。大多数复合材料是所谓的各向异性材料——这意味着它们在不同方向上具有不同的机械性能。例如,具有平行于施加载荷方向的增强纤维的复合材料部件将比增强纤维垂直于施加载荷的部件更硬和更坚固几个数量级。对于结构应用,这允许设计师在预期更高应力的方向上加固零件。此外,复合材料部件允许某些未加载的区域具有较少的层数和较高应力的区域(螺栓孔、接头和弯曲)具有额外的增强材料。这有助于在不增加大量加工成本的情况下大幅减轻零件的重量。在设计复合材料部件的刚度和强度时,需要考虑以下一些因素:

  • 增强材料:材料、方向、厚度、层数、含量(% vol.)

  • 基质材料:类型、含量(% vol.)、覆盖/分布

  • 芯材:类型、厚度、附着力

简单的分析技术可用于给出复合材料零件刚度的粗略上限。使用混合规则,可以根据增强材料-基体体积比确定固化纤维和树脂的弹性拉伸刚度和密度的上限。该模型假设载荷平行于纤维方向施加,并且增强材料均匀分布在基体材料中。这被称为复合材料的相同应变、不同应力模型:

复合材料有什么用途?

其中 E 是弹性模量,ρ 是密度

然后可以在简单的梁计算中使用这些属性来确定带芯的复合梁的弯曲刚度上限。该模型假设固化的增强材料和基体蒙皮比芯材硬得多,并且芯材和层压蒙皮之间没有滑动。它还假设核心材料的剪切特性并不决定加载结构的行为。

下图所示的组合梁的转动惯量可以表示为:

复合材料有什么用途?

然后,该模型可以与根据混合规则建立的复合蒙皮的特性一起使用,并与标准工程梁表一起使用,以确定面板的近似刚度。这做出了不必要的假设(例如毒效应没有横向膨胀/收缩),但提供了一种简单的方法来近似和比较刚度和最终零件重量与金属对应物。可以使用更准确的分析方法,但需要更深入的计算。

耐化学性和抗紫外线性

复合材料对许多工业化学品具有良好的耐受性,并提供出色的紫外线防护保护。

在选择复合基体材料时,重要的是要确保其相容性以及腐蚀或化学侵蚀不会损坏零件。有几个在线资源可用于查看哪种复合材料可以满足您的应用需求。耐化学性会根据树脂的商品名称和反应性化合物的浓度和温度而变化。

众所周知,来自太阳的紫外线会损坏和降解油漆等表面涂层。此外,在聚丙烯等一些材料中,紫外线会导致刚度和强度等机械性能严重降低。

在阳光直射的区域,有色抗紫外线胶衣可以比油漆表面保持更长时间的颜色。基于新戊二醇的聚酯树脂等特种树脂系统也可用于延长着色表面的使用寿命。

紫外线稳定剂通常用于需要长期暴露且复合材料部件的颜料非常关键的极端应用中。

工艺选择

选择的制造工艺将对零件的最终结构和几何特性产生重大影响。此外,与其他制造技术相比,某些制造技术的零件之间的可重复性和变化会更大。

对结构、性能和几何形状的影响

复合材料部件的强度、刚度和重量与制造商在保持纤维和树脂之间的正确比例、真空压力和温度方面可用的控制直接相关。在手工层压中,通常使用滚筒将树脂添加到干纤维上,并由层压机控制。树脂过多,零件会比预期的重。树脂太少和零件结构完整性可能会受到影响。

华盛顿州立大学机械工程系的一项研究由 Dave Kim(等人)进行,研究了玻璃增强复合材料在制造休闲游艇船体时的物理和结构特性的变化。该研究着眼于比较典型玻璃纤维层压板的手工层压 (HL) 与低压真空灌注 (VL) (20”Hg) 与高压真空灌注工艺 (VH) (28” Hg)。休闲游艇。

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制造方法对样品层压板物理性能的影响

从现有数据来看,与真空灌注工艺相比,手工层压技术明显导致零件的树脂含量比例更高。此外,手工层压板的空隙空间是高压真空灌注层压板的 3.5 倍。该空隙空间是由于层片没有被压缩在一起而被夹在层压板中的间隙空气的结果。刷涂树脂时产生的气泡也可能导致空隙。

在该实验中,夹带的空气和过量的树脂也导致厚度控制不佳。20” Hg 样品与 28” Hg 样品之间的厚度差异只有 3%,而手工层压样品和 20” Hg 样品之间的厚度差异为 40%。该数据清楚地表明,即使应用很小的真空也可以大大提高零件之间的厚度一致性。

复合材料有什么用途?

对样品厚度的影响作为制造方法的函数

空气滞留和空隙被认为导致样品的拉伸刚度和拉伸强度都急剧下降。

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制造方法和真空压力对强度、刚度和失效应变的影响

在这项研究中,将高压灌注复合材料与手动层压板进行比较时,强度增加了 60%。

当在测试中检查样品时,在手工层压样品的层压结构中看到毫米级气孔。

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手工层压样品中的空气滞留

从这项研究中可以清楚地看出,层压方法和预期性能直接相关,并且真空灌注技术提供了优于手工层压部件的部件质量

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