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預浸料變薄后，竟然產(chǎn)生了這么多獨特的性質(zhì)及應(yīng)用！
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關(guān)于薄層預浸料 薄層預浸料是指厚度小于0.075 mm的預浸料，目前已進入商業(yè)化應(yīng)用。相對于預浸料厚度大于0.1 mm的常規(guī)預浸料，由其鋪層制成的層合板力學性能好、輕量化潛力大、高應(yīng)變下的折疊結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計自由度大，在航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有更大的靈活性和經(jīng)濟性，能夠進一步提高復合材料的結(jié)構(gòu)效率。 超薄碳纖維，圖片來源：河南工業(yè)大學吳海宏教授 CFRP層合板的薄層化效應(yīng) 層合板表面平整度提高，變截面過渡區(qū)“橋架”尺寸減小、應(yīng)力集中減弱，有利于降低層合板內(nèi)孔隙率，提高層合板制造質(zhì)量； 層合板面內(nèi)碳纖維排列波紋度減小、碳纖維偏轉(zhuǎn)角減小，碳纖維強度有效利用率提高，層合板力學性能提高； 樹脂、碳纖維兩相分布細小，裂紋擴展阻力增加，層合板抵抗抗分層損傷的能力有效提高； 采用薄、厚預浸料混雜鋪層設(shè)計可以有效地調(diào)控復合材料層合板抵抗分層、沖擊損傷性能。 另外：薄層化效應(yīng)還受樹脂韌性、樹脂及纖維表面官能團結(jié)合強度等因素的影響，這些因素之間是否存在耦合、匹配效應(yīng)，如何優(yōu)化層厚、樹脂性能、界面性能的匹配都是未來復合材料薄層化研究的重要方向。 薄層碳纖維復合材料的優(yōu)勢 薄壁、輕質(zhì)的復合材料結(jié)構(gòu)效率。在薄壁結(jié)構(gòu)采用薄層可以有效地增加鋪層數(shù)量，其鋪層順序具有更強的可設(shè)計性，更好地滿足薄壁件力學性能的要求。 合理地利用薄層，可以有效地提高基體抵抗裂紋擴展、抑制層間開裂，從而提高復合材料抵抗損傷的能力。 通過薄層、常規(guī)層厚的混雜鋪層，可以在更大范圍內(nèi)優(yōu)化復合材料的力學性能，提高復合材料制造效率的同時，降低制造成本。 薄層復合材料在一些大型、復雜、可變形的復合材料結(jié)構(gòu)制造中發(fā)揮了重要的作用，具有重要的應(yīng)用價值。 薄層復合材料的典型應(yīng)用 1. 在超音速飛行器中的應(yīng)用 上圖所示是德國航天中心聯(lián)合瑞典、荷蘭相關(guān)機構(gòu)開展的關(guān)于超高音速飛行器輕量化的設(shè)計研究。該設(shè)計在滿足飛行器性能要求的前提下，分別采用0.25 mm、0.05 mm和0.025 mm鋪層結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)效率分析。分析結(jié)果顯示，與0.25 mm的鋪層結(jié)構(gòu)相比，0.025 mm的鋪層結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕38.1%；0.05 mm的鋪層結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕13.2%。通過薄層化材料的應(yīng)用，提高了飛行器輕量化設(shè)計水平，提高了材料的利用率。可預見在不久的未來，通過采用薄層CFRP，空間運輸技術(shù)將有突破性進展。 1. 衛(wèi)星用可折疊結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 上圖所示為Sergio Pellegrino等開發(fā)的一種新的衛(wèi)星用可展開反射器樣件。該反射器表面由沿其邊緣鉸接的CFRP薄板形成的曲面構(gòu)成，展開后弧長7.9 m，寬度3.2 m，厚度僅為0.3 mm，所用預浸料厚度為0.04 mm。對折疊部分復合材料薄板進行了彎曲測試，如圖右上方所示。結(jié)果表明，在滿足反射器各方面性能要求的同時，重量上用薄層復合材料制造的反射器是傳統(tǒng)的復合材料反射器的28.57%，折疊后的體積僅為展開后的1/20。由于薄層CFRP在制造輕量化、高強度、低成本、高精度衛(wèi)星用可折疊結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，在美國、歐盟受到了極大的關(guān)注。 3. 薄層復合材料在大型液體燃料儲存罐中的應(yīng)用 上圖所示為美國國家航空航天局與波音公司共同開發(fā)的大型復合材料低溫儲罐，該儲罐除了滿足低溫力學性能（–195℃）、環(huán)境性能、力學性能等要求之外，還要具有好的密封性能且防止液體燃料的滲漏，同時還要滿足輕量化的設(shè)計要求，該結(jié)構(gòu)復合材料鋪層方式如圖所示。在該儲罐復合材料鋪層中，使用了0.14mm常規(guī)預浸料和0.07mm的薄層預浸料組合，常規(guī)層厚可以快速鋪放，從而提高制造效率，薄層起到抵抗微裂紋，降低孔隙率，防止液體燃料滲漏，并配合增韌環(huán)氧樹脂有效提高儲罐的力學性能。該設(shè)計和分析表明，當達到 5000 με 極限應(yīng)變水平時，與鋁–鋰儲液罐相比，重量減輕了39%，成本降低了25%，有效地降低了孔隙率，解決了非熱壓罐（OOA）成型的滲漏問題。 薄層預浸料本身的性能與質(zhì)量是薄層層合板性能的基礎(chǔ)。如何評價薄層預浸料的性能與質(zhì)量，目前還處在探索當中。此外，薄層化對復合材料電、磁、熱等功能性能有什么影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝性與常規(guī)層厚復合材料有什么不同等一系列問題仍然需要大量的基礎(chǔ)工作。 注：本內(nèi)容來源于河南工業(yè)大學吳海宏教授，如有需要進一步了解薄層碳纖維增強樹脂基復合材料研究及應(yīng)用進展，可以與小編聯(lián)系，或者直接與吳老師溝通。 2022復合材料界面1.jpg |
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