碳纖維增強復(fù)合材料及應(yīng)用研究
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摘要：鋪層碳纖維增強復(fù)合材料（以下簡稱碳纖維復(fù)合材料）以其質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)異、抗疲勞及減震性能好等諸多特性，成為實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化、提升產(chǎn)品性能的理想材料。本文針對碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計，通過有限元仿真分析及試驗驗證，對材料力學(xué)性能進行研究，進而實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在產(chǎn)品中的應(yīng)用，以實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化及提高力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；鋪層；產(chǎn)品；輕量化
目前，生產(chǎn)和銷售的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼（復(fù)合材料，主要成分是樹脂和玻璃纖維）箱體，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.4W/（nk），密度為2.3g/cm，且具備較高的拉伸強度，是一種綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料。隨著材料技術(shù)的不斷更新發(fā)展，市場對于輕量化需求日益突出，然而，在現(xiàn)有玻璃鋼材料基礎(chǔ)上，其結(jié)構(gòu)形式已無法實現(xiàn)更高的減重目標(biāo)。碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、比強度高、比剛度大、抗疲勞好、減震性好等特點，本文將對不同鋪層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料進行分析，結(jié)合產(chǎn)品進行輕量化設(shè)計應(yīng)用研究。
1碳纖維增強復(fù)合材料
碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）通常以碳纖維為增強體，熱固性樹脂（以環(huán)氧樹脂居多）為基體制備的復(fù)合材料，纖維承擔(dān)了大部分負載，并且是材料性能的主要貢獻者。而樹脂有助于在纖維之間轉(zhuǎn)移載荷，防止纖維彎曲，并將材料黏合在一起。碳纖維增強板具有顯著的高比強度和高比模量，使其成為航空航天、汽車工業(yè)等輕量化、高性能應(yīng)用的首選。碳纖維性能優(yōu)異，與金屬材料相比，在力學(xué)性能上有著明顯優(yōu)勢，如表1所示。碳纖維材料一般不單獨使用，通常用于復(fù)合材料的增強體，并起到承載負荷的作用，而基體材料主要用于傳遞應(yīng)力。碳纖維通過與不同的基體材料復(fù)合，可以形成不同種類的復(fù)合材料，其中CFRP、C/C復(fù)合材料、CFRM、CFRC和CFRR是最常見的幾種復(fù)合材料，應(yīng)用最廣泛的是碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。
2碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計
碳纖維復(fù)合材料是將各向異性的碳纖維層與基體材料按照一定的順序和角度疊在一起，然后，通過一定的工藝使各鋪層緊密貼合在一起。各纖維層的鋪設(shè)角度、鋪層順序可任意設(shè)定，其力學(xué)性能與材料的鋪層方式有著密切的聯(lián)系。2.1鋪層原理（1）本研究采用環(huán)氧樹脂為基體進行碳纖維鋪層，鋪層原理如下所述：通常的標(biāo)準(zhǔn)鋪層角度為0°、±45°、90°；（2）采用足夠多的鋪層，并使其纖維軸線與內(nèi)力拉壓方向一致時，可以最大強度利用復(fù)合材料的高強度特性；（3）避免相同纖維取向的鋪層疊置；（4）對于較厚的層合板，相鄰鋪層纖維角度比一般不超過6°；（5）鋪層中以0°、±45°、90°的四種鋪層角度，每種占比應(yīng)不少于10%，以避免任何方向的基體直接受載；（6）載荷0°方向時，避免采用90°的層組，應(yīng)該用0°或±45°的層將其隔開，以減小層間的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力。
2.2鋪層方案與角度設(shè)置
機箱在運輸、工作時，做上下、左右往復(fù)震動，在此過程中，理想的機箱應(yīng)該在橫向和縱向均不出現(xiàn)扭曲變形。因此，0°方向的鋪設(shè)角度是必須的。為了提高機箱的抗沖擊性能，鋪層需要增加±45°的鋪設(shè)角度，此外，為了有利于層間剪切應(yīng)力的傳遞，可以增加90°的鋪設(shè)角度。為了得到最優(yōu)鋪層方案，保證碳纖維復(fù)合材料滿足剛度需求，在初始設(shè)計過程中，根據(jù)鋪層原理，選用環(huán)氧樹脂為基體，選用厚度為0.3mm的碳纖維板層，按照（0°、45°、90°、-45°、0°）的鋪層角度進行復(fù)合層板的設(shè)計，本文以下所述碳纖維樣片、碳纖維產(chǎn)品材料，均采用該鋪層方案進行設(shè)計和加工。
3有限元分析及實驗驗證
3.1有限元分析
對設(shè)定的鋪層方案進行理論分析，以減小設(shè)計的盲目性，據(jù)此指導(dǎo)碳纖維機箱加工廠家選擇合適的工藝進行加工，本文利用有限元分析技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進行分析計算。文中分析基于Ansys，采用（0°、45°、90°、-45°、0°）鋪層角度、0.3mm的纖維層鋪設(shè)建立1.5mm厚的碳纖維復(fù)合材料模型。研究1MPa壓力下其應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。
3.2試驗驗證
制作厚度為1.5mm的碳纖維增強復(fù)合材料（環(huán)氧樹脂）板材，并按照GB/T1447-2005對樣件進行力學(xué)性能試驗驗證，樣片選用和測試標(biāo)準(zhǔn)（角標(biāo)）。經(jīng)試驗測試（試驗設(shè)備為250kN材料試驗機：INSTR0N5985），該板材的彈性模量為54.1Gpa，泊松比（反映材料橫向變形的彈性常數(shù)）為0.067。較大的彈性模量和非常小的泊松比，說明該樣片具有優(yōu)異的力學(xué)性能。
4產(chǎn)品應(yīng)用及輕量化分析
4.1產(chǎn)品應(yīng)用
碳纖維材料在產(chǎn)品中的應(yīng)用，以在機箱中的應(yīng)用情況進行分析研究。機箱主要用于外場，由箱體、箱蓋、其他配件等組成，原產(chǎn)品主要采用玻璃鋼材料制作厚度2.7mm，產(chǎn)品外形尺寸500×400×300。
4.2輕量化分析
根據(jù)產(chǎn)品的外場使用要求，產(chǎn)品要輕質(zhì)，抗沖擊能力強。玻璃纖維密度為2.3g/cm，碳纖維密度為1.7g/cm，產(chǎn)品制作材料由玻璃纖維復(fù)合材料改為碳纖維復(fù)合材料，厚度由2.7mm減為1.5mm，計算重量如表2所示。由表2可以看出，玻璃纖維復(fù)合材料產(chǎn)品重量為17.65kg，碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品重量為11.29kg，減重比達到36%。而碳纖維板相較于玻璃纖維板，其性能如表1所示，抗拉強度及拉伸模量都有較大提升。
5碳纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用
結(jié)合產(chǎn)品特點及要求，通過碳纖維類型、纖維含量、纖維鋪層等設(shè)計改變材料結(jié)構(gòu)并獲得理想性能。碳纖維復(fù)合材料具有層間強度低，各項異性、硬度高、脆性大等特點，在切削時易出現(xiàn)層間分離、劈裂現(xiàn)象，尺寸要求和表面質(zhì)量不易保證。因此，碳纖維產(chǎn)品在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮材料的特點，主要包括：（1）零件受力方向盡量與碳纖維縱向一致，避免層間受力；（2）避免出現(xiàn)倒角、臺階孔等導(dǎo)致纖維層斷裂的結(jié)構(gòu)；（3）盡量一次成型，避免二次加工；（4）導(dǎo)熱通路可壓接金屬件，提高散熱能力；（5）螺紋采用預(yù)埋件；（6）需要導(dǎo)電的表面可采用鍍銅、鍍銀、鍍鎳形成導(dǎo)電薄膜層；（7）強度仿真時，要考慮材料的各向異性。
6結(jié)語
碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品，在滿足強度及剛度要求的前提下，與同類型的玻璃鋼產(chǎn)品相比，減重超過30%，輕量化成效顯著，力學(xué)性能優(yōu)異，產(chǎn)品交付使用后，市場反饋良好，具有極廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于受制于高昂的材料費和加工費（約為玻璃鋼材料的4～5），且全面系統(tǒng)的驗證及數(shù)據(jù)收集方法尚在探索階段，同時，產(chǎn)品由基體選用、鋪層方案設(shè)定所引起的碳纖維復(fù)合材料，性能差異和應(yīng)用研究還十分匱乏，因此，碳纖維復(fù)合材料在產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用仍有較長的路要走。
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作者：韓艷霞 單位：凱邁（洛陽）測控有限公司