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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 汽車復合材料的特點 [打印本頁]

作者: 行業(yè)磚家 時間: 2010-9-15 20:19
標題: 汽車復合材料的特點
1、汽車復合材料具有可設計性
汽車復合材料設計的第一步是選擇增強相和基體相等基本組分，即確定增強相和基體相的種類(即選擇“復合體系”)，并根據(jù)復合體系初步確定增強相在汽車復合材料中的體積分數(shù)(即各組分材料之間的體積比例)。
通常，對汽車復合材料構(gòu)件性能的一般要求和特殊要求是選擇增強相的重要依據(jù)。一般要求包括：密度、強度、模量、化學穩(wěn)定性、尺寸和形狀、生產(chǎn)加工性、成本、經(jīng)濟性、性能再現(xiàn)性和一致性、對損傷和磨損的抵抗與耐受能力，以及與基體相的粘接性等。特殊要求包括：導熱性、熱膨脹系數(shù)、抗老化性、抗氧化性和再結(jié)晶性等。
作為設計依據(jù)的原始數(shù)據(jù)，對基體相選擇的一般要求包括：對增強相的包容性和充填變形性，以及基體本身的固結(jié)性、斷裂韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性和強度等；特殊要求包括：高溫抗氧化性和抗蠕變能力、粘接性和二次加工性等。
一般，可根據(jù)汽車復合材料中各組分的職能和所需承擔的載荷及載荷分布情況，以及具體使用條件對汽車復合材料提出的各種性能要求，來確定復合材料體系。在此基礎上，再從幾種汽車復合材料體系的侯選方案中，進行定性和定量比較篩選。
眾所周知，材料性能的可設計性實際上是通過改變材料的組分、結(jié)構(gòu)、工藝方法和工藝參數(shù)等來實現(xiàn)的。顯然，汽車復合材料中包含有許多影響最終性能的、可人為調(diào)節(jié)的因素。從理論上講，它可以達到的性能范圍幾乎是無限的。汽車復合材料的力學、機械性能以及熱、聲、光、電、防腐和抗老化等物理、化學性能都可以按構(gòu)件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇和匹配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度地達到預期的使用性能目標。因此，我們可以認為，汽車復合材料具有可設計性，而且還有極大的自由度，能夠方便地實現(xiàn)汽車工業(yè)中真正意義上的、具有最佳性價比的汽車構(gòu)件的開發(fā)和制造。
2、汽車復合材料的材料與構(gòu)件制造具有同一性
汽車復合材料的組分增強相和基體相以及相對體積分數(shù)一經(jīng)確定，就可以按照構(gòu)件的性能要求對它們進行選擇排列和匹配等設計。待設計確定后，再經(jīng)復合加工就可以得到所希望的汽車復合材料構(gòu)件。由此不難發(fā)現(xiàn)，制造汽車復合材料與制造汽車復合材料構(gòu)件是同步的。其特點是，對材料的設計要使其能夠滿足構(gòu)件的性能要求。隨著符合性能要求的構(gòu)件被復合成功，汽車復合材料也隨之被確定下來。相比之下，采用傳統(tǒng)的常規(guī)材料制造的汽車構(gòu)件，其成型過程通常是對現(xiàn)成材料的再加工。其過程包括：首先選用以板、塊、棒、管和型材等形式提供的材料，然后再對這些材料進行諸如鋸、銑、車和刨等機械切削加工，并采用螺接、鉚接、焊接和粘接等連接方式，最終制成所需的構(gòu)件。顯然，對汽車復合材料的加工與傳統(tǒng)的常規(guī)材料的加工方法有著明顯的不同，它是通過采用某種設汁方法，將增強相摻入到基體相中，從而在形成復合材料的同時，也形成了復合材料的構(gòu)件。因此可以認為，汽車復合材料的材料與構(gòu)件制造具有同一性。
3、汽車復合材料有可能實現(xiàn)整體的綜合優(yōu)化設計
由于具有可設計性，以及材料與構(gòu)件制造的同一性，因此使得汽車復合材料有可能實現(xiàn)整體的綜合優(yōu)化設計。整體的綜合優(yōu)化設計是指產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的整體化以及對材料設計、結(jié)構(gòu)設計和制造工藝設計的綜合優(yōu)化。眾所周知，傳統(tǒng)材料的汽車構(gòu)件，其成型通常是對現(xiàn)成材料的再加工。在加工的過程中，材料不會發(fā)生組分和化學變化。受加工工藝和條件的限制，一般很難一步完成對構(gòu)件整體的加工，而往往是先分割成小件加工，再通過焊接或其他連接手段而最終組合成一個完整的構(gòu)件，不僅制造工序復雜，而且生產(chǎn)效率低下，加工成本高。與之所不同的是，汽車復合材料的材料和結(jié)構(gòu)可同時成型制得，并且作為汽車復合材料增強相的玻璃纖維和玻璃纖維織物是柔軟的，其基體相樹脂在成型過程中則是易于流動的，因此汽車復合材料很容易實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)件的整體化設計以及對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝的綜合優(yōu)化。而整體化設計以及對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝的綜合優(yōu)化又往往會帶來如下優(yōu)勢：構(gòu)件的整體性能好且造型容易，可大幅度減少零部件和連接件的數(shù)量，從而簡化工序、縮短加工周期、提高生產(chǎn)效率并降低成本?？梢钥隙ǖ氖?，如果能夠充分發(fā)揮汽車復合材料的這一優(yōu)點，將從根本上改變傳統(tǒng)汽車工業(yè)的生產(chǎn)模式，并帶來巨大的經(jīng)濟效益。
4、汽車復合材料的性能對復合工藝具有依賴性
由于在汽車復合材料結(jié)構(gòu)件的成型過程中，其組分材料會發(fā)生物理和化學變化。而不同的成型工藝所用原材料的種類、增強材料的形式、纖維體積含量和鋪設方案也不盡相同，因此決定了構(gòu)件的性能對復合工藝方法、工藝參數(shù)和工藝過程等具有很大的依賴性。由此可見，科學地選擇合理的復合材料制造工藝對滿足汽車復合材料部件的性能要求至關重要。通常，合理的結(jié)構(gòu)設計應該充分考慮到制造工藝的可能性，而制造工藝設計則應最大限度地保證實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設計。但在現(xiàn)階段，受認識和技術等因素的限制，在汽車復合材料的成型過程中，還很難對其工藝參數(shù)進行準確控制。因此一般來說，汽車復合材料構(gòu)件的性能分散性是比較大的，這一點應務必引起重視。
5、汽車復合材料具有各向異性和非均質(zhì)性的力學性能特點
從力學分析的角度看，汽車復合材料與傳統(tǒng)材料（如金屬材料）的顯著區(qū)別是，后者是均質(zhì)的和各向同性的，而前者是非均質(zhì)的和各向異性的。所謂“均質(zhì)”，就是物體內(nèi)各點的性能相同，也就是說，物體的性能不是物體內(nèi)位置的函數(shù)。而“非均質(zhì)”正好與此相反。所謂“各向同性”就是在物體內(nèi)一點的各個方向上都具有相同的性能，而“各向異性”則表明某點的性能是該點方向的函數(shù)。
傳統(tǒng)的汽車材料都是各向同性的勻質(zhì)材料，這使得設計人員養(yǎng)成了一個習慣，即在進行結(jié)構(gòu)設計時，往往只需考慮構(gòu)件中應力最大的部位，因為只有這里才是構(gòu)件的最薄弱環(huán)節(jié)。而汽車復合材料具有強烈的各向異性和非均質(zhì)性的特點，因而在外力作用下，其變形特征不同于一般的各向同性材料。通常，一種外力常?？梢砸鸲喾N基本變形，而一個較小的應力，如果正好作用在材料性能薄弱的方向上，同樣有可能引起對構(gòu)件的破壞。所以，在進行汽車復合材料的結(jié)構(gòu)設計時，要注意它的復雜性和特異性。除了要考慮結(jié)構(gòu)物中的最大應力外，還要注意因材料強烈的各向異性特點而反映出來的薄弱環(huán)節(jié)，例如，剪切性能和橫向性能遠弱于纖維方向性能等。
6、汽車復合材料的疊加效應
對汽車復合材料的設計，首先是要選擇合適的單元組分材料，即挑選那些在組合成汽車復合材料結(jié)構(gòu)后，有希望達到預期性能指標的增強相和基體相組分。而要實現(xiàn)希望的性能指標，主要應依靠增強相與基體相在復合后性能的疊加或互補，使汽車復合材料獲得一種新的、獨特而又優(yōu)于各單元組分的簡單混合物的性能，這就是汽車復合材料的疊加效應。疊加效應是汽車復合材料的一種主要復合效應，目的是通過材料組分性能的揚長避短和性能互補，保持增強相和基體相的協(xié)調(diào)一致，使之成為能夠在指定的工作環(huán)境范圍中有效承擔預期載荷和發(fā)揮預期效能的有機整體，最終達到預期的復合效果。

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