材料應用是連續(xù)碳纖維熱塑性樹脂復合材料(CFRTP)現(xiàn)階段的重點研發(fā)對象，由于復合材料特性，可以通過鋪層方式的結構優(yōu)化設計，使得制作的產品能夠最大程度的發(fā)揮出其性能優(yōu)勢，本文這針對連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)在承受彎曲荷載情況下的結構優(yōu)化設計及其面外剪切模量對材料行為的影響相關內容解析。
隨著輕量化趨勢在航空、汽車、以及先進制造業(yè)的不斷推進，連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料(CFRTP)因具備高強度、高剛性、良好的耐腐蝕性及設計靈活性等優(yōu)點，成為了高性能結構材料的首選。然而，在復雜的彎曲載荷作用下，CFRTP的性能表現(xiàn)與結構設計、纖維鋪設方向及材料本身的面外剪切特性密切相關，這要求工程師在設計過程中進行精準的理論分析與優(yōu)化。
通俗的說，就是需要一個零部件在受力彎曲的狀態(tài)下，有非常好的性能，又能夠不容易斷開。這就需要通過不斷的計算和模擬，從而獲得最佳的擺放方式，讓材料在極限應用中，也更結實。找出了怎么調整碳纖維的布局，以及如何選擇合適的塑料材料，來減少這種扭曲，讓CFRTP制成的東西在彎曲時既強又穩(wěn)。
首先是CFRTP結構優(yōu)化，通過理論模型與數(shù)值模擬(如有限元分析)相結合的方法，分析了CFRTP層合板在彎曲荷載作用下的應力分布與變形模式。優(yōu)化纖維鋪設角度與層數(shù)對提高整體結構剛度和強度的重要性，以及如何通過合理設計纖維堆疊序列來抑制或分散局部應力集中現(xiàn)象。
CFRTP的一個機械特性是楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)的比值。這里面就是跟材料的低切向剪切有關系，并且在在進行E1/G13的比率還跟纖維形態(tài)以及加熱條件有關系。在有限元分析中采用懸臂長度L、寬度b和初始厚度t0被設置為100mm、10mm和10mm情況下。在邊界條件下，集中載荷P=100N作用于一個邊緣，另一個邊緣固定但可以在z方向上移動以進行自由形狀優(yōu)化過程。得出想要的結果，從而在產品設計階段，無論是做運動器材、汽車零件還是其他高科技產品，都能更好地利用這種材料的優(yōu)點，做出既輕便又耐用的好東西。這里可以看下圖：
再進行面外剪切模量的影響因素測試，面外剪切模量(G_shear)是衡量材料抵抗面外剪切變形能力的指標，對于理解CFRTP在彎曲條件下的行為至關重要。面外剪切變形會導致有效截面減小，進而影響材料的承載能力和穩(wěn)定性。通過理論推導和實驗驗證，了解面外剪切模量如何影響CFRTP的彎曲剛度和強度，特別是在多層復合結構中，各層間剪切應力的傳遞效率直接關聯(lián)到整體結構的性能。這里可以看下圖跟鋼材鋁的對比，其中CTT和CTM均是連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料，表現(xiàn)出了不俗的性能優(yōu)勢。這里研究的意義在于，產品在需要彎曲變形狀態(tài)下依然有非常好性能，相較于鋼材，CFRTP材料就可以更好的實現(xiàn)想要的效果，有能夠更好的完成產品制作。
另外在特殊的領域中，還需要考慮到不同溫度下的性能表現(xiàn)，那隨著溫度升高，CFRTP的楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)都會降低，但G13的降低速度更快，因此在高溫情況下，CFRTP產品具備更好的安全系數(shù)。
這樣的數(shù)據(jù)能夠更好的為CFRTP材料零部件帶來合適的優(yōu)化策略和應用，再通過調整纖維排列和層合結構，以最小化面外剪切變形對彎曲性能的負面影響，從而實現(xiàn)CFRTP結構的輕量化與性能最大化，尤其是在那些需要承受復雜載荷工況的高性能結構件中，如航空航天領域，這也是現(xiàn)階段跟智上新材料進行深度對接的客戶領域。
東臺智上新材料作為率先完成連續(xù)碳纖維熱塑性復合材料(UD)單向帶量產的廠家，也在不斷的深究CFRTP材料未來的研究方向，不斷探索CFRTP材料體系，來推動CFRTP材料在各領域中的創(chuàng)新應用。
部分數(shù)據(jù)參考：www.researchgate.net
