高性能纤维复合材料的制造技术研究
碳纤维材料的制备及应用研究
碳纤维材料的制备及应用研究碳纤维材料是一种高性能、高强度和轻质的材料，在航空、航天、汽车、船舶、体育器材等领域有广泛的应用。
本文将介绍碳纤维材料的制备方法及其应用研究。
一、碳纤维材料的制备方法碳纤维的制备主要包括三个步骤：前驱体制备、纺丝成纤维和碳化。
1.前驱体制备前驱体是指材料转化为碳纤维前的预处理材料。
常用的前驱体有聚丙烯腈（PAN），煤沥青和轮胎树脂等。
其中，PAN是制备碳纤维的主要前驱体。
PAN通过干法纺丝制备成PAN纤维，然后进行预氧化处理，将预氧化的PAN纤维进行拉伸，再进行热解，最终得到碳纤维。
2.纺丝成纤维纺丝是将前驱体制备成精细单体并熔融成纤维的过程。
纺丝方式包括湿式法、干式法和气流旋转纺丝法等。
其中，湿式法是制备PAN基碳纤维最常用的方法。
3.碳化碳化是指在高温下，将前驱体中的非碳元素脱除，形成含碳量达到90%以上的纤维。
碳化条件是热解温度和时间，温度在1300℃左右，时间从几小时到几十小时不等。
碳化过程中，纤维的密度增大，晶体成分变化，力学性质也随之变化。
二、碳纤维材料的应用研究1. 航空领域碳纤维材料在航空领域中的应用主要是替代传统的铝合金和复合材料制造飞机的结构部件，以减少飞机的重量和燃料消耗。
碳纤维材料是制造各种结构部件的理想材料，包括机翼、机身、进气道和发动机等。
2. 船舶领域碳纤维材料在船舶领域的应用主要是制造高速艇、游艇和各种竞赛船只的外壳和桅杆等结构件。
碳纤维材料具有优异的刚性和强度，可以有效减少船只的自重，提高船只的速度和灵活性。
3. 汽车领域碳纤维材料在汽车领域中的应用主要是用于制造车身外壳和底盘结构件等部件。
碳纤维材料具有高强度和轻质化特点，能够大大降低汽车的自重，提高汽车的燃油经济性和性能。
4. 体育器材领域碳纤维材料在体育器材领域中的应用主要是制造高档的高尔夫球杆、足球鞋、网球拍和自行车等体育用品。
碳纤维材料具有优异的刚性和强度，能够提高运动器材的性能表现。
碳纤维复合材料的成型工艺
碳纤维复合材料的成型工艺一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维增强体和树脂基体组成的新型高性能材料。
它以其轻质、高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑结构等领域得到了广泛的应用。
本文将探讨碳纤维复合材料的成型工艺，分析其重要性、挑战以及实现途径。
1.1 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料的特点主要包括以下几个方面：- 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比模量，使得复合材料在保持轻质的同时，具有很高的承载能力。
- 高刚度：碳纤维复合材料的刚度远高于传统材料，可以提供更好的结构稳定性。
- 耐疲劳：碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能，适用于承受反复循环载荷的应用。
- 耐腐蚀：碳纤维复合材料对多种腐蚀性介质具有很好的抵抗力，适用于恶劣环境。
1.2 碳纤维复合材料的应用领域碳纤维复合材料的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：用于飞机结构、发动机部件等，以减轻重量、提高性能。
- 汽车制造：用于车身、底盘等部件，以提高燃油效率和车辆性能。
- 体育器材：用于自行车、网球拍、高尔夫球杆等，以提供更好的运动性能。
- 建筑结构：用于桥梁、高层建筑等，以提高结构的承载能力和耐久性。
二、碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺是实现其优异性能的关键环节。
不同的成型工艺会影响材料的性能和应用范围。
2.1 预浸料成型工艺预浸料成型工艺是一种常用的碳纤维复合材料成型方法。
该工艺首先将碳纤维与树脂基体预先混合，形成预浸料，然后在模具上铺设预浸料，通过热压或真空袋压等方法固化成型。
预浸料成型工艺具有成型效率高、产品质量好等优点。
2.2 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种先进的复合材料成型技术。
该工艺通过将树脂注入闭合模具中，使树脂在模具内流动并浸润碳纤维，最终固化成型。
RTM工艺可以实现复杂形状的制品成型，且具有较低的生产成本。
高性能纤维及复合材料
高性能纤维及复合材料高性能纤维及复合材料是一种具有优异性能的材料，它们在航空航天、汽车、船舶、体育器材、军事装备等领域都有着广泛的应用。
高性能纤维及复合材料具有轻质、高强度、耐热、耐腐蚀等特点，因此备受青睐。
本文将从高性能纤维及复合材料的种类、特点以及应用领域展开阐述。
首先，高性能纤维及复合材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
碳纤维具有高模量、高强度、低密度的特点，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
玻璃纤维具有良好的绝缘性能和化学稳定性，常用于建筑、船舶、电子等领域。
芳纶纤维具有优异的耐热性和耐化学腐蚀性，广泛应用于防弹衣、航空发动机零部件等领域。
其次，高性能纤维及复合材料具有轻质、高强度、耐热、耐腐蚀等特点。
这些特点使得高性能纤维及复合材料在航空航天领域可以减轻飞机、航天器的重量，提高载荷能力和燃料效率；在汽车领域可以提高汽车的安全性能和燃油经济性；在船舶领域可以提高船舶的抗风浪能力和航行速度；在体育器材领域可以提高器材的性能和使用寿命；在军事装备领域可以提高装备的防护性能和机动性。
最后，高性能纤维及复合材料在航空航天、汽车、船舶、体育器材、军事装备等领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，高性能纤维及复合材料被用于制造飞机机身、航天器外壳等部件；在汽车领域，高性能纤维及复合材料被用于制造车身、发动机零部件等部件；在船舶领域，高性能纤维及复合材料被用于制造船体、船舶结构件等部件；在体育器材领域，高性能纤维及复合材料被用于制造滑雪板、自行车车架等器材；在军事装备领域，高性能纤维及复合材料被用于制造防弹衣、武器零部件等装备。
综上所述，高性能纤维及复合材料具有广泛的应用前景，其轻质、高强度、耐热、耐腐蚀等特点使其在各个领域都有着重要的地位。
随着科技的不断进步，相信高性能纤维及复合材料会有更加广阔的发展空间。
剑麻纤维及其复合材料研究
剑麻纤维及其复合材料研究【摘要】剑麻纤维是一种优秀的天然纤维，具有优异的力学性能和环保性质，因此备受关注。
本文首先介绍了剑麻纤维的结构与性质，然后探讨了剑麻纤维在复合材料中的应用，包括其在航空航天、汽车工业等领域的潜在应用价值。
在详述了剑麻纤维复合材料的制备方法及其性能表现，从而揭示了其在提高材料强度、降低密度等方面的潜力。
通过分析剑麻纤维复合材料的发展趋势，展望了其在未来的应用前景。
结论部分总结了剑麻纤维及其复合材料研究的重要性和进展，强调了其在可持续发展和环保方面的重要作用，为相关研究提供了有益的借鉴和指导。
【关键词】剑麻纤维、复合材料、结构与性质、应用、制备方法、性能表现、发展趋势、研究进展、应用前景、重要性。
1. 引言1.1 剑麻纤维及其复合材料研究的背景剑麻纤维，又称大麻纤维、五指毛、剑麻，是一种天然纤维素纤维，具有优异的物理力学性能和生物可降解性，是一种绿色环保的材料。
剑麻纤维广泛存在于热带和亚热带地区，是一种富含纤维素的植物纤维。
在过去，剑麻主要用于制作麻绳、纱线等传统工艺品，但随着科技的发展，剑麻纤维在现代工业领域中的应用也越来越广泛。
剑麻纤维及其复合材料研究的背景可以追溯到对可再生资源的重视和对环境友好材料的需求。
随着全球范围内对可持续发展的重视，人们对可降解材料和替代性能更好的材料的需求逐渐增加。
剑麻纤维以其资源丰富、生长快速、成本低廉等优势，逐渐受到研究者的关注。
在传统的复合材料中，玻璃纤维、碳纤维等常用纤维被广泛应用，但这些纤维也存在资源消耗大、难降解等问题，而剑麻纤维则为一种更环保、更可持续的替代材料。
剑麻纤维及其复合材料研究具有重要的科学意义和实际应用价值。
通过深入研究剑麻纤维的结构与性质、应用于复合材料的方法和技术以及复合材料的性能表现，可以为开发高性能、绿色环保的新型复合材料奠定基础，推动相关产业的发展和创新。
1.2 剑麻纤维及其复合材料研究的意义1. 资源开发与利用：剑麻是一种天然植物纤维，具有丰富的资源储备和可再生特性。
纤维增强复合材料
通过添加填料、改性剂等对基体材料进行改性，改善基体材料的性能，提高复合 材料的综合性能。
界面设计与优化
界面设计原则
设计良好的界面结构，确保纤维与基体材料之间有足够的粘 结力和剪切力，提高复合材料的力学性能。
界面优化技术
采用涂层技术、表面处理等方法对界面进行优化，改善界面 相容性，提高复合材料的整体性能。
纤维浸润
预浸料制备
将浸润后的纤维进行连续化或裁剪， 制备成一定规格的预浸料。
将纤维（如玻璃纤维、碳纤维等）浸 入树脂中，使纤维表面均匀涂覆树脂。
纤维铺层与成型
01
02
03
铺层设计
根据产品结构和性能要求， 进行铺层设计，确定纤维 的铺设方向、层数和顺序。
定位与固定
将预浸料按照设计要求铺 设在模具上，并进行定位 和固定，确保纤维位置准 确。
通过改进生产工艺和设备， 降低生产成本，提高生产 效率。
原材料国产化
推动原材料的国产化进程， 降低原材料成本，提高供 应链的稳定性。
规模化生产
通过扩大生产规模，实现 规模经济效应，降低单位 产品的成本。
环境友好性与可持续发展
环保生产工艺
采用环保型的生产工艺和设备， 降低生产过程中的环境污染。
可循环利用
认证与评价机制
建立认证和评价机制，对复合材料的质量和性能进行评估和认证， 提高市场竞争力。
05 纤维增强复合材料的应用 案例
航空航天领域的应用
飞机结构
纤维增强复合材料因其高强度、轻质和耐腐蚀的特性，广泛应用于 飞机结构，如机翼、尾翼和机身。
航天器结构
在航天器设计中，纤维增强复合材料用于制造卫星平台、火箭发动 机壳体和航天飞机隔热罩。
高性能TWF复合材料力学性能研究
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术84SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年第6期高性能TWF复合材料力学性能研究①李怡晨,宋燕平,胡㊀飞(中国空间技术研究院西安分院,西安㊀710000)㊀㊀摘㊀要:为满足星载可展开天线反射器实现大口径㊁高精度㊁轻质量㊁大收纳比的目标,利用碳纤维三向编织物(Triaxial Woven Fabric-TWF)作为增强材料,与柔性基体材料硅橡胶复合,制成兼具一定柔性和刚性的复合材料壳膜结构,作为可折叠展开的卫星天线反射器㊂本文对硅橡胶基TWF复合材料进行了力学性能的研究㊂对TWF选取合适的体积重复单元-单胞,建立其实体有限元模型;进行了两次等效,首先由纤维和基体的材料特性得到等效纤维束的材料特性参数;然后由单胞的均匀化有限元分析,得到等效的整个TWF复合材料特性参数,其中均匀化分析的重点为施加周期性边界条件㊂最后,分析了纤维体积含量对材料性能的影响㊂本文对该材料进行力学性能的研究,为其未来应用于大型可展开高精度天线反射器提供理论依据㊂关键词:硅橡胶基TWF复合材料;细观建模;周期性边界条件;均匀化分析中图分类号:TN98㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1674-7135(2020)06-0048-07D O I:10.3969/j.issn.1674-7135.2020.06.009TStudy on Mechanical Properties of High PerformanceTWF CompositesLI Yichen,SONG Yanping,HU Fei(China Academy of Space Technology(Xi an),Xi an㊀710000,China)Abstract:In order to meet the goal of large-diameter,high-precision,light-weight,and large storage ratio for space-borne expandable antenna reflectors,a carbon fiber triaxial woven fabric(TWF)is used as a reinforcing material and com-pounded with a flexible base material silicone.A composite shell membrane structure having a certain flexibility and rigidityis produced as a collapsible and unfolded satellite antenna reflector.In this paper,the mechanical properties of silicone ma-trix TWF composites were studied.The appropriate volume repeating unit(unit cell)for TWF was selected,and the solid fi-nite element model was established.Two equivalents was performed.Firstly,the material properties of the equivalent fiber bundle from the material properties of the fiber and the matrix were obtained.The homogenization finite element analysis yields an equivalent overall TWF composite property which was focus on the homogenization analysis being the application of periodic boundary conditions.Finally,the influence of fiber volume content on material properties was analyzed.In this pa-per,the mechanical properties of the material were studied,which provides a theoretical basis for its application to large-scale expandable high-precision antenna reflectors in the future.Key words:Silicon matrix TWF composite;Mesoscopic modeling;Periodic boundary conditions;Homogenization analy-sis①收稿日期:2020-07-31;修回日期:2020-10-31㊂基金项目:大型天线高精度索网结构在轨稳定性关键影响因素和机理研究(编号:U1537213)㊂作者简介:李怡晨(1995 ),女,天线结构设计师,主要研究工作为大型可展开天线构架天线技术研究㊂E-mail:yichenli10 @0㊀引言当前及未来相当长时期内,对空间大型可展开天线反射器(Large deployable reflectors,LDRs)的需求旺盛并呈增长趋势㊂对于科学㊁通信和地球观测任务,将需要中等(4至8米),大(8至15米)甚至非常大(高达25米以上)尺寸的反射器[1,2]㊂对大型空间天线反射器反射面的精度也提出了一定的要求,以满足Ka波段卫星通信和更高频率地球观测的需要[3,4]㊂目前,在轨运行的星载大型可展开天线反射器主要为网状可展开天线反射器㊂网状可展开天线反射器属于柔性结构的范畴,其结构复杂,形面精度㊁可靠性及重复精度较低,在实现高精度方面往往会遇到一系列的问题,在材料选择㊁结构设计㊁热控设计㊁制造调试时间㊁费用等方面需要付出很高代价㊂网状可展开天线反射器在实现高精度方面,问题的根源是金属网的柔性,要形成比较光滑的抛物面,金属网必须在某种边界条件下予以张紧㊂然而,由碳纤维束编织而成的三向织物(Triaxial Woven Fabric, TWF),用其制成复合材料薄壳,其自身具有一定的弯曲刚度,无需施加张力即可保持所需的形状,用硅橡胶而不是环氧树脂做基体材料,可以明显提高薄壳的韧性,改善反射器的收拢㊁展开性能㊂小孔隙率TWF的编织技术可实现Ka及以上频率的射频要求㊂本文对采用柔性基体的高性能碳纤维TWF复合材料进行研究,为其未来作为大型可展开高精度天线反射器反射面提供理论依据㊂国内外学者对TWF复合材料力学性能展开了一定的研究,众多研究者大多数是对树脂基TWF复合材料展开一系列研究工作,对柔性基体TWF复合材料性能研究较少㊂目前国内外对于TWF复合材料的性能分析主要利用细观力学方法和有限元方法,对材料单胞进行有限元建模,通过均匀化方法对其宏观力学性能进行分析[5,6]㊂其中慕尼黑工业大学L.Datashvili等人在分析硅橡胶基TWF复合材料性能时,将其等效为9ˑ9[ABD]刚度矩阵[8]㊂本文在对柔性基体TWF复合材料力学性能进行分析时,没有采用层合板的假设,参考均匀化理论和周期性边界条件的施加方式,通过施加6个单位应变载荷最终得到等效均质材料的刚度矩阵,继而得到材料的工程常数㊂对单胞进行有限元模型的建立时,可以选择梁模型或实体模型㊂梁有限元模型与实体有限元模型相比更加简单,可以花费更少的计算时间㊂但由于周期性边界条件的施加需要模型为3D实体模型;而且实体模型相比于梁模型分析精度会更高㊂因此本文将采用3D实体有限元模型来对TWF复合材料进行性能的分析㊂为满足天线反射器各项高性能指标要求,本文将对不同纤维体积含量的硅橡胶基TWF复合材料等效性能进行分析,可以进行材料的优化设计㊂1㊀基本理论1.1㊀纤维束等效材料特性参数的获取如下图所示,X㊁Y㊁Z分别代表0ʎ㊁-θ㊁+θ方向的纤维束,各个方向纤维束采用的原料均相同㊂假设纤维束为横观各向同性材料,使用混合规则及其他的一些公式[8],由纤维㊁硅橡胶的材料特性以及TWF复合材料的纤维体积含量来计算等效纤维束的材料特性㊂Fig.1㊀fiber bundles diagram纤维束拉伸模量E1和泊松比ν12使用混合规则获得,其中φf为纤维体积含量,E f,E m分别为纤维和基体的拉伸模量:E1=φf E1,f+(1-φf)E m(1)ν12=φfν12,f+(1-φf)νm(2)㊀㊀采用Halpin-Tsai半经验方程确定横向拉伸模量E2:E2=E3=E m1+ξηφf1-ηφf(3)㊀㊀其中,η=E2,f-EmE2,f+ξE m(4)㊀㊀参数ξ=2是复合材料增强的量度,取决于纤维几何形状,填料几何形状和载荷条件㊂942020年第6期李怡晨,等:高性能TWF复合材料力学性能研究类似地,对于剪切模量G 12,使用Halpin-Tsai 半经验关系㊂G 12=G 13=G m(G 12,f +G m )+φf (G 12,f -G m )(G 12,f +G m )-φf (G 12,f -G m )(5)㊀㊀通过求解以下二次方程式获得剪切模量G 23㊂G 23G m()2A +G23G m()B +C =0(6)㊀㊀其中A ,B ,C 的计算公式参考文献8㊂已知剪切模量G 23,可以从中计算泊松比㊂G 23=E 22(1+ν23)(7)㊀㊀至此本节获得了横观各向同性纤维束的等效材料特性参数㊂1.2㊀均匀化在一个非均匀结构中,平衡方程㊁应变位移关系和本构关系如下:σij ,j +f i =0e ij =12(u i ,j+u j ,i )σij =C ijkl e kl(8)㊀㊀边界条件为:σij n j =T -i ㊀在S Tu i =u -i ㊀在S u(9)㊀㊀其中f i 是单位体积的体力,C ijkl 是材料的刚度矩阵,n j 是边界上的面外单位法向量,T -i 是边界S T上每单位面积的规定外力,u -i 是边界S u 上的规定位移㊂然而,C ijkl 的刚度随位置会快速变化(取决于纤维或基体),因此很难找到上述方程的解㊂因此,通过引入平均模量来寻找更简单的解决方案㊂得到该平均模量的一种方法是使用均匀化理论㊂对于非均质材料的平均应力应变关系如下所示:e ij ⓪=1VʏV e 0ij(x ,y )dV =eij(0)σij ⓪=1VʏVσ0ij(x ,y )dV =Cijkl+C ikmnX kl m y n éëêêùûúúe (0)kl =C H ijkl e kl ⓪(10)㊀㊀其中e (0)ij 是均匀应变,X kl m 是表示单胞特征模式的周期函数,C H ijkl 是等效均匀刚度系数㊂上述方程提供了均匀化弹性体的应力 应变关系㊂在有限元计算过程中,平均应力也可以由应力的表面平均值获得,如下所示: σij ⓪=1VʏVσ0ij (x ,y )dV =12V ʏS (T i y j+T j y i )ds (11)其中㊀S 是单胞的边界,T i 是S 上的面力㊂对于三维单胞模型,通过将六个独立载荷情况(如公式12所示)应用于具有适当周期性边界条件的单胞来确定C H ikkl 的分量㊂这些载荷情况中的每一个载荷的施加都是通过施加单位宏观应变e 0ij=12 u 0ix j + u 0jx i()的形式㊂e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=100000ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï,e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=010000ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï,e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=001000ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï,e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=000100ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï,e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=000010ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï,e 011e 022e 033e 023e 031e 012ìîíïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïï=000001ìîíïïïïïïïïüþýïïïïïïïï(12)1.3㊀周期性边界条件分析单胞所需的周期性边界条件基于平移对称性变换[10]㊂在平移对称变换下,对于尺寸为2a㊃2b㊃2c 的3D 正交复合材料,单胞的相对面之间的相05空间电子技术2020年第6期对位移(图2a 中有三个可见面A,C 和F)如下:(u |x =a -u |x =-a )|y ,z =2ae 011㊀(ν|x =a-ν|x =-a )|y ,z =0㊀(w |x =a -w |x =-a)|y ,z=0(u |y =b -u |y =-b )|x ,z=2be 012㊀(ν|y =b-ν|y =-b)|x ,z=2be 022㊀(w |y =b-w |y =-b)|x ,z=0(u |z =c-u |z =-c)|x ,y=2ce 013㊀(ν|z =c -ν|z =-c )|x ,y =2ce 023㊀(w |z =c -w |z =-c )|x ,y =2ce 033(13)㊀㊀其中在第一行中,下标x =a 和x =-a 表示相对应的面,而下标y ,z 表示由该相对面上的相应点共享的共同坐标㊂方程13可以被描述为U A -U B =F AB ,U C -U D =F CD ,U E -U F =F EF ,其中U =u νw ìîíïïïüþýïïï,下标A,B,C,D,E 和F 为单胞的六个面,如图2(a)所示㊂(a)立方体填充的单胞㊀㊀㊀(b)单胞中的边缘和顶点图2㊀立方体填充的单胞和单胞中的边缘和顶点Fig.2㊀(a )Cube-filled unit cells (b )Edges andvertices in unit cells相对边(顶点除外)的相对位移(图2b)如下:U Ⅱ-U Ⅰ=F AB ,U Ⅲ-U Ⅰ=F AB +F CD ,U Ⅳ-U Ⅰ=F CD U Ⅳ-U Ⅴ=F AB ,U Ⅶ-U Ⅴ=F AB +F EF ,U Ⅷ-U Ⅴ=F EF U Ⅹ-U Ⅳ=F CD ,U Ⅺ-U Ⅸ=F CD +F EF ,U Ⅶ-U Ⅸ=F EF(14)㊀㊀同样的,对于顶点相关的方程如下:U 2-U 1=F AB ,U 3-U 1=F AB +F CD ,U 4-U 1=F CD U 5-U 1=F EF ,U 6-U 1=F AB +F EFU 7-U 1=F AB +F CD +F EF ,U 8-U 1=F CD +F EF(15)公式13~15以及防止刚体运动的条件将用于离散化单胞的有限元分析㊂1.4㊀复合材料的等效力学性能的获取复合材料的力学性能可以用三维本构方程来表示,其中矩阵形式如下:σ11σ22σ33τ23τ31τ12éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú=C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 21C 22C 23C 24C 25C 26C 31C 32C 33C 34C 35C 36C 41C 42C 43C 44C 45C 46C 51C 52C 53C 54C 55C 56C 61C 62C 63C 64C 65C 66éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúe 11e 12e 33e 23e 31e 12éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú(16)㊀㊀其中C ij 代表复合材料的等效均匀刚度矩阵系数,通过单胞上的六个载荷情况的解来计算㊂每个载荷情况下的载荷是施加的单位宏观应变的形式,如等式12中所述㊂C ij 是弹性模量,通过求逆可获得柔度矩阵S ij ㊂由柔度矩阵系数,可以得到工程常数如下:E 11=1/S 11,E 22=1/S 22,E 33=1/S 33,G 12=1/S 66,G 23=1/S 44,G 31=1/S 55ν12=-S 12/S 11,ν23=-S 23/S 22,ν31=-S 13/S 33(17)2㊀单胞有限元模型的建立2.1㊀材料特性本文研究了T300碳纤维增强硅橡胶(Carbonfiber reinforced silicone,CFRS)TWF 复合材料的特性,基体采用ZS-NJ-D955低粘度单组份有机硅㊂纤维和基体的材料特性如下表所示:表1㊀纤维㊁基体的材料特性Table 1㊀Material properties of fibers and matrix材料特性T300ZS-NJ-D955Silicone密度[kg /m 3]17601060E 1/MPa 230000 1.2E 2/MPa150001.2G 12/MPa 60000.401v 120.20.4952.2㊀单胞几何模型的建立本文研究的单胞几何参数如下图所示,定义0ʎ纤维束方向为x 方向,y 方向与之垂直,纤维束宽度152020年第6期李怡晨,等:高性能TWF 复合材料力学性能研究为d ㊂整个单胞模型外框矩形的长㊁宽分别为6d /3㊁6d ㊂yd 2d2d /34d /3Fig.3㊀Unit cell parameter diagram图4为通过软件ProE 建立起来的TWF 单胞实体几何模型,由6个纤维束装配切除后得到㊂模型充分考虑纤维束的屈曲波动与交叠情况,ʃ60ʎ纤维束中心曲线为波浪状曲线,在0ʎ纤维束的上面及下方依次交叉穿过,且彼此交叠;0ʎ纤维束中心曲线为正弦形状;模型中纤维束的横截面均为矩形截面㊂其中d =0.9mm,厚度h =0.075mm㊂图4㊀单胞几何模型图Fig.4㊀Unit cell geometry model2.3㊀单胞有限元模型的建立将在ProE 中建立起来的实体几何模型导入到有限元分析软件ABAQUS 中建立有限元模型㊂其中ʃ60ʎ纤维束的材料特性需要通过局部坐标系来指定纤维束的材料取向㊂由于TWF复合材料结构复杂,因此对单胞采用四面体单元进行离散,单胞网格采用自由划分,如图5所示㊂(a)图5㊀单胞有限元模型图Fig.5㊀Unit cell finite element model3㊀TWF 复合材料等效材料特性的获取周期性边界条件(方程(13)~(15)),用python 语言编写代码,在ABAQUS 中运行㊂后处理也使用python 代码实现㊂为了确定等效模量,对6个独立的载荷情况进行了单胞的应力分析,从中获得了体积平均应力和应变㊂载荷的施加是通过在单胞表面上施加单位宏观应变(方程12)的形式,由此得到相应的应力㊂周期性边界条件,即方程(13)~(15),在ABAQUS 中使用多点约束(MPC)来实现㊂对于每个单位宏观应变的施加,可以获得等效刚度矩阵C ij 的一列,最终可以得到整个刚度矩阵(式16);刚度矩阵的逆得到柔度矩阵,最终可以确定材料的工程常数(式17)㊂得到T300碳纤维增强硅橡胶复合材料(纤维体积含量为42%)的刚度矩阵为:9047.902806.159.0859980002806.158398.379.430170009.085989.4301710.0653000002796.62000000.72782000000.80043éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú25空间电子技术2020年第6期㊀㊀最终得到工程常数如下表所示:表2㊀TWF 复合材料(V f =42%)力学特性Table 1㊀TWF composite (V f =42%)mechanical propertiesE 11/MPa E 22/MPa E 33/MPa G 12/MPa G 23/MPa G 31/MPa v 12v 23v 318106.787523.7210.052796.620.80.730.330.660.594㊀纤维体积含量对材料性能的影响对于采用柔性基体的TWF 复合材料,其纤维体积含量是影响材料性能的重要工艺参数,直接影响材料的等效力学性能㊂因此进行纤维体积含量的变化对材料等效力学性能的影响规律的研究㊂选取V f =40%,42%和45%来讨论纤维体积含量变化对材料性能的影响㊂基于非线性分析的不同纤维体积含量材料的平面拉伸应力-应变曲线如图6所示㊂可以看出在应变超过0.03时开始出现非线性行为,随着纤维体积含量的增大,TWF 复合材料的拉伸刚度变大;随着应变的增加,不同纤维体积含量对应的应力之间的间隔变大㊂123/()M P a V f = %40V V f f = %= %4245图6㊀Fig.6㊀Tensile stress and strain diagram of TWF materialunder different fiber volume fractionsTWF 复合材料的弯曲行为如图7所示,其中显示了基于非线性分析的结果㊂随着纤维体积含量的增大,TWF 复合材料的弯曲刚度变大;一旦弯曲半径降至约1.25mm,非线性就开始出现;随着曲率的增加,不同纤维体积含量对应的单位宽度弯矩之间的间隔变大㊂可以看出碳纤维的体积含量对TWF 复合材料等效力学性能的影响很大,随着碳纤维体积含量的增加,相应的TWF 复合材料的拉伸刚度和弯曲刚度均随之增大,但韧性将变差㊂由于该材料是用于可展开高精度天线反射器反射面,不仅对材料刚度,对材料可折叠能力(材料韧性)都有一定的要求㊂因此在选择材料的纤维体积含量时需要进行综合考虑㊂当挺度(弯曲刚度)范围要求在[3,4]N.mm 之内,材料纤维体积含量应该低于45%㊂002.04.06.08.10. / ()N /( /)1mm V f = %40V V f f = %= %4245图7㊀不同纤维体积含量下TWF 材料弯曲行为分析Fig.7㊀Analysis of bending behavior of TWF materialunder different fiber volume fractions5㊀结论本文采用复合材料细观力学的方法对硅橡胶基TWF 复合材料进行了力学性能分析㊂由纤维和硅橡胶的材料特性㊁TWF 的结构特征,通过两次等效最终得到TWF 复合材料的材料特性㊂首先通过假设纤维束为横观各向同性材料,利用混合规则等公式得到等效纤维束的材料特性;接下来选取合适的单胞,充分考虑纤维束交叠情况,建立了单胞实体几何模型,通过赋予其之前得到的纤维束材料特性,建立单胞有限元模型;对单胞有限元模型进行均匀化有限元分析,通过在ABAQUS 中运行python 代码实现对单胞周期性边界条件的施加,通过6个独立加载分析得到体积平均应力㊁应变,从而得到等效刚度矩阵,最终获得等效TWF 复合材料工程常数;最后分析了纤维体积含量对于单胞等效性能的影响规352020年第6期李怡晨,等:高性能TWF 复合材料力学性能研究律,可以看该参数直接影响单胞的等效性能㊂随着Vf增大,相应的TWF复合材料的拉伸刚度和弯曲刚度(挺度)均随之增大,但韧性将变差,因此在选择材料纤维体积含量时需要进行综合考虑㊂参考文献:[1]㊀段宝岩.大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势[J].电子机械工程,2017,33(1):1-14.[2]㊀Datashvili L,Baier rge membrane reflectors[C]//European Conference on Antennas and Propagation.IEEE,2009:580-584.[3]㊀唐雅琼.空间网状天线多源误差与形面稳定性研究[D].西安:西安电子科技大学,2017.[4]㊀Datashvili L,Baier H,Wehrle E,et rge Shell-Mem-brane space reflectors[C]//Aiaa/asme/asce/ahs/ascStructures,Structural Dynamics,and Materials Confer-ence,Aiaa/asme/ahs Adaptive Structures Conference.2010.[5]㊀Aoki T,Yoshida K,Watanabe A.Feasibility Study of Tri-axially-Woven Fabric Composite for Deployable Structures[C]//48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures,Structural Dynamics,and Materials Conference.2007.[6]㊀Kueh A,Pellegrino S.ABD matrix of single-ply triaxialweave fabric composites[C]//48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures,Structural Dynamics andMaterials Conference.(AIAA)2013.[7]㊀Bai J B,Xiong J J,Shenoi R A,et al.Analytical solutionsfor predicting tensile and in-plane shear strengths of triax-ial weave fabric composites[J].International Journal ofSolids&Structures,2017,120:199-212.[8]㊀Datashvili L,Baier H,Rochaschmidt L D.Multi-scale a-nalysis of structures made of triaxially woven fabric com-posites with stiff and flexible matrix materials[C]//Aiaa/asme/asce/ahs/asc Structures,Structural Dynamicsand Materials Conference.2011.[9]㊀张平,桂良进,范子杰.三向编织复合材料拉伸强度研究[J].玻璃钢/复合材料,2014(08):92-96. [10]㊀Rao M V,Mahajan P,Mittal R K.Effect of architectureon mechanical properties of carbon/carbon composites[J].Composite Structures,2008,83(2):131-142.[11]㊀严雪.二维三轴编织复合材料刚度和强度性能研究[D].南京航空航天大学,2013.[12]㊀马小飞,李洋,肖勇,等.大型空间可展开天线反射器研究现状与展望[J].空间电子技术,2018,(2):16-26.[13]㊀李团结,马小飞.大型空间可展开天线技术研究[J].空间电子技术,2012,(3):35-39,43. [14]㊀柏宏武,马小飞,宋燕平.柔性自回弹天线反射器结构厚度的优化[J].空间电子技术,2005,(2):42-47.[15]㊀饶云飞,张辰,王庆涛,et al.三向织物及其复合材料研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2018,298(11):119-123.45空间电子技术2020年第6期。
高性能碳纤维复合材料项目可行性研究报告
高性能碳纤维材料项目可行性研究报告目录第一章研究背景 (4)一、定义 (4)二、行业形势 (4)第二章研究内容 (5)一、碳纤维性质 (5)二、碳纤维的产品形式及制造工艺 (6)三、产品种类 (6)1. 聚丙烯腈基碳纤维 (6)2、沥青基碳纤维 (7)3 、粘胶基碳纤维 (8)4 、活性碳纤维 (9)5 、气相生长碳纤维 (10)第三章研究方法 (10)第四章测试研究数据来源 (11)一、测试与标准 (11)1、碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。
(11)2、试样制备 (13)3、测试： (14)第五章市场研究 (16)一、市场规模 (16)2二、竞争态势 (17)1、国外碳纤维形势分析 (17)2、国内生产厂家 (18)三、行业投资的热点 (21)四、行业项目投资的经济性 (22)第六章建设周期与预算 (22)一、建设周期 (22)二、投入预算 (23)成都XX新能源有限公司编制3第一章研究背景一、定义碳纤维是先进复合材料最常用的也是最重要的增强体。
碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的新型无机非金属材料。
化学组成中碳元素含量达95%以上。
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。
通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）模量为100GPa左右。
高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）大于4000MPa的又称为超高强型；模型。
碳纤维制造工艺分为有机先驱体纤维法和气相生长法。
机先驱体纤维法制得的碳纤维是由有机纤维经高温固相反应转变而成。
应用的有机纤维主要有聚丙烯（PAN）纤维、人造丝和沥青纤维等。
将有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的，其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。
复合材料智能制造技术
复合材料智能制造技术随着全球制造业的快速发展，如何提高产品品质、降低成本已经成为制造业的热门话题之一。
复合材料作为一种优质的材料，已经被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等领域。
然而，复合材料的制造技术相对较为复杂，如何实现复合材料的智能制造成为了当下的研究热点。
一、复合材料技术原理复合材料是指由两种或两种以上不同的材料组合而成的材料，具有较高的比强度、刚度和低的密度等优点。
复合材料通常由纤维增强材料和基体材料组成。
其中，纤维增强材料通常采用玻璃纤维、碳纤维等，基体材料则可选择复合树脂、金属等材料。
复合材料制造的工艺流程主要包括模具制作、材料贴合、热压固化等环节。
在模具制作环节中，需要根据产品需求制作出对应的模具。
在材料贴合环节中，需要将纤维增强材料和基体材料粘合起来，通过人工或机器进行基体材料的加工处理。
在热压固化阶段，需要进行高温高压处理，使得纤维和基体材料充分交错，形成具有一定强度和刚度的复合材料。
二、复合材料智能制造技术复合材料的智能制造技术是指采用新型的材料、工艺和设备，通过数字化、网络化的手段实现智能化制造。
其中，数字化手段包括三维建模、虚拟样机、计算机辅助设计等；网络化手段包括互联网、云计算等；智能化设备包括机器人、自动化生产线等。
(a)数字化手段三维建模技术可以帮助产品设计师更直观、快速地了解产品的三维结构，从而减少产品设计调整的时间和成本。
虚拟样机技术可以在产品制造之前，通过计算机将产品的虚拟模型进行仿真，检验产品的设计合理性和制造可行性，从而减少制造过程中的浪费和失误。
(b)网络化手段云计算技术可以将复合材料的制造过程、质量控制等数据存储于云端，为生产管理提供更可靠、更安全的数据资源，并能实现数据的快速共享和访问。
互联网技术可以将复合材料制造过程中的信息及时传递给产品设计师、生产管理者等，从而做好生产中的各个环节的协调和管理。
(c)智能化设备在复合材料的制造过程中，机器人已经被广泛应用于材料的贴合、割裁等环节。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高性能纤维复合材料的制造技术研究
随着科技的不断进步，材料工程领域也日益发展。
高性能纤维复合材料作为材
料工程领域中的一项重要成果，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优良特性，在航空、汽车、船舶等众多行业得到广泛应用。
本文主要分析高性能纤维复合材料的制造技术研究和未来发展趋势。
一、高性能纤维复合材料简介
高性能纤维复合材料由纤维、基体和增强材料组成。
其中，纤维一般使用碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等高强度、高模量的纤维作为增强材料，基体可以是树脂、金属或陶瓷等，增强材料则是在基体中加入助剂改进性能的材料。
高性能纤维复合材料在制造工艺方面有热塑性和热固性两种方法，其中热固性
是主流方法。
由于高性能纤维复合材料具有明显的优点，因此在新能源、高速运输、航空、航天等领域得到广泛应用，并在高强度、高性能、高品质等要求较高的场合中表现出其极大的优势。
二、高性能纤维复合材料的制造技术研究
1.纤维基体复合成型技术
随着科技的发展，制造高性能纤维复合材料的技术越来越成熟，但是由于传统
制造工艺的局限性以及市场对新型材料的需求逐渐增加，纤维基体复合成型技术应运而生。
纤维基体复合成型技术是把干燥的纤维与涂有新材料的基体一起塑造，通过压缩和热处理将其固定在一起。
这种工艺方法可以大大减少生产过程中的劳动和时间，同时减少材料的浪费和成本。
2.提高纤维强度的手段
虽然纤维在高性能纤维复合材料中是作为增强材料的，但是纤维本身的强度对
于材料的整体强度也有着不可忽略的影响。
因此，提高纤维的强度一直是高性能纤
维复合材料制造技术的研究重点之一。
目前，研究人员已经通过改变纤维的结构和化学成分等手段，成功提高了纤维的强度和性能。
3.改进基体的性能
高性能纤维复合材料的基体可以是各种不同的材料，但是随着科技的发展，各
种材料的特性也在不断改进。
比如，在树脂基体中加入了一些纳米材料，可以增强基体的硬度和强度；在金属基体中加入杂质元素，既能提高硬度，又能减轻金属的重量，让增强材料发挥更大的优势；在陶瓷基体中加入各种助剂，能够显著提高其耐磨性和耐腐蚀性等。
三、高性能纤维复合材料的未来发展趋势
1.材料的集成化发展
未来，高性能纤维复合材料的制造将进一步实现集成，具有可持续性、轻量化、高强度、高性能等多种优异特性。
2.新型增强材料的出现
高性能纤维复合材料的发展将不断推动新型增强材料的研制和应用。
比如，目
前正在研究的纳米增强材料，将会给高性能纤维复合材料的强度和性能带来明显提升。
3.生产过程的自动化
未来高性能纤维复合材料的生产将会进一步自动化。
通过机器人和智能系统的
应用，提高生产效率，减少环境污染和固体废弃物的产生，同时还可以减少人工操作的风险性。
4.低碳环保
随着全球环保实践的不断深入，高性能纤维复合材料的生产将越来越注重低碳
环保问题。
未来，将会更多地使用可回收材料和绿色工艺来生产高性能纤维复合材料，同时减少对环境的影响，为实现可持续发展做出贡献。
综上所述，高性能纤维复合材料的制造技术研究是一个不断进步和完善的过程。
未来，随着科技的不断发展，高性能纤维复合材料的生产将会更加智能化、自动化和低碳化，同时可以带来更多的创新和商业机会。