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碳纤维在结构设计中的应用

2023-5-9 12:59| 发布者: 正树| 查看: 609| 评论: 0

摘要: 如果你上网查“碳纤维的应用”,千篇一律的给你写,轻呀,结实呀,漂亮呀等等,所以我不讲这些废话,咱也别讲英文呀,缩写之类没营养的玩意,写写我们在设计一款产品中,结构上碰上的问题。对于一些高级产品的设计, ...

如果你上网查“碳纤维的应用”,千篇一律的给你写,轻呀,结实呀,漂亮呀等等,所以我不讲这些废话,咱也别讲英文呀,缩写之类没营养的玩意,写写我们在设计一款产品中,结构上碰上的问题。

对于一些高级产品的设计,碳纤维的使用,实在太有用了,这也算是这个项目中,我们学到最有用的知识点。

我要讲几个事:

1,强度

2,对比钢

4,胶水

5,加工

以前,不知道从哪个笨蛋那听来,钢筋混凝土为什么结实,因为钢筋抗拉,水泥抗压,这就纯粹胡说八道。

最主要原因是混凝土的成本低,这才是根本,钢筋混凝土永远比不上铜墙铁壁,拿个方钢砸你们家墙试试,一定是墙坏。

因为,钢是各向同性材料。

而碳纤维板,是各向异性材料。钓鱼线,你拉不断,想打成卷,太容易了,这就叫不同方向,性能不同,它抗拉不抗弯。“各向异性”是这么个意思。

碳纤维丝,就是这么个东西。

碳纤维板是什么呢,就是钢筋混凝土,纤维丝,你把它当成钢筋,混凝土,它换成了树脂,这个词叫“预侵料”。

如果没有混凝土,所有强度,都只能计算钢筋的抗拉强度,由于掺杂了混凝土,比如一半钢筋,一半混凝土,当然抗拉,只有纯钢筋的一半。(这句话不太严谨,应该还有混凝土的强度)

所以,纤维板的抗拉,必然不如纤维丝。但仍然远远高于树脂。

不锈钢的屈服强度是200Mpa,铁的屈服强度是235Mpa,纤维丝有多少?

没有屈服强度,这又是前面的各向同性,各向异性材料的概念,只有各向同性材料,才有屈服强度,纤维是只有抗拉强度,没有屈服,但如果单纯考虑抗拉,咱可以把金属的屈服,当作抗拉,纤维丝的抗拉强度达到4500Mpa,是钢的20倍。(咱先不考虑品牌呀,规格什么的)你只要记住从抗拉这点上看,纤维丝巨牛无比。

碳纤维板,由于添加了树脂(掺糖兑水的意思),抗拉强度大幅下降,但仍然能很轻易的达到钢铁的10倍。

但密度,只有钢的1/5,铝的一半(方便你记忆,这只是个约数,根据树脂的百分比,这还不一样)

知道它好在哪了?

然后咱再说糟点,抗弯

因为它只是鱼线,几乎没有什么所谓的抗弯,别的行家跟我讲,我们甚至可以只看树脂的抗弯,而完全忽略碳纤维的抗弯,树脂的抗弯有多少?它只有钢的1/3。

明白要点了吗?

假设你要应用碳纤维材料去制作什么什么产品,必须要把它的抗拉性能应用进去,因为如果你不使用它的抗拉性能,就像有人用固态硬盘当作存储器,而不用于C盘一样暴殄天物。

为什么要说胶水,因为这是个很容易忽略的地方。

查来环氧树脂结构胶很适合碳纤维,我们做技术的,不能光看它“适合不适合某某材料”这种空洞的描述。

要看参数,我们看了各种胶,能达到30Mpa剪切的已经很了不起了,30Mpa,纤维丝是4500Mpa,如果用胶水,就等于把4500Mpa,人为的降低到30,降低到铁的1/8,所以能用胶水吗?

当你做产品的时候,主要使用的,就是碳纤维的抗拉强度,那你用胶水去固定就是非常250的操作。

内裂,这是从同行那听来,让我脑筋跳起多高、心惊肉跳的拍桌子(我们设计都做完了,几万的成本都预算出去了,竟然还有这种事,所有沉孔都不能搞了,岂不是设计完蛋了)

沉孔,等于将纤维丝的一部分切断,沉入的部分,刚好是纤维丝断开的地方,做沉孔就非常危险。

经过大量的调查,内裂这个问题,假设纤维丝的方向一直,开孔在一排循序排列纤维丝中,这种内裂是合理的,但现在工艺上,纤维丝都是交错排列,横,竖,横,竖,这种垂直交错式的,(这也是为什么很多碳板的表面,自带方格自带纹理的表现)

更有优化的,横竖以外,还有增加45°斜切,或者多角度覆盖的,在知乎上有篇实验的介绍,是增加这种斜切方向,一定程度上,还能增加其抗弯能力。(仍然不高哈)

打螺纹,不成。

因为螺纹是靠螺牙,来吃强度的,碳纤维板是由一层又一层的碳布贴合而成,螺纹牙刚好等于去撕裂多层碳布很有效的工具,这是最和稀泥的玩意,腥了一锅汤的主要臭鱼。

也就是说,用碳纤维板,如果想充分利用它的性能,你只能打通孔。不能用螺纹

“碳板的物性表”,没有这种东西。

严格说,也不能算没有,供应商可以提供从0.5mm-100mm的各种厚度,他不可能去检测这么多厚度的板子,做个实验可不便宜。所以厂家,只提供碳纤维丝的物性表,树脂的物性表,而碳板的物性表,厚度问题,树脂混合百分比问题,这几乎是个无数解的结果,想要,得有大笔的钱,才做得起的实验。换句话说,碳板只能靠“试!”,或者经验。

最后,加工

碳纤维板不能用金属刀,而要用玉米刀,无数小锯齿构成的铣刀,有点像磨碎的意思。

我们的应用:

我们的产品,是一个桌面,如果是普通桌子,你用碳纤维板非常合理,因为四角是固定的,你用钉子,螺丝把碳板固定在四条腿上,当桌面承载,四角固定,就给碳板一个“拉”的趋势。所以使用碳板,非常合理。

但我们的桌子,是一款悬臂梁,假设我们用碳板来当做桌面,只有两个角可以固定,另外两个脚完全悬浮,几乎等于我们用树脂做了桌面。

用碳板,一丝好处都没有,它的抗弯强度远远不如镀锌管(你知道不?201的强度是要大于304的)

所以我们用方管来抗弯,但是既然是一款桌面,当然不能仅仅靠方管,如果这个面,用1mm钢板,重量高达16公斤,如果用碳板,我只要2公斤,因为方管已经承载了所有弯曲强度,我的桌面,用碳板,就可以充分利用它的抗拉能力。甚至于方管变形,表面长度是要变化的,我又进一步利用了碳板的抗拉强度来增加方管的抗弯性能。

模拟仿真,虽然纤维丝是异向性材料,但是纤维丝的铺设,几乎没有任何供应商是同向铺设的,所以抗拉,无论哪个方向都可以看成最强抗拉的4500Mpa乘以(1-树脂百分比)。如果仅计算抗拉,还是可以按照最大强度去计算。

最后总结一句,我们做产品设计,尤其是做一些非传统行业产品,碳纤维,是个好东西,也是个贵得要命得东西,好归好,咱得会用,一定要把它的抗拉利用上,才能真正发挥它的用处。


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