基于方程式賽車的碳纖維力學性能分析

1、 基于方程式賽車的碳纖維力學性能分析 摘要：本項目基于fsae方程式大賽賽車性能提升的需求，以及國內(nèi)外已有的對碳纖維材料的力學性能的研究，采用力學和位移傳感器來測量碳纖維板的性能，通過對斷裂處的分析以及查找斷裂原因和機理來優(yōu)化材料的制造工藝以及性能。為賽車不同部位不同工況下的碳纖維材料的使用提供依據(jù)以及優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞：方程式賽車、碳纖維材料、斷裂分析一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢隨著航空航天飛行器各項性能的不斷提高,對結(jié)構(gòu)件用材料的性能要求也越來越高。今后日本先進復合材料的發(fā)展方向是:在增強材料方面,進一步提高碳纖維的強度和模量,降低成本;在樹脂基體方面,主要提高樹脂的沖擊后壓縮強度和耐濕

2、熱性;在復合材料成型技術(shù)方面,進一步實現(xiàn)整體成型技術(shù)、固化監(jiān)控、自動化技術(shù)及三維復合材料技術(shù),從而同時提高復合材料性能降低制造成本。美國是碳纖維生產(chǎn)大國,更是消費大國,世界碳纖維40%以上的市場在美國。美國199 6年碳纖維生產(chǎn)能力約為4500t,其中卓爾泰克(zoltek)公司1997年在美國德克薩斯州的亞平倫城和匈亞利的布達佩斯附近建了5條碳纖維生產(chǎn)線,1997年的總生產(chǎn)能力達3000t左右,一躍成為世界上生產(chǎn)碳纖維的最大集團之一。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴大和生產(chǎn)成本的下降,在增強木材、機械和電器零部件、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用必將迅速擴大。除日美之外,德國、英國和韓國也具有一定

3、碳纖維復合材料生產(chǎn)能力。據(jù)預測,今后十年世界碳纖維及復合材料需求量將穩(wěn)定高速增長。國外碳纖維及復合材料業(yè)已步入良性循環(huán),而我國目前尚不具備國際競爭能力。我國當前及今后一個時期內(nèi)最大的市場在體育用品方面。我國碳纖維及其復合材料業(yè)存在的幾個問題為:原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量低、價格高、應用基礎研究薄弱等。據(jù)悉,碳纖維是國際上20世紀70年代發(fā)展起來的高性能材料,具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、穩(wěn)定性強等特點,既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。鑒于此,碳纖維廣泛應用于航空航天、現(xiàn)代國防、汽車制造、特種機械、新型建材、體育設施等領(lǐng)域,前景廣闊。目前,我國對碳纖維的研

4、究還停留在小試、中試階段。汽車由于目前碳纖維的價格偏高,只能說是未來潛在的大市場。日產(chǎn)汽車公司的“skylinegt-r”的外裝材料已使用cfrp;豐田汽車公司自1996年秋起已將cfrp用于“mark”等3種車的內(nèi)裝材料,這兩家公司都正與東麗共同開發(fā)cfrp制車體,應用于卡車上?，F(xiàn)最引人注目的是美國的壓縮天然氣(cng)壓力容器和消防車的氧氣壓力容器。今后隨著大絲束碳纖維價格的進一步下降回收技術(shù)的確立,預期將應用于汽車的許多部件和結(jié)構(gòu)材料。碳纖維及其復合材料是伴隨著軍工事業(yè)的發(fā)展而成長起來的新型材料,屬于高新技術(shù)產(chǎn)品,具有高比強度,高比模量,耐高溫,耐腐蝕,耐疲勞,抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹

5、系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能,它既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此其近年來發(fā)展十分迅速,在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用,被譽為是21世紀的新材料。二項目研究方案通過控制變量法制作出不同型號（通過對環(huán)氧樹脂加入量和加入碳纖維布的不同量進行區(qū)分）的碳纖維符合材料板材，將板材通過實驗儀器測出強度、剛度等力學性能，對部分式樣進行破壞性實驗，通過儀器觀察斷口處情況，分析斷裂原因，從分析中得到碳纖維復合材料板的優(yōu)化方向以及優(yōu)化方法。在優(yōu)化分析之后，結(jié)合分析結(jié)論二次制造材料，進行同樣的力學實驗，與之前設計對比得出結(jié)論，驗證實驗的

6、可靠性。按照復合材料彎由性能試驗astmd7264標準，選定碳纖維復合材料層合板試件長寬厚為80mm12mm2mm,鋪層角度為0，平紋編織，共8層，試件尺小如圖1所示。基體材料為酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂，增強材料為3k碳纖維絲。按照復合材料抗拉特性試驗astmd3039標準進行0與+45層合板單軸拉伸試驗，分別獲得了表征該材料拉伸和面內(nèi)剪切性能的應力應變曲線如圖2、3所示。三點彎曲試驗裝置(jsm-5600)如圖1所示，由壓頭、試件和兩個支撐柱組成，兩支撐柱間的距離(跨距l(xiāng))為50mm,壓頭和支撐柱半徑為2mm。將試件對稱放置在兩個支撐柱上,在試件中部，壓頭以位移控制方式對層合板向下施加載荷，加載速

7、率為2mm/min。層合板試件在彎曲載荷作用下，連續(xù)加載至試件破壞，記錄載荷-位移(f-8)數(shù)據(jù)，取平均值得到如圖4所示的f-8曲線，其中8為壓頭加載點的位移，f為相應位置的施加載荷。使用掃描電子顯微鏡記錄試件不同斷裂時刻的裂紋圖像，如圖4中p、q、r三個時刻試件的橫向裂紋以及圖5中試件的層內(nèi)(厚度方向)裂紋與層間(縱向)裂紋。試件彎曲過程中，從底層逐層斷裂破壞，同時發(fā)生明顯的分層損傷，直全試件完全脆性斷裂，斷裂位置均位于試件中部。三實際應用價值分析碳纖維應用于汽車后，給汽車制造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化，最直接影響的就是節(jié)能、加速、制動性能的提升。一般而言，車重減小10，油耗降低68，排

8、放降低56%, 0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短27m。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車的安全性。碳纖維復合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復合材料2秒就能停止，故碳纖維應用在汽車上，對于整車nvh（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。參考文獻：1. 敖文宏、劉西洋、武世杰、吳迪等.碳纖維復合材料層合板三點彎曲損傷仿真研究j.機械工程學報，1-6.2. 沈真.軌道交通復合材料產(chǎn)業(yè)化之路-六論國產(chǎn)碳纖維