纖維的案例
纖維混凝土 XFEM 案例教學(xué)?（含視頻教學(xué)+纖維腳本） ￥19.98
1、 引言?
本案例借助擴(kuò)展有限元法（XFEM），深入探究纖維混凝土在受力狀態(tài)下的裂縫擴(kuò)展特性及力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。通過構(gòu)建合理的有限元模型，并運(yùn)用 XFEM 處理裂縫問題，實(shí)現(xiàn)對纖維混凝土復(fù)雜力學(xué)行為的高精度模擬，最終完成對裂縫擴(kuò)展過程及力學(xué)性能的分析與研究。?
2、 幾何模型與材料參數(shù)?
（1） 模型構(gòu)建?
建立三維實(shí)體模型來模擬纖維混凝土試件，混凝土試件尺寸設(shè)定為 200×120×1000，單位：mm，實(shí)際應(yīng)用中需依據(jù)具體試驗(yàn)場景和需求設(shè)定準(zhǔn)確參數(shù)）。在建模過程中，充分考慮纖維的隨機(jī)分布特性，可采用特定的算法或方法在模型中植入纖維，以更真實(shí)地反映纖維混凝土的實(shí)際結(jié)構(gòu)。?
（a）混凝土 （b）纖維
（c）墊塊 （d）裂紋
圖1 纖維混凝土部件
（2） 材料屬性?
分別定義混凝土和纖維的材料參數(shù)。對于混凝土，需明確其彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、密度、斷裂能等力學(xué)參數(shù)，以及導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱物理參數(shù)（若涉及熱 - 力耦合分析）。
對于纖維材料，要確定其彈性模量、抗拉強(qiáng)度、密度、直徑和長度等參數(shù)。此外，還需定義纖維與混凝土之間的界面屬性，如界面粘結(jié)強(qiáng)度、界面摩擦系數(shù)等，以準(zhǔn)確模擬纖維與混凝土之間的相互作用。?
3、 XFEM 原理應(yīng)用
基于 XFEM 的基本原理，在模型中引入裂縫單元。XFEM 通過富集函數(shù)來描述裂縫附近的位移場，能夠在不重新劃分網(wǎng)格的情況下準(zhǔn)確模擬裂縫的萌生、擴(kuò)展和分叉等復(fù)雜過程。對于纖維混凝土，需考慮纖維對裂縫擴(kuò)展的抑制作用，在 XFEM 的理論框架下，將纖維的增強(qiáng)效果納入模型計(jì)算中。?
4、 分析步設(shè)置?
（1） 分析類型?
分析類型設(shè)定為靜力 - 通用分析步，設(shè)定分析時間長度為1 ，同時啟用幾何非線性以考慮結(jié)構(gòu)的大變形效應(yīng)。
展開 ANSYS纖維混凝土 三維隨機(jī)纖維 鋼纖維 纖維復(fù)合材料建模
在ANSYS內(nèi)構(gòu)建隨機(jī)分布的纖維除了采用命令流的方式外，還可以采用AutoCAD模型導(dǎo)入的方法，在這里對CAD生成隨機(jī)纖維及導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行詳細(xì)介紹。
首先采用CAD隨機(jī)三維纖維插件進(jìn)行纖維及基體材料的幾何模型構(gòu)建，插件可指定數(shù)目、直徑、長度、角度的三維分布的圓柱體纖維，插件嚴(yán)格控制纖維之間不發(fā)生干涉，同時插件會在CAD內(nèi)生成與圓柱體纖維相適配的帶有空洞的長方體基體。
設(shè)置好參數(shù)運(yùn)行CAD隨機(jī)三維纖維插件，生成所需要的三維纖維幾何模型，模型建立完成后，需要另存為.sat文件，以備ANSYS導(dǎo)入。
打開ANSYS Workbench，新建一個分析，在Geometry上右鍵，選擇導(dǎo)入剛才保存的.sat纖維模型文件：
模型是包括圓柱體纖維、帶孔的長方體基體兩部分。纖維及長方體基體均為實(shí)體。
生成后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分、模擬分析等操作了。
建模所用到的插件：
CAD_隨機(jī)三維纖維插件
展開 三維隨機(jī)纖維-球體骨料細(xì)觀混凝土模型/細(xì)觀混凝土/纖維混凝土 ￥369
簡單三維球體細(xì)觀模型的課程已更新一年半有余，后臺私信和留言中有不少同學(xué)咨詢“怎么添加纖維/有沒有纖維混凝土的模型”，由于之前一直在忙著干其他的事情，最近心血來潮，那么今天就寫了這個帖子，分享自己關(guān)于在三維細(xì)觀混凝土模型中添加纖維的一些思路和腳本建立方法。
三維隨機(jī)纖維-球體骨料細(xì)觀混凝土模型——四相（砂漿、骨料、ITZ和纖維）組分的復(fù)合混凝土模型組成效果和仿真效果如下。
在前邊的三維隨機(jī)球體模型中，投放骨料的思路十分簡單，只需要使用python代碼隨機(jī)生成一個球體特征數(shù)據(jù)，再與已存儲的球體數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷（判斷球心距與兩球體半徑之和）即可。若球心距大于半徑之和則存儲在骨料數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行下一個球體的生成與判斷；若小于，則不存儲，進(jìn)行下一個球體的生成判斷。最后使用python與abaqus之間的接口，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形即可。
把這個思路放到纖維與骨料之間的判斷中來，似乎也能進(jìn)行相應(yīng)的判斷。只需要生成隨機(jī)的纖維，用纖維端點(diǎn)坐標(biāo)與骨料球心坐標(biāo)，計(jì)算出球心到直線的距離就可以了，如下圖所示。
使用點(diǎn)到直線的距離公式判斷球體與纖維的相交，這樣看著好像沒啥問題，但其實(shí)纖維能在混凝土中分布的區(qū)域已經(jīng)大大縮小了。如下圖所示，當(dāng)纖維的方向指向骨料時，雖然纖維與骨料并沒有相交，但簡單地使用點(diǎn)到直線的距離公式，會被判斷為相交狀態(tài)，這根纖維就將被認(rèn)為不能放在混凝土中。可能會說，即使這樣纖維仍然還會有很多的區(qū)域可以投放，但混凝土中存在著成百上千甚至上萬個的骨料，投放纖維之前遍歷已有骨料的坐標(biāo)后，再按照這樣局限的方法進(jìn)行判斷，纖維存在的區(qū)域勢必大大降低，生成出來的纖維分布狀態(tài)并不樂觀。
展開 用碳纖維替代D-LFT汽車部件中的玻璃纖維
模量轉(zhuǎn)化
眾所周知，復(fù)合材料部件的強(qiáng)度主要是纖維增強(qiáng)材料的一個函數(shù)，最大的強(qiáng)度是由連續(xù)纖維提供的。采用短切纖維而非連續(xù)纖維，則顯著降低了最終部件的強(qiáng)度。然而，有證據(jù)表明，平行排列或分布的短切纖維的較長段，將使部件擁有接近由連續(xù)碳纖維絲束提供的強(qiáng)度。這一現(xiàn)象通過針對縱向與橫向模量的Halpin-Tsai各向同性近似方法而得到了解釋。該方法由美國賴特-帕特森空軍基地（簡稱“WPAFB”）的J.C. Halpin與斯坦福大學(xué)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室的榮譽(yù)教授Stephen W. Tsai開發(fā)。
Halpin-Tsai方程式表明，如果在采用碳纖維的情況下，長徑比（L/D）能夠達(dá)到100，即長0.72mm，直徑0.0072mm，那么纖維的機(jī)械強(qiáng)度將是：拉伸模量大約21.5GPa，或者是一個層壓材料（由35%重量百分比的碳纖維與PA6聚合物組成）最大理論模量26GPa的83%。
Purcell解釋說，在試驗(yàn)中，雖然一些纖維長度能保持2mm，但平均長度非常短。“因?yàn)槲覀儷@得了一些加工后仍保持2mm長度的纖維，因而表明在技術(shù)上是可行的。”他同時強(qiáng)調(diào)說，“更重要的且能夠驅(qū)動力學(xué)性能的是平均纖維長度。一些2mm長的纖維對力學(xué)性能似乎沒有貢獻(xiàn)。”
不管怎樣,長徑比大于100時，理論曲線逐漸變平，從而隨著纖維長度的增加，提供的優(yōu)勢逐漸減少。
因此，理論上預(yù)測的纖維轉(zhuǎn)化（模量轉(zhuǎn)化），對于纖維長徑比為278的同樣部件，即對于平均2mm的纖維長度而言，大約是24.5GPa，或者是最大理論值26GPa的94%。
展開 
【技術(shù)干貨】一文詳解影響碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素（二）碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的拉伸性能和輕質(zhì)特性而備受關(guān)注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復(fù)合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強(qiáng)度的測試方法》
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)
為了開發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。
碳纖維是通過對PAN纖維進(jìn)行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預(yù)氧化（又叫熱穩(wěn)定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進(jìn)行的，通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理，并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時間內(nèi)施加張力。
展開 碳纖維簡史：今天從美國碳纖維技術(shù)發(fā)展史說起！
1910年左右，鎢絲替代了早期的碳纖維燈絲。盡管如此，很多美國專利證實(shí)，愛迪生發(fā)明碳纖維后的30多年里，改進(jìn)碳纖維性能的研究從未停止過。然而，這些努力都未能把碳纖維性能提高到令人滿意的程度。此間，碳纖維研究停滯不前，處于休眠期。
圖1 1892年愛迪生獲得的碳纖維長絲白熾燈絲生產(chǎn)技術(shù)專利
二、人造纖維化學(xué)纖維的出現(xiàn)，為美國高性能碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了前提
人造纖維化學(xué)纖維的出現(xiàn)，把碳纖維技術(shù)引入了“再發(fā)明（reinvented）”時代。20世紀(jì)早期，粘膠（1905）和醋酯（1914）等人造纖維的出現(xiàn)，特別是20世紀(jì)中期，聚氯乙烯（1931）、聚酰胺（1936）和聚丙烯腈（1950）等化學(xué)纖維的商業(yè)化，為美國開創(chuàng)高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了前提。
20世紀(jì)50年代中期，美國人威廉姆?F?阿博特（WilliamF. Abbott）發(fā)明了碳化人造纖維提高碳纖維性能的方法。作為卡本烏爾公司（Carbon Wool Corporation）的委托人，阿博特（Abbott）于1956年3月5日向美國專利局提交了“碳化纖維方法（Method for CarbonizingFibers）”的專利申請（申請?zhí)朣erials No. 569,391），但此項(xiàng)申請是否獲得專利，不得而知。1959年11月12日，阿博特再次提出了同樣的專利申請（申請?zhí)朣erials No. 852,530），1962年9月11日，該項(xiàng)申請獲得了美國專利授權(quán)（專利號：3053775）。（圖2）
阿博特（Abbott）專利的技術(shù)要點(diǎn)是：一種生產(chǎn)固有密度高、拉伸強(qiáng)力好的纖維形態(tài)碳材料的加工工藝。當(dāng)時的碳纖維在很小的機(jī)械力作用下，就會斷裂。
展開 ABAQUS中帶預(yù)制裂縫XFEM的纖維混凝土開裂-纖維帶取向度 ￥300
、水平定向纖維、垂直定向纖維和一定取向度纖維。
國內(nèi)外碳纖維企業(yè)碳纖維性能指標(biāo)大全
碳纖維性能指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彈性形變、密度、細(xì)絲直徑等，那么，全球都有哪些碳纖維公司公布了其產(chǎn)品的性能指標(biāo)了？下面小編為你一一梳理。
國外碳纖維企業(yè)
東麗（Toray）2017年11月，碳纖維行業(yè)巨頭Toray推出了新版本的碳纖維性能指標(biāo)，與舊版本相比去除了T700G這一款產(chǎn)品。
Toray碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來源：Toray官網(wǎng)
不僅如此，Toray亦給出了其產(chǎn)品的包裝參數(shù)及包裝基準(zhǔn)。
Toray碳纖維包裝參數(shù)
數(shù)據(jù)來源：Toray官網(wǎng)
帝人東邦（TEIJIN）
日本帝人東邦的性能指標(biāo)根據(jù)碳纖維產(chǎn)品的模量來分類，分為標(biāo)準(zhǔn)模量、中模量及高模量三大類。
TEIJIN碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來源：TEIJIN官網(wǎng)
三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical）
與Toray及TEIJIN不同的是，三菱化學(xué)給出了碳纖維細(xì)絲的直徑值。
三菱化學(xué)碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來源：三菱官網(wǎng)
SGL與日本公司不同的是，SGL給出了碳纖維產(chǎn)品的單絲電阻率、漿料類型以及上漿劑含量的值。
SGL碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來源：SGL官網(wǎng)
赫氏（Hexcel）美國Hexcel產(chǎn)品種類眾多，主要有AS4系列、IM系列、HM系列，并對產(chǎn)品的含碳量進(jìn)行說明，而且根據(jù)不同的用途（主要為航空航天、工業(yè)）其性能指標(biāo)亦不相同。
展開 任意鋪層角度UD層合板纖維尺度建模插件（纖維隨機(jī)分布) ￥99
插件介紹：
這是一個任意鋪層角度的ud層合板纖維尺度建模插件，可以層合板的尺寸大小、纖維半徑，以及每一層的樹脂含量。纖維采用隨機(jī)分布，纖維與樹脂分為兩個部件。
操作說明：
首先打開abaqus CAE，在Plug-ins目錄下找到任意鋪層角度的ud層合板纖維尺度建模插件，如圖所示：
點(diǎn)擊它，打開插件界面，如圖所示：
這里首先要完成模型的設(shè)定。自上而下分別為目標(biāo)模型，樹脂部件名稱，纖維部件名稱，以及如圖所標(biāo)的參數(shù)，并需要指定纖維半徑與每一層的鋪層角度（角度的值為0~180）、厚度、樹脂含量，拖動滑塊，設(shè)定纖維投放失敗最大嘗試次數(shù)，該值適用于所有層。
此外，層數(shù)不限，自下而上鋪層，就是說第一層在最低層。預(yù)設(shè)5層，如果少于5層，需要把多余的行刪去。
數(shù)值盡量采用小數(shù)，例如5.0，RC的值為0~1之間。
此插件所生成的是可變形的實(shí)體模型，設(shè)定好之后就可以點(diǎn)擊ok或apply進(jìn)行生成。
插件說明
此插件所生成的是實(shí)體模型。
使用做了視頻，可以在視頻中查看效果。視頻鏈接：
任意鋪層角度UD層合板纖維尺度建模插件（纖維隨機(jī)分布)使用視頻教程_培訓(xùn)課程-技術(shù)鄰
為了安裝方便，這里新增了安裝包，雙擊運(yùn)行，路徑采用默認(rèn)就行。并為防止特殊情況，這里也提供了壓縮包，可以通過傳統(tǒng)安裝方式進(jìn)行解壓安裝。新版界面如下：
注意，路徑盡量默認(rèn)，也可以自定義安裝，如果自定義安裝請安裝到與傳統(tǒng)安裝一致的地方。
今后插件的發(fā)行格式均采用壓縮包與安裝包并行的形式。
承諾：
1.凡是購買插件的用戶，使用過程中若是遇到Bug，本人將承諾對發(fā)現(xiàn)的bug進(jìn)行修復(fù)。
展開 碳纖維資訊：國產(chǎn)碳纖維突破大束絲瓶頸！
碳纖維資訊：國產(chǎn)碳纖維突破大束絲瓶頸！上海石化大絲束碳纖維技術(shù)“破爐而出”！
中國石化上海石化十年磨一劍，成功開發(fā)出48K大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化成套工藝技術(shù)，所生產(chǎn)的碳纖維具有優(yōu)異的表面結(jié)構(gòu)和界面性能，并實(shí)現(xiàn)低成本化。我國在該領(lǐng)域一直以來仰人鼻息的歷史宣告結(jié)束。
據(jù)“聚丙烯腈（PAN）基大絲束原絲和碳纖維技術(shù)及工藝包開發(fā)”項(xiàng)目首席、上海石化腈綸部總工程師黃翔宇介紹，在業(yè)內(nèi)，每束碳纖維根數(shù)小于24000根（24K）的被稱為小絲束；大于48000根（48K）的則稱為大絲束。此前，國內(nèi)大絲束碳纖維每年業(yè)務(wù)量數(shù)千噸，全部依賴進(jìn)口，相關(guān)核心技術(shù)由日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握，技術(shù)壁壘森嚴(yán)。
所以“黑黃金”碳纖維到底是個啥？
什么又是48K大絲束碳纖維？
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料。直徑只有頭發(fā)的1/50，其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，并且還具有耐腐蝕性、高模量的特性，被稱為“新材料之王”，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。
在碳纖維行業(yè)內(nèi)，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48000根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。目前，國內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根(1K)～12000根(12K)之間，稱為小絲束。
48K大絲束最大的優(yōu)勢，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應(yīng)用局限。
碳纖維有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，迄今為止核心技術(shù)也只有日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有并掌握。
展開 德國公司AeroLas結(jié)合碳纖維與熱塑性纖維 開發(fā)紡紗新工藝
傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗機(jī)（右）有一個鋼絲圈，它往往會破壞碳纖維長絲。Aerolas環(huán)旋扣器（左）在一個環(huán)內(nèi)有兩個彎曲的圓形鋼圈，該環(huán)依靠空氣軸承技術(shù)旋轉(zhuǎn)。該環(huán)旋扣器使Aerolas能夠使用碳纖維和熱塑性纖維材料紡紗，適合用于3D打印系統(tǒng)。（照片來源|CW）
AeroLas GmbH公司（德國慕尼黑）開發(fā)了一種紡紗工藝，通過該工藝，非連續(xù)碳纖維長絲可與熱塑性纖維結(jié)合，形成一種紗線材料，可在增材制造，3D打印和其他復(fù)合材料制造工藝中具有潛在應(yīng)用。
AeroLas的技術(shù)是傳統(tǒng)紡紗的衍生物，它使用環(huán)錠紡紗機(jī)（見圖）。 AeroLas的執(zhí)行董事邁克爾·穆斯（Michael Muth）指出，這個用來紡世界80%紗線的環(huán)錠紡紗機(jī)與碳纖維長絲不相容。環(huán)狀“鋼圈（Traveller）”將細(xì)絲引導(dǎo)到位于環(huán)中心的梭芯（COP）上，但它由于過于尖銳，會導(dǎo)致碳纖維細(xì)絲斷裂。
為了解決這個問題，AeroLas采用了空氣軸承技術(shù)，該公司已經(jīng)為數(shù)百種工業(yè)應(yīng)用開發(fā)了幾十年。顧名思義，空氣軸承用壓縮空氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬軸承，在兩個摩擦表面之間形成間隙。
使用這項(xiàng)技術(shù)，AeroLas重新考慮了旋轉(zhuǎn)環(huán)，以創(chuàng)造一個環(huán)形環(huán)設(shè)計(jì)，加壓空氣進(jìn)入兩者之間的間隙，以方便旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)消除了對傳統(tǒng)鋼絲圈的需求，并允許AeroLas切換到不會破壞碳纖維細(xì)絲的彎曲圓形鋼圈（見圖）。
Muth說，該公司在過去的幾個月里一直在研究不同長度的碳纖維，并將其與熱塑性纖維相結(jié)合，以確定紡紗工藝的最佳纖維長度。他說，初步結(jié)果表明，理想的碳纖維長絲長度約為80毫米。該公司創(chuàng)造了一種原型紗線，將短切碳纖維與聚酰胺6（PA6）相結(jié)合，并提供樣品供添加劑制造商評估。
展開 
用碳纖維替代D-LFT汽車部件中的玻璃纖維
模量轉(zhuǎn)化
眾所周知，復(fù)合材料部件的強(qiáng)度主要是纖維增強(qiáng)材料的一個函數(shù)，最大的強(qiáng)度是由連續(xù)纖維提供的。采用短切纖維而非連續(xù)纖維，則顯著降低了最終部件的強(qiáng)度。然而，有證據(jù)表明，平行排列或分布的短切纖維的較長段，將使部件擁有接近由連續(xù)碳纖維絲束提供的強(qiáng)度。這一現(xiàn)象通過針對縱向與橫向模量的Halpin-Tsai各向同性近似方法而得到了解釋。該方法由美國賴特-帕特森空軍基地（簡稱“WPAFB”）的J.C. Halpin與斯坦福大學(xué)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室的榮譽(yù)教授Stephen W. Tsai開發(fā)。
Halpin-Tsai方程式表明，如果在采用碳纖維的情況下，長徑比（L/D）能夠達(dá)到100，即長0.72mm，直徑0.0072mm，那么纖維的機(jī)械強(qiáng)度將是：拉伸模量大約21.5GPa，或者是一個層壓材料（由35%重量百分比的碳纖維與PA6聚合物組成）最大理論模量26GPa的83%。
Purcell解釋說，在試驗(yàn)中，雖然一些纖維長度能保持2mm，但平均長度非常短。“因?yàn)槲覀儷@得了一些加工后仍保持2mm長度的纖維，因而表明在技術(shù)上是可行的。”他同時強(qiáng)調(diào)說，“更重要的且能夠驅(qū)動力學(xué)性能的是平均纖維長度。一些2mm長的纖維對力學(xué)性能似乎沒有貢獻(xiàn)。”
不管怎樣,長徑比大于100時，理論曲線逐漸變平，從而隨著纖維長度的增加，提供的優(yōu)勢逐漸減少。
因此，理論上預(yù)測的纖維轉(zhuǎn)化（模量轉(zhuǎn)化），對于纖維長徑比為278的同樣部件，即對于平均2mm的纖維長度而言，大約是24.5GPa，或者是最大理論值26GPa的94%。
展開 休斯頓大學(xué)研究人員探索比傳統(tǒng)玻璃纖維和碳纖維更抗沖擊的天然蠶絲纖維復(fù)合材料
休斯敦-清湖大學(xué)的一位研究人員正致力于生產(chǎn)比傳統(tǒng)玻璃纖維和碳纖維更抗沖擊的天然蠶絲纖維復(fù)合材料。
休斯敦大學(xué)-清湖大學(xué)機(jī)械工程助理教授Youssef Hamidi展示了他的絲綢纖維復(fù)合材料的樣品，他說絲綢纖維會使復(fù)合材料對沖擊和壓力更有彈性。這增加了制造承重復(fù)合材料的可能性，這種復(fù)合材料可以取代汽車和其他制成品中使用的大部分鋼材。
美國得克薩斯州休斯敦大學(xué)(UHCL)機(jī)械工程助理教授優(yōu)素福·哈米迪(Youssef Hamidi)正在研究用于復(fù)合材料的蠶絲纖維，以滿足對強(qiáng)度、重量輕和可持續(xù)性相結(jié)合的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料日益增長的需求。
在他最近發(fā)表在“材料”雜志上的研究中，哈米迪聲稱，絲綢纖維比傳統(tǒng)的玻璃纖維或碳纖維更具有韌性，具有很高的拉伸強(qiáng)度，使它們不那么脆，更能承受沖擊和壓力。他說，這增加了為汽車和其他行業(yè)制造承重的絲綢纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的可能性。哈米迪于2018年加入U(xiǎn)HCL機(jī)械工程學(xué)院，自2000年以來一直在研究復(fù)合材料，主要研究如何減少工藝引起的缺陷。
他和俄克拉何馬大學(xué)航空航天與機(jī)械工程學(xué)院(美國俄克拉何馬州諾曼)的研究同事一年前就開始用絲綢了。
“我在想什么才是最合適的，”哈米迪說。在大多數(shù)(生物基)應(yīng)用中，人們使用的是短的植物基纖維。但是絲綢有更高的性能。很容易買到。它并不缺乏。“。
哈米迪第一次使用直接從蠶繭中提取的絲絲，但發(fā)現(xiàn)它很麻煩。他很快發(fā)現(xiàn)貨架上的絲綢效果最好。然而，他發(fā)現(xiàn)樹脂一旦干燥，就會在樹脂內(nèi)部留下微小的空隙或氣泡，而且樹脂不能完全附著在織物上。了解這些空洞是如何形成和如何消除它們是哈米迪博士論文的主題。
Hamidi說，這些都是復(fù)合材料制造中的常見問題，通常通過使用高壓釜來消除成型過程中的缺陷來解決。
展開 國產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)中的機(jī)會 ——七論國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路
最近風(fēng)電葉片碳纖維年用量超過2萬噸的現(xiàn)象引起了大家的關(guān)注，從碳纖維生產(chǎn)企業(yè)到復(fù)合材料生產(chǎn)廠家都紛紛涌入風(fēng)電行業(yè)，希冀在這個行業(yè)撈到一桶金。作者希望通過本文與大家分享對碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中大量應(yīng)用的分析，并再一次共同探討國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路。
1 風(fēng)電葉片碳纖維用量劇增現(xiàn)象的剖析
近來碳纖維復(fù)合材料界傳遞著一個喜人的消息，就在四年前一些權(quán)威大佬認(rèn)為碳纖維在風(fēng)電葉片大量使用碳纖維為時尚早，風(fēng)電行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)VESTAS瀕臨破產(chǎn)之際，2015年碳纖維在風(fēng)電葉片上的全球應(yīng)用就像2009年波音787首飛成功一樣，用量急劇增加，繼航空用碳纖維用量需求達(dá)到2萬噸之后，ZOLTEK的大絲束碳纖維變成市場上的槍手貨，需求超過2萬噸，VESTAS也轉(zhuǎn)虧為盈。在風(fēng)電葉片的碳纖維用量中，VESTAS占了80%以上。以VESTAS中國供應(yīng)商為主國內(nèi)生產(chǎn)風(fēng)電葉片碳纖維用量見表1，2018年江蘇澳盛和威海光威成了碳纖維的最大用戶，兩家的用量即將突破萬噸，市場上大絲束碳纖維供不應(yīng)求。林剛先生連續(xù)四年為大家提供了全球碳纖維市場報(bào)告，作者將其中有關(guān)風(fēng)電葉片的數(shù)據(jù)匯總見表2（2017年用量嚴(yán)兵的說法是24000噸，若按此數(shù)據(jù)修正的數(shù)據(jù)見表中括號所示）。其中風(fēng)電葉片用碳纖維與其制品的單價在此進(jìn)行了調(diào)整，從而其產(chǎn)值也相應(yīng)發(fā)生了變化，2015年以前主要采用預(yù)浸料或織物的真空導(dǎo)入，部分采用小絲束碳纖維，因此平均價格高一些，近年來主要采用大絲束碳纖維拉擠梁片，價格降低了很多。從用量和制件產(chǎn)量來看是急劇增加，但創(chuàng)造的產(chǎn)值實(shí)際上是降低了。但正因?yàn)轱L(fēng)電葉片（主要是大梁）碳纖維復(fù)合材料制品價格大幅降價，才成就了碳纖維用量的急劇增加，反映了引導(dǎo)工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用碳纖維的方向——“買得起”（Affordability）。
展開 通過定制纖維鋪放（TFP）優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料
Inside Composites與ZSK USA Inc.的技術(shù)刺繡經(jīng)理Topher Anderson博士討論了通過定制纖維鋪放（TFP）優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料的機(jī)會
碳纖維復(fù)合材料制造商在努力降低成本和優(yōu)化流程方面面臨的主要問題是什么？
Topher Anderson：雖然碳纖維的價格近年來迅速下降，但它仍然是一種昂貴且備受追捧的材料。對于下一代節(jié)省燃料的運(yùn)輸，越來越多地尋求諸如高強(qiáng)度重量比的碳纖維復(fù)合材料特性。減少車輛，飛機(jī)或航天器的重量會在其預(yù)期壽命期間顯著影響其燃料效率。碳纖維越來越多地被研究作為一些鋁結(jié)構(gòu)的替代品，特別是由于它的重量減輕。然而，碳纖維復(fù)合材料的高前期材料成本可以阻止?jié)撛诘挠脩暨m應(yīng)。
此外，傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的制造需要比鋁更多的加工參與。
在諸如樹脂傳遞模塑（RTM）的工藝中，例如，編織的碳纖維織物在CAD中進(jìn)行描繪，按比例切割，用基質(zhì)材料潤濕并使其固化成形。然而，這些過程通常更加勞動密集，并且缺乏諸如金屬銑削或金屬板彎曲之類的競爭過程中所見的自動化。
您已經(jīng)確定了TFP可以產(chǎn)生影響的一些特定領(lǐng)域，包括減少浪費(fèi)。這有多少問題？
TA：許多傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)造技術(shù)的主要材料成本之一是產(chǎn)生大量廢料。在許多使用碳纖維編織材料的手糊工藝中，廢料可以容易地占所用碳總重量的50％或更多。在用基質(zhì)材料浸漬之前，當(dāng)織物最初被切割時產(chǎn)生這種廢物。在復(fù)合材料已經(jīng)固化之后和在后處理步驟期間產(chǎn)生額外的廢物，其中形狀被進(jìn)一步精制。
TFP的獨(dú)特之處在于它能夠減少廢料，從而優(yōu)化材料成本。通過在將絲束材料縫合成所需幾何形狀時控制絲束材料的路徑，材料僅放置在最終預(yù)制件中所需的位置。在傳統(tǒng)的層壓板設(shè)計(jì)中必須切割的織物區(qū)域簡單地保持不被縫合。由于能夠符合復(fù)雜的幾何形狀，該過程減少了在切割機(jī)織織物時形成的初始廢物以及后處理廢物。
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