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通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料

2018-09-25 11:35:06 作者：本網整理來源：復材網分享至：

Inside Composites與ZSK USA Inc.的技術刺繡經理Topher Anderson博士討論了通過定制纖維鋪放（TFP）優化碳纖維復合材料的機會。

碳纖維復合材料制造商在努力降低成本和優化流程方面面臨的主要問題是什么？

Topher Anderson：雖然碳纖維的價格近年來迅速下降，但它仍然是一種昂貴且備受追捧的材料。對于下一代節省燃料的運輸，越來越多地尋求諸如高強度重量比的碳纖維復合材料特性。減少車輛，飛機或航天器的重量會在其預期壽命期間顯著影響其燃料效率。碳纖維越來越多地被研究作為一些鋁結構的替代品，特別是由于它的重量減輕。然而，碳纖維復合材料的高前期材料成本可以阻止潛在的用戶適應。

此外，傳統碳纖維復合材料的制造需要比鋁更多的加工參與。

在諸如樹脂傳遞模塑（RTM）的工藝中，例如，編織的碳纖維織物在CAD中進行描繪，按比例切割，用基質材料潤濕并使其固化成形。然而，這些過程通常更加勞動密集，并且缺乏諸如金屬銑削或金屬板彎曲之類的競爭過程中所見的自動化。

您已經確定了TFP可以產生影響的一些特定領域，包括減少浪費。這有多少問題？

TA：許多傳統碳纖維復合材料構造技術的主要材料成本之一是產生大量廢料。在許多使用碳纖維編織材料的手糊工藝中，廢料可以容易地占所用碳總重量的50％或更多。在用基質材料浸漬之前，當織物最初被切割時產生這種廢物。在復合材料已經固化之后和在后處理步驟期間產生額外的廢物，其中形狀被進一步精制。

TFP的獨特之處在于它能夠減少廢料，從而優化材料成本。通過在將絲束材料縫合成所需幾何形狀時控制絲束材料的路徑，材料僅放置在最終預制件中所需的位置。在傳統的層壓板設計中必須切割的織物區域簡單地保持不被縫合。由于能夠符合復雜的幾何形狀，該過程減少了在切割機織織物時形成的初始廢物以及后處理廢物。

通過TFP途徑創造混合碳纖維和玻璃纖維復合材料有哪些優勢？

TA：傳統層壓工藝的另一個缺點是不能快速地改變材料的體積，從它們的組合優勢中受益。TFP是一種快速有效地創建這些多材料復合材料的方法。

例如，當對零件進行結構分析時，可能會發現該零件僅需要局部剛度區域。在這種情況下，具有高剛度的碳纖維可以精確地放置在需要這種性能的部件的區域和幾何形狀中。用高剛性碳纖維填充整個部件是低效的，特別是當在某些位置不需要這種剛度時。因此，為了進一步降低成本，碳纖維硬化幾何形狀周圍的區域可以用較低成本的材料填充，例如玻璃纖維，甚至大麻。TFP允許無縫地進行這些材料轉換。

設計優化怎么樣？

TA：使用TFP的最大好處之一是能夠精確控制每根碳纖維絲束放置在設計中的位置。這使設計人員能夠進一步優化性能，減少對額外材料的需求。

例如，可以繡制復雜的碳纖維牽引路徑以完全抵抗所施加的負載。通過使纖維與其主應力對齊，提供額外的機械支撐而不使用額外的材料。通過選擇性地加固孔和圓形鉆尖可以進一步優化。在傳統的層壓設計中，由于所用機織織物的正交性質，這些孔可用作裂縫傳播區域。TFP可用于選擇性地加強這些具有曲線圖案的孔，從而減少有效的初始裂紋擴展位置。這可以允許在孔的位置處具有更薄的材料，甚至可以去除金屬加強墊圈。

還有機會在本地調整厚度。有什么好處？

TA：在傳統的層壓板設計中，碳纖維復合材料被認為具有均勻的厚度。但是，TFP沒有這樣的高度限制。結合精心設計的模塑和夾具，碳纖維預制件可以在高度復雜和多變的幾何形狀中產生局部厚度。

可以使用TFP創建局部高度區域，以更好地抵抗特定位置的彎曲。與其他復合工藝相比，這種優化允許減少材料使用以實現相同的（如果不是改進的）塊狀材料特性。

循環時間如何 - 傳統復合層壓板制造的缺點之一可能是適當固化熱固性樹脂所需的長循環時間？

TA：混合纖維 - 碳纖維絲束具有直接添加到其纖維結構中的額外熱塑性基質材料 - 已經被創建以減少加工時間。

這些混合材料可以與其他TFP復合材料相同的方式縫合。然而，這些預成型件也可以在加熱的壓機中快速熱循環，以快速縮短循環處理時間。使用樹脂傳遞模塑的傳統熱固性復合材料可能需要30分鐘至40小時才能適當地固化和固化單件。