带你来了解CFRTP材料抗变形与结构优化

　　材料应用是连续碳纤维热塑性树脂复合材料(CFRTP)现阶段的重点研发对象，由于复合材料特性，可以通过铺层方式的结构优化设计，使得制作的产品能够最大程度的发挥出其性能优势，本文这针对连续碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)在承受弯曲荷载情况下的结构优化设计及其面外剪切模量对材料行为的影响相关内容解析。

　　随着轻量化趋势在航空、汽车、以及先进制造业的不断推进，连续碳纤维热塑性复合材料(CFRTP)因具备高强度、高刚性、良好的耐腐蚀性及设计灵活性等优点，成为了高性能结构材料的首选。然而，在复杂的弯曲载荷作用下，CFRTP的性能表现与结构设计、纤维铺设方向及材料本身的面外剪切特性密切相关，这要求工程师在设计过程中进行精准的理论分析与优化。

　　通俗的说，就是需要一个零部件在受力弯曲的状态下，有非常好的性能，又能够不容易断开。这就需要通过不断的计算和模拟，从而获得最佳的摆放方式，让材料在极限应用中，也更结实。找出了怎么调整碳纤维的布局，以及如何选择合适的塑料材料，来减少这种扭曲，让CFRTP制成的东西在弯曲时既强又稳。

　　首先是CFRTP结构优化，通过理论模型与数值模拟(如有限元分析)相结合的方法，分析了CFRTP层合板在弯曲荷载作用下的应力分布与变形模式。优化纤维铺设角度与层数对提高整体结构刚度和强度的重要性，以及如何通过合理设计纤维堆叠序列来抑制或分散局部应力集中现象。

　　CFRTP的一个机械特性是杨氏模量(E1)与切向剪切模量(G13)的比值。这里面就是跟材料的低切向剪切有关系，并且在在进行E1/G13的比率还跟纤维形态以及加热条件有关系。在有限元分析中采用悬臂长度L、宽度b和初始厚度t0被设置为100mm、10mm和10mm情况下。在边界条件下，集中载荷P=100N作用于一个边缘，另一个边缘固定但可以在z方向上移动以进行自由形状优化过程。得出想要的结果，从而在产品设计阶段，无论是做运动器材、汽车零件还是其他高科技产品，都能更好地利用这种材料的优点，做出既轻便又耐用的好东西。这里可以看下图：

　　再进行面外剪切模量的影响因素测试，面外剪切模量(G_shear)是衡量材料抵抗面外剪切变形能力的指标，对于理解CFRTP在弯曲条件下的行为至关重要。面外剪切变形会导致有效截面减小，进而影响材料的承载能力和稳定性。通过理论推导和实验验证，了解面外剪切模量如何影响CFRTP的弯曲刚度和强度，特别是在多层复合结构中，各层间剪切应力的传递效率直接关联到整体结构的性能。这里可以看下图跟钢材铝的对比，其中CTT和CTM均是连续碳纤维热塑性复合材料，表现出了不俗的性能优势。这里研究的意义在于，产品在需要弯曲变形状态下依然有非常好性能，相较于钢材，CFRTP材料就可以更好的实现想要的效果，有能够更好的完成产品制作。

　　另外在特殊的领域中，还需要考虑到不同温度下的性能表现，那随着温度升高，CFRTP的杨氏模量(E1)与切向剪切模量(G13)都会降低，但G13的降低速度更快，因此在高温情况下，CFRTP产品具备更好的安全系数。

　　这样的数据能够更好的为CFRTP材料零部件带来合适的优化策略和应用，再通过调整纤维排列和层合结构，以最小化面外剪切变形对弯曲性能的负面影响，从而实现CFRTP结构的轻量化与性能最大化，尤其是在那些需要承受复杂载荷工况的高性能结构件中，如航空航天领域，这也是现阶段跟智上新材料进行深度对接的客户领域。

　　东台智上新材料作为率先完成连续碳纤维热塑性复合材料(UD)单向带量产的厂家，也在不断的深究CFRTP材料未来的研究方向，不断探索CFRTP材料体系，来推动CFRTP材料在各领域中的创新应用。

　　部分数据参考：www.researchgate.net