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富于竞争力的FRP“三明治”夹芯材料

2012-07-16 17:06
孤身万里游
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  夹芯复合材料作为更轻、更强、更有竞争力的产品,在国外已经广泛应用在风力发电、航空航天、交通运输、船艇制造、建筑和其他工业领域。二次世界大战期间,盟军的蚊式战斗机的机身上已经使用了轻木夹芯结构。半个世纪以来,从产业角度而言,欧美、澳洲等国家在风电力发电叶片、夹芯玻璃钢船艇的设计、生产技术上的发展和应用比较早。逐年来不断地应用实践,夹芯复合结构的力学理论得到完善,力学界对复合材料结构的破坏损伤模式的研究也逐渐发展完善,对轻质夹芯材料的采用,将从必然走向自由。

  复合材料与金属均一材料相比具有自身的特殊性,复合材料作为“材料”的同时本身又是一种“结构”。近来年,我国风力发电、航空航天工业的发展,为夹芯复合材料的材料研发、结构设计、工艺开发提供了很好的契机。夹芯复合材料理念为“高强度刚度、低重量”要求严格的产业提供了全新的材料、结构、工艺的解决方案;使复合材料从传统单层实心玻璃钢向夹芯玻璃钢的转换,实现了产品升级,提高了市场竞争力。可以认为,夹芯复合材料作为朝阳产业,在我国拥有巨大的市场容量和发展空间。

  夹芯复合材料也被形象称为“三明治材料”或“三明治结构”,这种材料和结构由上下两层抗拉抗压性能优异的表层材料(层合木板、金属、玻璃钢、碳纤维或芳纶纤维增强树脂基体塑料)、轻质高强并抗剪切的夹芯材料和胶黏剂构成。常见的夹芯材料有蜂窝板、巴尔沙轻木和各种高分子的泡沫等。“三明治”夹芯为结构设计提供了高刚度、高强度、低重量的优异组合,从而实现了产品卓越的强重化。以船艇和高速列车车体为例,在不折损结构刚度强度的同时,重量的减轻带来了动力产品加速提速性能、操纵性能、运能运力的提升,而运能的提升又达到了节能环保的效果。

  采用“三明治”夹芯复合材料生产产品,夹芯材料的选择上应当首先注意材料在力学、极限温度等方面的性能特点,选择合适的材质,进而配合表层材料和黏结剂树脂基体的选择,包括纤维种类、克重、层数、夹芯材料密度、厚度。对整个铺层结构作出铺层设计。

  结构设计的方法有几种,船艇的夹芯材设计规范,我国主要使用国外船级社的规范指导。另外,使用公式计算软件做典型铺层设计以实用及Ansys、Femap等有限元计算软件做整体结构分析计算的方法。

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