使用復(fù)合材料零部件減少其重量的方法

使用復(fù)合材料加工某個(gè)部件時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，它可以做的更輕嗎？答案當(dāng)然是肯定的，但是復(fù)合材料零部件減重的方法并不總是固定不變的。對(duì)于復(fù)合材料零部件，需要成本與性能之間存在一定平衡。

在對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)或零部件進(jìn)行優(yōu)化之前，必須先對(duì)零部件進(jìn)行充分研究。即使使用性能更高的材料如碳纖維來(lái)替換玻璃纖維零件，也需要一定的知識(shí)才能簡(jiǎn)單地使零件更輕。目前幾種降低復(fù)合材料零部件的主要方法包括：

1、優(yōu)化樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維的比例

若要使現(xiàn)有復(fù)合材料零件發(fā)揮最大設(shè)計(jì)能力，則可以通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維的比例。在進(jìn)行濕鋪層時(shí)，樹(shù)脂太少會(huì)導(dǎo)致纖維沒(méi)有被充分浸漬，從而導(dǎo)致載荷分布不當(dāng)，并可能導(dǎo)致部件完全失效。

而過(guò)多的樹(shù)脂對(duì)最終復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)完整性沒(méi)有好處。因此，研究樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維的最佳比例對(duì)于獲得最有效的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件是不可或缺的。

2、增強(qiáng)纖維選擇

芳綸纖維、碳纖維和玻璃纖維三種增強(qiáng)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(jié)合到織物中，這與層壓后織物的最終材料特性有關(guān)，每種類(lèi)型的纖維和織物都具有自己獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如碳纖維性能最優(yōu)、玻璃纖維成本最低等。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件輕量化，使用碳纖維或芳綸纖維來(lái)代替玻璃纖維會(huì)很容易減輕任何部件的重量，因?yàn)榕c玻璃纖維相比，芳綸纖維和碳纖維更輕、更強(qiáng)，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(xì)節(jié)，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(shù)需求和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，纖維取向就在零件重量?jī)?yōu)化中發(fā)揮著不可或缺的作用。

單向膠帶可以在單一方向提供優(yōu)異性能，用于在指定方向上承受載荷，在復(fù)合材料中使用單向膠帶可實(shí)現(xiàn)在需要的地方優(yōu)化強(qiáng)度。這是一個(gè)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(qiáng)度。

4、樹(shù)脂選擇

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

環(huán)氧樹(shù)脂一般會(huì)有一系列選擇方案，這就需要通過(guò)查閱制造商的技術(shù)數(shù)據(jù)表，找到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的樹(shù)脂材料特性。同樣，在選定的環(huán)氧樹(shù)脂中實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂與纖維的合適比例將產(chǎn)生最有效的復(fù)合材料。

5、復(fù)合材料的優(yōu)化

獲得最輕復(fù)合材料零件最好的方法是使用預(yù)浸料。預(yù)浸料中樹(shù)脂已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)與纖維復(fù)合，并達(dá)到了材料性能的極限。由于纖維與樹(shù)脂的比例已經(jīng)優(yōu)化，因此其制備的產(chǎn)品顯然優(yōu)于濕法鋪層或灌注工藝。

預(yù)浸料固化層密度相對(duì)確定，因此，從預(yù)浸料角度設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在重量和可重復(fù)性方面與最終部件的設(shè)計(jì)是準(zhǔn)確的。而濕鋪和灌注過(guò)程在設(shè)計(jì)階段的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)取決于幾個(gè)過(guò)程因素。

6、添加夾芯結(jié)構(gòu)

添加材料這似乎不利于減輕重量并獲得更輕的部件。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中添加夾芯將增加疊層的重量。然而，芯材通常用于加強(qiáng)零件并為復(fù)合材料部件增加高剛度。一些芯類(lèi)型增加了樹(shù)脂的重量以及剛度，而一些芯類(lèi)型則旨在實(shí)現(xiàn)最高程度的復(fù)合材料性能。

眾所周知，適當(dāng)?shù)卦诹慵�的較弱區(qū)域添加芯會(huì)使零件更堅(jiān)固。在所有可用的核心中，Nomex蜂窩芯結(jié)構(gòu)可提供優(yōu)異的性能，使用 Nomex Honeycomb 可能需要更多的加工，但考慮到它所達(dá)到的重量強(qiáng)度，結(jié)果是不可否認(rèn)的。芯材也可以從較重的、浸有樹(shù)脂的芯材更換為較輕的芯材，并且可以通過(guò)這種方式輕松減輕重量。

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