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先进炭纤维增强树脂基复合材料发展趋势
发布时间: 2021/12/25
先进炭纤维增强树脂基复合材料发展趋势
  炭纤维增强树脂基复合材料自20世纪60年代中期问世之初,主要用于航空航天领域,所占份额高达70%~80%。近年来迅速扩展到航空航天、体育休闲用品和工业应用等三大领域。目前航空航天等军用领域只占20%~25%的应用份额,体育休闲用品大约占有30%的份额,其他工业应用领域大约占有50%的份额。炭纤维增强树脂基复合材料技术是典型的军民两用技术,高技术向民用转移已是世界普遍的潮流,各种工业领域应用的迅速发展正体现了其多元化发展的趋势和特点。21世纪复合材料技术将有较新、较大的发展,目前的发展趋势和特点主要包括低成本化、设计验证的规范化及复合材料结构安全与可靠性评价。
  1、炭纤维增强树脂基复合材料低成本化
  炭纤维增强树脂基复合材料的成本较高,特别是制造成本较高,是其进一步发展应用的主要障碍,该问题引起了世界各国的普遍重视,以美国为首的西方发达国家纷纷制订了低成本的复合材料发展研究计划并取得了明显效果。复合材料技术发展的低成本化乃是当今世界复合材料技术发展的核心问题。目前,主要采取了低成本设计、低成本材料和低成本制造技术以降低其成本。
  1.1、低成本设计技术
  发展以DFM(design for manufacture)为核心的设计制造一体化技术,其实质是随计算机和制造技术的进步,采用全新的设计理念和手段,发展数字化、自动化的设计技术,将设计和制造进一步融为一体,从而加快产品研发进度,提高质量并降低成本。大量设计软件的开发和集成加上自动化的制造技术在设计阶段就考虑制造与装配问题,减少样件和协调,易于模具生产,降低成本,使复合材料的应用更具有竞争性。
  1.2、低成本制造技术
  制造成本占复合材料制件总成本的60%-70%,因此发展低成本制造技术是降低成本的核心,目前发展的主要低成本制造技术有自动化制造技术、大面积整体成型技术、RTM技术和罐外成型技术。
  1.3、低成本材料技术
  该项技术主要包括大丝束炭纤维的应用、低温快速固化树脂体系的开发、低成本预浸料技术、各种RTM用树脂体系的配套研发、热塑性复合材料的合理使用以及混杂复合材料的合理应用等诸多项技术。
  炭纤维增强树脂基复合材料的成本问题是一个复杂的、综合的技术问题,目前已形成复合材料发展研究的核心技术领域。在低成本复合材料技术中设计是先导、材料是基础、制造是关键。
  2、炭纤维增强树脂基复合材料设计验证规范化
  炭纤维增强树脂基复合材料积累了许多经验和数据,在设计、分析、试验验证和鉴定验收等方面逐渐走向了规范化、文件化和成熟化,这是当前复合材料技术发展的一个重要趋势。该趋势的重要表现之一是有组织地统一制订相应规范,其目的是将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化,使试验和分析更好地结合起来,形成设计和鉴定的统一指南,编制全行业的技术标准,改进最终产品的一致性,减少风险,降低成本。典型的有MIL-HDBK一17的重新修订,由FAA、NASA、军方和工业界共同组织200多位专家重新修订出版,其新3卷本于1 999年完成。国内在该方面的技术建设中,曾于1990年年底由原中国航空航天工业部科学技术研究院组织出版了《复合材料设计手册》,20多年来在国内各方面获得了广泛的应用,起到了一定的规范和统一作用。此后由于管理和统筹的弱化,鲜有类似的规划和行动,远落后于国外。
  3、炭纤维增强树脂基复合材料结构安全与可靠性评价
  复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相当复杂,其缺陷和损伤在结构中的发展、蔓延、传播最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,如何建立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。欧空局和NASA在此方面开展了长期系统性的研究工作,各自建立了设计/分析/评价的软件平台,而且还在不断更新扩展。如何获取结构服役的状态信息也是相当困难和有意义的工作,为此B787研制中实施了传感器计划,及时监测结构健康状态。
 
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