百年的碳纖維,千年的復合材料
如果從1880年算起,碳纖維誕生距今已有138年的歷史。那時候的碳絲被用來做電燈的燈絲。
如果從1956年算起,碳纖維應用距今也有62年的歷史。那時候的碳絲被用來做耐燒蝕的復合材料。
前后不過百年的歷史,碳纖維已經形成了一條完整的產業鏈,在高性能復合材料領域占據極為重要的地位。而對于復合材料,歷史則相當久遠。
早在7000年以前,人們已經開始用秸稈和泥土混合,夯實成土墻。這就是早期的復合材料原型,秸稈用來增強,泥土用來做基體。這種土墻環保耐用,冬暖夏涼。直到上世紀80年代農村還有很多這樣的房子。
復合材料并不是人類的創造,其實,對于復合材料的理解,大概昆蟲、鳥和蝙蝠等動物比人類要理解的更早也更透徹,它們將復合材料的原理應用到筑窩的過程中,以此來抵御天敵的攻擊。燕子嘴銜樹枝和泥巴混合做的窩,堅固又耐用。
所以,人類對復合材料的利用雖然有幾千年歷史,但是對復合材料的理解并不透徹,跟動物并沒有本質區別。
現代復合材料興起于20世紀40年代,自從玻璃纖維和合成樹脂大量商品化生產以后,纖維復合材料逐漸發展成為具有工程意義的材料。到這里,可以認為人類對復合材料的理解進入理性認識階段。
碳纖維自從被發明出來做燈絲之后,應用并沒有擴展開來。因為當時燈泡真空技術達不到,第一個燈泡僅亮了40小時就被氧化了。之后鎢絲替代了碳絲,碳纖維暫別歷史舞臺。
現代復合材料的誕生,催生了人類對高性能纖維的需求,自玻璃纖維之后,硼纖維、碳纖維相繼被寄予厚望,最終碳纖維以其高比強度、高比模量、工藝成熟度高而被廣泛關注。
早期發展出的現代復合材料,由于性能相對較低、生產量大、使用面廣,被稱之為常用復合材料。后來隨著高技術發展的需要,在此基礎上又研發出了高性能的先進復合材料。
復合材料的發展迅速,其地位也非常重要,對于航空強國來講,尤其具有戰略價值。但是相對金屬材料來講,其應用領域擴展相對緩慢。因為復合材料的應用理念,與傳統金屬材料有著本質的區別。
復合材料部件的制造伴隨著材料與部件的合二為一。當我們把樹脂和纖維復合上的那一刻,它一定是以一個部件的形式存在的。不像金屬材料那樣,先做出各種型材,通過加工、焊接等手段再制造成部件。
這就對復合材料部件的開發人員,提出了極高的要求。不但要了解材料特性,而且要了解部件使用條件,不但要了解復合材料設計,還要了解制造工藝。所以,復合材料單位對這類人才的需求很大,而成熟人才卻很少。一個有經驗的復合材料結構設計人員,年薪至少要20-30萬元。
除了結構設計,還要對新開發的部件,進行反復測試,以滿足最優的設計方案。這種依靠經驗設計,通過不斷試錯來反復開發的流程,造成了開發流程長、成本高的缺點。
Abaqus是一套功能強大的有限元軟件,被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件,可以分析復雜的復合材料力學結構力學系統。ABAQUS在各國的工業和研究中被廣泛采用,在大量的高科技產品研究中都發揮著巨大的作用。有限元數值模擬技術是提升復合材料結構部件產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段。
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