碳纖維復(fù)合材料在汽車上的最早應(yīng)用可以追溯到1981年的一級方程式邁凱倫 MP4/1賽車中。雖然此前CFRP復(fù)合材料多次應(yīng)用于賽車小組件中,但MP4/1 才是第一個真正意義上將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整個底盤設(shè)計的賽車。通過增加相關(guān)材料鏈軸部位的負(fù)荷,碳纖維復(fù)合材料賽車的剛度重量比大大提高了,這讓賽車變得更輕、更快、更安全了,而后再也沒有離開過F1賽場。
當(dāng)今的一級方程式賽車的CFRP復(fù)合材料部件用量占整體賽車的85%,由于碳纖維早期是非常先進的一種材料,使用在F1賽車中的碳纖維需要經(jīng)過復(fù)雜的工藝,在做成碳纖維復(fù)合材料之前,會經(jīng)過纖維-編織-預(yù)浸料等工藝,但盡管材料和工藝如此復(fù)雜,碳纖維材料已被F1和賽車運動市場使用了將近40年。
由于CFRP復(fù)合材料有足夠的強度和剛度,其適用于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的材料,但是由于碳纖維自身具有脆性的特點,容易斷裂和分層,目前人們制造汽車的過程中正面臨從金屬到碳纖維增強復(fù)合材料的過渡,這些材料的失效機理通常比金屬的復(fù)雜得多。
首先,在金屬結(jié)構(gòu)中,基材裂紋通常始于本身的缺陷或應(yīng)力集中,然后在疲勞載荷作用下進行傳播最終韌性失效。然而復(fù)合材料中的損傷形態(tài)卻完全不同:主要的原因是存在大量微觀缺陷,例如樹脂與預(yù)浸料固化收縮過程中可能會發(fā)生的微裂紋,并且這些微裂紋最終可能發(fā)展為不同的破壞機理。
其次,大多數(shù)金屬具有延性破壞機制,因此可以通過塑性變形的形式通過視覺直觀的感受到到韌性過載。因此,在結(jié)構(gòu)超載和疲勞斷裂故障之間通常會有一個較為明顯的視覺警告期。而碳纖維纖維增強復(fù)合材料,斷裂韌性發(fā)生在基體內(nèi)部,由于碳纖維脆性變差,因此會突然失效。
最后,纖維增強復(fù)合材料如斷裂,基體裂紋,基體纖維脫粘,分層,空隙,層錯位,缺乏浸漬和纖維波紋度等。尤其增強碳纖維的分層最為致命,因為當(dāng)在整個厚度范圍內(nèi)加載層壓板時,碳纖維很容易產(chǎn)生縱梁跳動等造成以上連鎖反應(yīng)。所以不同的碳纖維增強預(yù)浸料通常應(yīng)考慮元件應(yīng)力所生產(chǎn)的連鎖斷裂韌性。
為了提高CFRP復(fù)合材料的斷裂韌性,通常采用樹脂添加聚合物等增韌添加劑來增強碳纖維的韌性。但這會改變樹脂的流動性、重量及與預(yù)浸料的浸潤性等,目前國外已使用靜電紡絲納米纖維作為夾層使用在F1方程式復(fù)合材料層間制作的前后空氣套件、底盤、尾翼、結(jié)構(gòu)件等,可以有效的提高增強型碳纖維的斷裂韌性和沖擊吸能。以大連義邦Xantu. Layr納米纖維膜為例,可以在不增加樹脂和碳纖維的重量、厚度的情況下增加碳纖維的斷裂韌性值。根據(jù)國外有關(guān)機構(gòu)通過一系列的力學(xué)和熱性能部分測試結(jié)果,顯示了納米纖維層間對CFRP復(fù)合材料力學(xué)和熱性能的影響。
根據(jù)上圖測試結(jié)果所示,Xantu.Layr納米纖維膜,可以在不犧牲碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的前提下,提高碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的斷裂韌性。納米纖維膜的存在也可以有效地提高碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的面內(nèi)力學(xué)性能,如抗彎強度、抗彎模量和抗壓強度。
由于碳纖維復(fù)合材料在F1方程式賽車中優(yōu)異的表現(xiàn),而后這種材料受到了美國相關(guān)機構(gòu)的重視,他們希望將這種材料作為覆蓋材料用于武裝直升機機身底部,以嘗試直升機承受地面火力攻擊達到?jīng)_擊吸能的作用,從此碳纖維從民用走向了軍工。
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