纖維增強(qiáng)熱塑性塑料模流分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2025-11-12
纖維增強(qiáng)熱塑性塑料模流分析的實例教程
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來源：SAMPE
作者：姚志佳
一、概述
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業(yè)，航空航天，軍工，電子等諸多領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）是以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強(qiáng)度、高剛性、高韌性的復(fù)合材料?？蛇x用的增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、植物纖維、以及玄武巖纖維?？梢赃x用的樹脂基體有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根據(jù)產(chǎn)品性能及成型要求的不同，增強(qiáng)材料的形態(tài)可以是單向的，也可以是織物。
盡管短纖維和長纖維熱塑性復(fù)合材料占整個熱塑性復(fù)合材料市場的主導(dǎo)地位。但由于連續(xù)纖維獨特的特點，近年來國際上連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料市場仍然保持著快速增長，國外行業(yè)巨頭也正將連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料及相關(guān)企業(yè)作為重點開發(fā)方向和并購的首選標(biāo)的。其中朗盛收購了德國Bond-Laminates、三菱收購QPC、東麗公司收購荷蘭的Tencate；而韓華、巴斯夫、科思創(chuàng)、英力士等化工巨頭也都推出了相應(yīng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。
目前，掌握連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的企業(yè)主要集中在德國、荷蘭、英國、美國等少數(shù)歐美國家。我國有部分企業(yè)掌握了一部分連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的技術(shù)，但是在連續(xù)纖維增強(qiáng)特種工程塑料復(fù)合材料方面，我國與國外依舊存在非常大的差距。
展開 1、前言
熱塑性樹脂基復(fù)合材料近年來發(fā)展迅速，特別是纖維增強(qiáng)熱塑性片材（簡稱GMT）是八十年代以來世界先進(jìn)國家競相發(fā)展的新技術(shù)，它是以連續(xù)玻璃纖維氈或短切玻纖氈和熱塑性樹脂復(fù)合而成的一種片狀模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代開始熔融法（干法）工藝研究，七十年代中期進(jìn)入工業(yè)化階段；隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，八十年代后期開始了懸浮法（濕法）工藝研究，九十年代中前期開始工業(yè)化生產(chǎn)并進(jìn)入實用階段。
進(jìn)入八十年代后期，GMT片材及其制品已成為國際上極為活躍的復(fù)合材料制品之一。GMT片材具有許多優(yōu)點和特性，其中可再生利用的特點，在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，給GMT賦予了極大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。目前，80％的GMT被應(yīng)用在汽車工業(yè)中，其余20％被用于建筑、化工、包裝、體育器械等領(lǐng)域中。
我國GMT的研究開發(fā)是從八十年代后期開始的，“九五”期間被列為國家863高技術(shù)新材料研究課題，通過科研院所和大學(xué)的聯(lián)合攻關(guān)，已掌握了GMT的關(guān)鍵技術(shù)，片材性能達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平，在應(yīng)用開發(fā)方面也取得了良好進(jìn)展。
2、GMT片材的性能和特點
2.1 GMT的主要性能
下表給出了國產(chǎn)GMT與美國、日本片材的性能比較：
材料 國產(chǎn) 美國 日本
玻纖含量% 27.5 31 30
拉伸強(qiáng)度MPa 86 85 80
彎曲強(qiáng)度MPa 115 120 120
彎曲模量MPa 4704 5100 4100
沖擊強(qiáng)度J/㎡ 705 650 590
熱變形溫度℃ 152 155 155
燃燒性能mm/s 0.07 / /
片材密度g/cm3 1.10 1.15 /
從上表中可知，我國GMT片材的技術(shù)性能基本上與國外一致，村料性能可通過調(diào)整纖維及基體樹脂品種，改變纖維含量等工藝措施，得到不同性能的片材來滿足市場的應(yīng)用要求。
展開 連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料（CF/PEEK，CF/PPS等），相比于傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料，具有更明顯的性能優(yōu)勢，滿足航空領(lǐng)域應(yīng)用的多種需求。隨著國外基礎(chǔ)研究的深入和工業(yè)制造能力的提升，以及材料成本和制造成本的降低，近年來CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料憑借優(yōu)異的性能開始在眾多領(lǐng)域開展應(yīng)用研究。目前，處于研究階段的部件主要集中在航空、航天、船舶、石油以及高端民用制造領(lǐng)域。部分已經(jīng)應(yīng)用和正在科研攻堅的部件如圖5所示，這些應(yīng)用和研究進(jìn)展表明連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料，尤其是CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料的廣闊前景。
圖5 CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用和正在研發(fā)的部件實例
（a）衛(wèi)星支架或蒙皮；（b）機(jī)翼前緣；（c）彈艙門；（d）發(fā)動機(jī)機(jī)匣和風(fēng)扇葉片；（e）直升機(jī)旋翼槳轂和起降支承；（f）采油管道
國內(nèi)對于連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用尚處于起步階段，高性能熱塑性復(fù)合材料的上游材料即高性能熱塑性預(yù)浸料的批量化生產(chǎn)尚屬空白，追趕國外高性能熱塑性復(fù)合材料設(shè)計和制造技術(shù)，積累國內(nèi)熱塑性復(fù)合材料設(shè)計和制造經(jīng)驗仍是當(dāng)前研究的重要內(nèi)容。
原文出處：
連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料的制備與應(yīng)用（點擊“題目”可鏈接全文）
肇 研，劉寒松
2020, 48(8): 49-61
doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000209
展開 科思創(chuàng)宣稱：他們最近推出了一款品牌名為Maezio的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，這是一種在輕量化和靈活性上均優(yōu)于金屬的材料。
我在四月份的博客上曾經(jīng)寫過：“對于世界上最大的電器制造商來說，將目光放在連續(xù)纖維熱塑性塑料上是一個明智的選擇?！边@篇博客討論了以CFRTP為原料生產(chǎn)的高端空調(diào)的發(fā)展，這個項目是由材料供應(yīng)商科思創(chuàng)和世界上最大的電器制造商海爾共同推進(jìn)的。目前，科思創(chuàng)已經(jīng)將這種材料注冊“Maezio”，這種材料是由含有聚碳酸酯（PC）、熱塑性聚氨酯（TPU）或其他熱塑性樹脂的碳纖維或玻璃纖維組成的。該公司在德國馬爾克特比巴爾特的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行單向強(qiáng)化磁帶和板材的制造。
CFRTP材料是由德國的科思創(chuàng)生產(chǎn)的
圖片來源:科思創(chuàng)
CFRTP項目的聯(lián)合首席執(zhí)行官David Hartmann表示：“這個品牌賦予了我們一個明確有力的身份，使我們得以不斷提高在熱塑性復(fù)合材料方面的專業(yè)程度。我們相信，這種新材料能夠提供輕量的結(jié)構(gòu)，一定的強(qiáng)度以及更大的規(guī)模來為新一代產(chǎn)品創(chuàng)造價值?！?科思創(chuàng)展示的各種成品都令人印象深刻。該公司的媒體頁面展示有一段視頻，視頻內(nèi)容是來自供應(yīng)鏈的多個參與者的采訪，他們都表示這種材料極具美感和設(shè)計靈活性，同時還能突破傳統(tǒng)金屬和塑料一直存在的重量和厚度問題。
該公司品牌名為“Maezio”的CFRTP材料具有強(qiáng)度高、輕量化和美觀的特點，能夠生產(chǎn)出無數(shù)的產(chǎn)品，給設(shè)計師的創(chuàng)造性設(shè)計帶來機(jī)會。
圖片來源：科思創(chuàng)
多市場大規(guī)模生產(chǎn)
該公司聲稱，成本效益和靈活制造工藝的缺乏給先進(jìn)復(fù)合材料的廣泛傳播帶來了極大的阻礙。該公司在其媒體新聞稿中指出，復(fù)合材料也很難集成到大容量的產(chǎn)品中，而Maezio正在逐漸改變這一點：
這些創(chuàng)新材料可以有效提升全球范圍內(nèi)的資源保護(hù)力度和能源效率。
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塑料材料被廣泛的應(yīng)用，各種合成或半合成的產(chǎn)品被轉(zhuǎn)化及成型為我們?nèi)粘５囊徊糠?。這些產(chǎn)品含概了消費電子、家庭用品、玩具、各種外包裝、個人護(hù)理用具以及汽車零件等等。因為塑料低成本、易于生產(chǎn)且原物料充足等因素，其大部份的用途，用以替代各種傳統(tǒng)材料應(yīng)用，包含金屬、玻璃、木材以及紙類材料。然而，隨著塑料的應(yīng)用越來越多樣化，加工的復(fù)雜度及多樣性也持續(xù)上升，也因此供貨商必須持續(xù)優(yōu)化其制程，以迎合市場所需的產(chǎn)品性能
隨著汽車、航天與消費性電子等產(chǎn)業(yè)對輕量化高性能材料的需求日益提升，對于短纖∕長纖增強(qiáng)熱塑性塑料（Fiber Reinforced Thermoplastic，F(xiàn)RT）射出成型的先進(jìn)模擬技術(shù)需求也隨之增加。然而，傳統(tǒng)的CAE方法往往無法準(zhǔn)確模擬這些材料的行為。為了解決這項挑戰(zhàn)，AirGo與Moldex3D共同發(fā)表了最新白皮書《ATLAS-AI: Accurate yet Faster CAE Simulation
簡介
本文將教導(dǎo)使用者如何利用Digimat來建立纖維強(qiáng)化塑料的材料模型。解釋多尺度建模背后的概念，并說明如何操作 Moldex3D Digimat-MS 。
摘要 (Overview)
本文的目的是利用 Moldex3D Digimat-MS 與結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行一產(chǎn)品受外力下的應(yīng)力與變形的分析。此產(chǎn)品是彈塑性的玻璃纖維復(fù)合材料。 我們會藉由Digimat-MS來說明從Digimat
塑料熔流的粘彈性質(zhì)極其復(fù)雜，其對于許多現(xiàn)象的影響也可以非常顯著，諸如正向力、剪切力等影響。所以了解物質(zhì)的黏彈效應(yīng)對于在射出成型制程當(dāng)中保有良好質(zhì)量以至于產(chǎn)品也相當(dāng)關(guān)鍵。目前存在了各種不同的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)物質(zhì)的黏彈性，以下概述Moldex3D支持的多個模型：
線性微分模型(Linear Differential Model)
?UCM模型 (上對流Maxwell模型)
此模型以線性或準(zhǔn)線性的方式來描述塑料的黏彈性
大綱
本案例中，Erteco必須找出并解決船只螺旋槳內(nèi)部的玻纖塑料輪轂組件碎裂原因。螺槳轂在船只負(fù)重過重的情況下，螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)時就容易發(fā)生碎裂問題，影響產(chǎn)品的整體質(zhì)量和性能。
挑戰(zhàn)
縫合線造成結(jié)構(gòu)脆弱，產(chǎn)品發(fā)生碎裂若以金屬軸環(huán)加強(qiáng)脆弱區(qū)域，成本相當(dāng)高
解決方案
透過Moldex3D判別發(fā)生組件斷裂的原因，并透過模擬分析驗證新的可行方案
效益
優(yōu)化制程條件
現(xiàn)代航空領(lǐng)域飛行器飛行速度快且巡航時間長，使得機(jī)翼前緣、水平和垂直尾翼、起落架艙門等部位將產(chǎn)生較大且持久的氣動載荷。此外，在飛行器服役過程中的沖擊載荷、高低溫環(huán)境、濕熱環(huán)境等均對復(fù)合材料的使用提出了較高的要求。連續(xù)纖維增強(qiáng)高性能熱塑性復(fù)合材料（CF/PEEK，CF/PPS等），相比于傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料，具有更明顯的性能優(yōu)勢，滿足航空領(lǐng)域應(yīng)用的多種需求。隨著國外基礎(chǔ)研究的深入和工業(yè)制造能力的提升
來自特種化學(xué)品公司朗盛的Tepex dynalite連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板材，能夠被用于制造采用汽車輕量化設(shè)計的高度集成的更大型的結(jié)構(gòu)部件，比如，梅賽德斯-奔馳GLE SUV 的前端支架，它包括兩個焊接的由聚丙烯基Tepex dynalite 104-RG600(3)/47%材料制成的復(fù)合材料半殼，截面尺寸大約是1.2 m長、0.35 m寬，兩個半殼在一副擁有兩個型腔的注塑模具中采用一種混合模塑工藝被制成
美國密歇根州陸軍坦克、汽車研究開發(fā)和工程中心（TARDEC）的三位研究人員最近發(fā)表了一項名為“通過熔融長絲制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表征”的研究，該研究用于連續(xù)碳在Mark Two 3D打印機(jī)上打印纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料部件。
研究人員表示：“目前的工作重點是通過連續(xù)長絲制造（CFF）連續(xù)纖維增強(qiáng)樣品的拉伸性能。在有和沒有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的情況下，在多個方向上測試樣品。當(dāng)將0碳纖維增強(qiáng)試樣與沒有連續(xù)增強(qiáng)的試樣進(jìn)行比較時
來源：SAMPE
作者：姚志佳
一、概述
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業(yè)，航空航天，軍工，電子等諸多領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）是以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強(qiáng)度、高剛性、高韌性的復(fù)合材料。可選用的增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、植物纖維、以及玄武巖纖維
科思創(chuàng)宣稱：他們最近推出了一款品牌名為Maezio的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，這是一種在輕量化和靈活性上均優(yōu)于金屬的材料。
我在四月份的博客上曾經(jīng)寫過：“對于世界上最大的電器制造商來說，將目光放在連續(xù)纖維熱塑性塑料上是一個明智的選擇。”這篇博客討論了以CFRTP為原料生產(chǎn)的高端空調(diào)的發(fā)展，這個項目是由材料供應(yīng)商科思創(chuàng)和世界上最大的電器制造商海爾共同推進(jìn)的。目前，科思創(chuàng)已經(jīng)將這種材料注冊
