熱塑性長纖復材
關注創建者：ACMT協會 創建時間：2023-10-10
熱塑性長纖復材的實例教程
■科盛科技
熱塑性長纖復材的簡介
近年來，輕量化技術以其高效性受到了人們關注，復合材料目前被廣泛運用于現今大部分的產業上，其中與環保議題并進的汽車輕量化在近年來發展非常迅速。汽車輕量化有助于提高汽車能源效益達節能減排之功效。電動汽車因大型電池以及氣體鋼瓶重量影響，相較于傳統汽車更重視輕量化的議題，因此使用高分子復合材料的比例不斷提高，藉由此契機，提供了復合材料應用于汽車領域的發展契機。
熱塑性復合材料常使用玻璃纖維作為樹脂的增強成分，藉此提高成型制品的機械性能或耐熱性。熱塑性長纖復材（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，以下將簡稱為LFRT或LFT）是近幾年來發展迅速的一類高性能復合材料，是將纖維（長度一般為10~15mm以上）與熱塑性樹脂基材經特殊的制程及設備造粒生產出的制品。
LFT基本組成即為熱塑性基材與增強纖維兩大成分，熱塑性基材種類一般以PP與PA為主，此外如有特別用途，也有使用PET、PBT或PPS等塑料種類。而在纖維的部分大多則使用玻璃纖維。
因LFT纖維長度相較于短纖復材而言于制程中較能保有更足夠的長度，使纖維之間有足夠的長度能交互搭接，形成立體3D網狀結構，于基體樹脂內作為增強骨架。因此使此材料具備了高耐沖擊、收縮率低、高剛性、高尺寸穩定性、耐高溫、抗蠕變性與抗疲憊性等許多優點。除此之外，LFT于生產成本上因工法較不復雜，相較于GMT而言成本更低廉；在加工方面可使用射出成型快速加工，更易貼合現行市場產品制作的方式。
圖1：(a)LFT板材示意圖；
圖1：(b)LFT板材纖維特寫
LFT的量測
復合材料因材料制作過程繁雜，基材與加工類型非常多，不論是制作過程還是材料的選用皆會直接影響到成品性能。
展開 該團隊著眼于開發高性能碳纖維熱塑性復合材料，其開發的CF/PEEK復合材料產品多項性能指標優于國外同類產品。
這種復合材料既耐高溫又耐腐蝕，抗沖擊性強，可塑性高，還具備自潤滑、耐磨損、X光可透過、耐輻射等特性。具備這些特點的材料應用于飛機制造取代部分金屬材料，可以達到減輕機身質量、減少燃油使用和降低碳排放作用，相關產品在國產大飛機的潛在供應商進行試用時獲得認可。除此以外，這種復合材料還可廣泛應用于航空航天領域、能源工業、交通運輸、醫療器械等領域。
華航復材團隊的單毫，師從華東理工大學化工學院周曉東老師，他將CF/PEEK復合材料作為自己的研究課題。同一實驗室的洪成、陳宇也加入其中組成了初創團隊。經過不懈努力與反復嘗試，該團隊克服了PEEK樹脂加工溫度高、熔融黏度大、很難充分浸漬纖維等難題，改善了生產工藝與生產設備，成功開發出高性能CF/PEEK復合材料，并申請了發明專利。如今，華航團隊擁有3項發明專利、獲得了4項書面合作意向書。與此同時，該團隊還獲得中國第四屆“互聯網 ”創新創業大賽上海市金獎、全國銀獎，2018年“創青春”全國大學生創業大賽上海市金獎、全國銀獎。
調研顯示，受限于技術壁壘較高，全球能生產CF/PEEK復合材料的企業屈指可數。目前國內對該材料的研發尚停留在實驗室階段，沒有工業化生產能力。然而，我國大飛機、高速列車、汽車工業、核電工程等對該材料的需求十分迫切。如今，高性能纖維及其復合材料相關產業在全球范圍內發展迅速，市場對輕量化、可回收、環境友好型材料的需求也在日益增長。若在制造業中大規模應用相關材料，可提升制造業輕量化科技水平。因此，自“十二五”以來，我國高度重視高性能纖維復合材料的研發和應用，并制定了相應的戰略規劃。
（來源：中國化工網）
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2、.基于XFEM方法的裂紋擴展模擬(實例）
3、VCCT方法入門（實例）
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5、基于虛裂紋閉合技術(VCCT)的分層擴展模擬（實例）
6、基于cohesive單元的分層/界面損傷擴展模擬（實例）
7、復合材料加筋板的壓潰分析（實例）
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效益
提供前所未有的兩階段CAE模擬方法，賦予業界模擬鋪覆及壓縮片狀復合材料的能力
精準的纖維排向預測能力
加速產品開發時程，降低成本
案例研究
本案例中，北美Toyota研究中心(TRINA) 針對含碳纖維的熱塑性片狀預浸材(SMC)進行研究。此片材由不連續長纖維所構成。由于片材在壓縮成型制程結束后，較容易維持原始長纖結構，因此受到TRINA研究員的青睞。
首先，我們將根據實際情況建立復材梁的幾何模型。然后，定義復材的材料特性和層合結構，并設置加載條件。最后，使用Abaqus進行求解并進行后處理，得出復材梁在不同加載條件下的應力、應變等性能。
在實際工程中，Abaqus的復合材料分析功能被廣泛應用于復材結構設計、強度與剛度評估、破壞分析等方面。通過深入了解Abaqus的使用方法和原理，我們可以更好地應用它來解決實際工程中的復合材料分析問題。
熱塑性復合材料常使用玻璃纖維作為樹脂的增強成分，藉此提高成型制品的機械性能或耐熱性。熱塑性長纖復材（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，以下將簡稱為LFRT或LFT）是近幾年來發展迅速的一類高性能復合材料，是將纖維（長度一般為10~15mm以上）與熱塑性樹脂基材經特殊的制程及設備造粒生產出的制品。
Herschel-Bulkley Cross 模型(2)
此模型描述常見于高度充填或高纖維含量的復材的降伏應力行為。有降伏應力的材料直到施加的應力超過降伏應力 τy 之前都無法流動。
3 復材機械性質 (Composite Material Properties)
指定編織類型：2D Woven、UD 和 無，表示復材的機械性質是由雙向編織、單向編織控制或沒有纖維。指定要使用實驗模型來考慮整個復材 (含塑料) 還是理論模型來僅考慮纖維布 (無塑料)。在各主軸方向及垂直方向指定非等向性的機械性質。
短纖與長纖的纖維強化復材在射出成型過程中的纖維排向與FEA集成分析，更是Moldex3D被公認的先進功能，并已獲得全球先進汽車制造商與工程塑料廠商的一致認同與采用。Moldex3D 2022更進一步將這些優點擴展至纖維復材的壓縮成型制程分析，協助用戶設計、優化大型纖維強化復材的制造工藝。
壓縮成型制程常被產業界用于制造復雜的復合材料產品(圖一)，其中片狀預浸材(Sheet Molding Compound, SMC)、玻璃纖維熱塑性材料(glass mat thermoplastic, GMT)及預浸料(Prepreg)成型，是實務上常使用的壓縮成型種類。
