人會疲勞，有壽命。機械、材料也是一樣，也有相對應(yīng)的壽命，到了一定情況下，就會失去其本身的性能，叫結(jié)構(gòu)疲勞。在航空航天部件中就特別關(guān)注材料的結(jié)構(gòu)疲勞，實際應(yīng)用中，就要考慮到材料的損傷容限，更好的保證安全�，F(xiàn)如今的備受歡迎的熱塑性碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用到航空航天中，其中一個重要的原因就是該材料的損傷容限特別高。本文我們就從損傷容限知識點到熱塑性碳纖維應(yīng)用的優(yōu)勢來給大家說說。
什么是損傷容限
講解損傷容限，先來了解結(jié)構(gòu)疲勞。
結(jié)構(gòu)疲勞指的是材料在受到應(yīng)力或者應(yīng)變的作用下，性能發(fā)生變化。當(dāng)我們機械結(jié)構(gòu)在受到靜力載荷，當(dāng)載荷較大時，結(jié)構(gòu)一般會發(fā)生明顯變形(如頸縮現(xiàn)象)，我們能從變形量感知到結(jié)構(gòu)即將破壞，從而可以避免繼續(xù)加載使得結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂;與靜載荷相比，機械結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下沒有顯著的變形預(yù)警，在累積到某個循環(huán)時極有可能突然發(fā)生斷裂。
通俗的理解，就是一根鐵絲，你開始掰彎是不會斷裂，但是你反復(fù)掰來掰去，它就會斷的，這就是結(jié)構(gòu)疲勞的原因。
那每個材料都有一定的使用壽命，沒有哪個材料完全沒有結(jié)構(gòu)疲勞，那在應(yīng)用到高性能需求的地方，就不能用嗎?還是要應(yīng)用，這里面就引出材料的損傷容限。
比如航空航天中常見的飛船、飛機，它們在設(shè)計的時候，就要考慮到性能、安全、成本三方面，從而取得平衡。損傷容限的能力就確保了飛機在應(yīng)用中的能夠有更好的安全保證。從開始的“安全壽命”到“破損安全”再到現(xiàn)如今的“損傷容限”，這里面有血的教訓(xùn)，從而才有了現(xiàn)如今關(guān)于這類機械零部件新的的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則，需要結(jié)合飛機實際負載跟設(shè)計負載相結(jié)合來確保飛行的安全。
所以在飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計規(guī)范要求中規(guī)定“設(shè)計使用壽命和設(shè)計使用方法下,機體結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的損傷容限能力,即在存在材料、制造及工藝缺陷以及在正常使用和維護中引起的損傷的情況下,直到損傷在定期的計劃檢查時被查出,機體的飛行安全結(jié)構(gòu)和其他的選定結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剩余強度。”這里面主要就是包括：初始缺陷尺寸、剩余強度要求以及損傷擴展限制。這里面知識點比較多，這里就不展開來說，我們只是作為了解。
熱塑性碳纖維的損傷容限
空客、波音飛機上面大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，部分機型的碳纖維復(fù)合材料占比更是高達50%以上。但更多的是應(yīng)用到內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)件，采用的是傳統(tǒng)熱固性碳纖維，起到輕量化的效果，在發(fā)動機等重要結(jié)構(gòu)件上沒有廣泛的應(yīng)用，這其實就是跟傳統(tǒng)熱固性碳纖維材料損傷容限有關(guān)。伴隨著熱塑性碳纖維研究取得的成功下，就在把熱塑性碳纖維制作動力結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用，從而獲得更好的損傷容限，降低自重的情況下，又有更好的安全保障。
熱塑性碳纖維之所以有非常好的損傷容限，就是跟其樹脂基體有很大的關(guān)系，相比較傳統(tǒng)的熱固性樹脂來說，熱塑性樹脂的分子結(jié)構(gòu)都是線性結(jié)構(gòu)，都是由聚合樹脂和部分分縮合樹脂，具有受熱軟化、冷卻硬化、高比強度和硬度、優(yōu)異的斷裂韌性和損傷容限、優(yōu)良的耐疲勞性能、能夠模塑成型復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)、可調(diào)的導(dǎo)熱性、可回收性、在惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性好、可重復(fù)成型、可焊接和修補等特點。
熱塑性樹脂也能夠具有這樣的優(yōu)勢，加入連續(xù)碳纖維增強的復(fù)合材料之后的性能進一步提高，在應(yīng)用到航空航天中就更加的得心應(yīng)手。
這樣損傷容限高的熱塑性碳纖維在汽車、船舶領(lǐng)域中也非常受歡迎，在海洋設(shè)備、賽車上面都有了應(yīng)用，具備更好的損傷容限之外，還具有非常好的環(huán)境適應(yīng)性，耐濕熱老化、耐酸堿腐蝕、耐鹽霧、防霉菌等優(yōu)勢體現(xiàn)。
國內(nèi)熱塑性碳纖維廠家
熱塑性碳纖維尤其是連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料是國外技術(shù)壁壘，我國也一直研究，從現(xiàn)階段的市場看，國內(nèi)已經(jīng)有成功完成了該材料研發(fā)到量產(chǎn)廠家，打破國外技術(shù)壁壘，實現(xiàn)高性能碳纖維國產(chǎn)化道路成功邁出。智上新材就是其中一家成功完成了連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的公司，現(xiàn)有的熱塑性碳纖維單向帶量產(chǎn)的有尼龍(PA6)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)這幾種，可以根據(jù)客戶需要進行不同尺寸、不同含量定制。其所含熱塑性樹脂的量可控且精確，樹脂能充分穿透碳纖維絲束且均勻分布。預(yù)浸帶下機幅寬在300mm-600mm，可根據(jù)需要分切成各種寬度以便制成多種類的碳纖維熱塑性零部件。就有跟多家飛機廠家對接，進行產(chǎn)品應(yīng)用。
“損傷容限”就是描述結(jié)構(gòu)帶損傷繼續(xù)工作的能力就好比人帶病還能活下去的能力，那熱塑性碳纖維就具備這樣的性能，能夠被應(yīng)用到更多高性能領(lǐng)域中的重要原因。
