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先進(jìn)炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料發(fā)展趨勢
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| 發(fā)布時間：
2021/12/25 |
先進(jìn)炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料發(fā)展趨勢
炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料自20世紀(jì)60年代中期問世之初，主要用于航空航天領(lǐng)域，所占份額高達(dá)70%～80%。近年來迅速擴(kuò)展到航空航天、體育休閑用品和工業(yè)應(yīng)用等三大領(lǐng)域。目前航空航天等軍用領(lǐng)域只占20%～25%的應(yīng)用份額，體育休閑用品大約占有30%的份額，其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域大約占有50%的份額。炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù)，高技術(shù)向民用轉(zhuǎn)移已是世界普遍的潮流，各種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展正體現(xiàn)了其多元化發(fā)展的趨勢和特點。21世紀(jì)復(fù)合材料技術(shù)將有較新、較大的發(fā)展，目前的發(fā)展趨勢和特點主要包括低成本化、設(shè)計驗證的規(guī)范化及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全與可靠性評價。
1、炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料低成本化
炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成本較高，特別是制造成本較高，是其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的主要障礙，該問題引起了世界各國的普遍重視，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家紛紛制訂了低成本的復(fù)合材料發(fā)展研究計劃并取得了明顯效果。復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的低成本化乃是當(dāng)今世界復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的核心問題。目前，主要采取了低成本設(shè)計、低成本材料和低成本制造技術(shù)以降低其成本。
1.1、低成本設(shè)計技術(shù)
發(fā)展以DFM(design for manufacture)為核心的設(shè)計制造一體化技術(shù)，其實質(zhì)是隨計算機(jī)和制造技術(shù)的進(jìn)步，采用全新的設(shè)計理念和手段，發(fā)展數(shù)字化、自動化的設(shè)計技術(shù)，將設(shè)計和制造進(jìn)一步融為一體，從而加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，提高質(zhì)量并降低成本。大量設(shè)計軟件的開發(fā)和集成加上自動化的制造技術(shù)在設(shè)計階段就考慮制造與裝配問題，減少樣件和協(xié)調(diào)，易于模具生產(chǎn)，降低成本，使復(fù)合材料的應(yīng)用更具有競爭性。
1.2、低成本制造技術(shù)
制造成本占復(fù)合材料制件總成本的60%-70%，因此發(fā)展低成本制造技術(shù)是降低成本的核心，目前發(fā)展的主要低成本制造技術(shù)有自動化制造技術(shù)、大面積整體成型技術(shù)、RTM技術(shù)和罐外成型技術(shù)。
1.3、低成本材料技術(shù)
該項技術(shù)主要包括大絲束炭纖維的應(yīng)用、低溫快速固化樹脂體系的開發(fā)、低成本預(yù)浸料技術(shù)、各種RTM用樹脂體系的配套研發(fā)、熱塑性復(fù)合材料的合理使用以及混雜復(fù)合材料的合理應(yīng)用等諸多項技術(shù)。
炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成本問題是一個復(fù)雜的、綜合的技術(shù)問題，目前已形成復(fù)合材料發(fā)展研究的核心技術(shù)領(lǐng)域。在低成本復(fù)合材料技術(shù)中設(shè)計是先導(dǎo)、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵。
2、炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料設(shè)計驗證規(guī)范化
炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料積累了許多經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，在設(shè)計、分析、試驗驗證和鑒定驗收等方面逐漸走向了規(guī)范化、文件化和成熟化，這是當(dāng)前復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。該趨勢的重要表現(xiàn)之一是有組織地統(tǒng)一制訂相應(yīng)規(guī)范，其目的是將復(fù)合材料的設(shè)計和鑒定文件化、規(guī)范化，使試驗和分析更好地結(jié)合起來，形成設(shè)計和鑒定的統(tǒng)一指南，編制全行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)最終產(chǎn)品的一致性，減少風(fēng)險，降低成本。典型的有MIL-HDBK一17的重新修訂，由FAA、NASA、軍方和工業(yè)界共同組織200多位專家重新修訂出版，其新3卷本于1 999年完成。國內(nèi)在該方面的技術(shù)建設(shè)中，曾于1990年年底由原中國航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院組織出版了《復(fù)合材料設(shè)計手冊》，20多年來在國內(nèi)各方面獲得了廣泛的應(yīng)用，起到了一定的規(guī)范和統(tǒng)一作用。此后由于管理和統(tǒng)籌的弱化，鮮有類似的規(guī)劃和行動，遠(yuǎn)落后于國外。
3、炭纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全與可靠性評價
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、服役載荷及使用環(huán)境都相當(dāng)復(fù)雜，其缺陷和損傷在結(jié)構(gòu)中的發(fā)展、蔓延、傳播最終導(dǎo)致材料破壞與結(jié)構(gòu)失效的機(jī)制復(fù)雜。因此，如何建立復(fù)合材料有效性能試驗表征與評價體系，發(fā)展高精度的預(yù)報理論與方法，有效預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長時服役環(huán)境下的性能蛻變規(guī)律，給出科學(xué)合理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效判據(jù)，定量化評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，是復(fù)合材料工作者面臨的重要課題。歐空局和NASA在此方面開展了長期系統(tǒng)性的研究工作，各自建立了設(shè)計/分析/評價的軟件平臺，而且還在不斷更新擴(kuò)展。如何獲取結(jié)構(gòu)服役的狀態(tài)信息也是相當(dāng)困難和有意義的工作，為此B787研制中實施了傳感器計劃，及時監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。
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