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碳纖維憑借其出色的強(qiáng)度/重量比而在航空工程應(yīng)用領(lǐng)域受到歡迎。雖然人們在提高碳纖維復(fù)合材料如纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度方面作了很多努力，但卻只考慮了對纖維取向的優(yōu)化。現(xiàn)在，東京理工大學(xué)的研究人員們采用了一種新的設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化纖維的厚度和取向，從而減輕了增強(qiáng)塑料的重量，為開發(fā)更輕質(zhì)的飛機(jī)和汽車開辟了道路。
碳對于所有生物的生存而言都至關(guān)重要，因?yàn)樗撬杏袡C(jī)分子的基礎(chǔ)，進(jìn)而構(gòu)成了所有生命的基礎(chǔ)。雖然這本身就令人印象深刻，但是，隨著開發(fā)出比鋼的強(qiáng)度和剛性更好且重量更輕的碳纖維，近年來，航空航天和土木工程等領(lǐng)域出現(xiàn)了很多令人驚訝的新應(yīng)用，這使得碳纖維取代鋼材被應(yīng)用于飛機(jī)、賽車和運(yùn)動器材等高性能產(chǎn)品中。
碳纖維通常與其他材料結(jié)合形成復(fù)合材料，其中的一種復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），它以其高的拉伸強(qiáng)度、剛性和強(qiáng)度/重量比而出類拔萃。由于需求量大，因此，研究人員們開展了多項(xiàng)研究，以期提高CFRPs的強(qiáng)度，而且，他們將大多數(shù)的時(shí)間用在一項(xiàng)名為“纖維導(dǎo)向的設(shè)計(jì)（fiber-steered design）”的特殊技術(shù)研究上，這項(xiàng)技術(shù)可以優(yōu)化纖維取向，從而提高強(qiáng)度。
但“纖維導(dǎo)向的設(shè)計(jì)（fiber-steered design）方法并非沒有缺點(diǎn)，它只能優(yōu)化纖維的取向，但卻保持纖維的厚度不變，這極大地影響了對CFRP力學(xué)性能的充分利用。而一種同時(shí)也允許優(yōu)化纖維厚度的減重方法卻很少被考慮到。”東京理工大學(xué)專注于復(fù)合材料研究的Ryosuke Matsuzaki博士說道。
為此，Matsuzaki博士與其在東京理工大學(xué)的同事Yuto Mori 和Naoya Kumekawa一起，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的位置，來同時(shí)優(yōu)化纖維的取向和厚度，這使得他們能夠?qū)Ρ鹊群穸染€性層壓模型的重量，來減輕CFRP的重量，同時(shí)不影響其強(qiáng)度。發(fā)表在《Composite Structures》中的一篇新的研究論文介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。
他們的方法包括3個(gè)步驟：準(zhǔn)備、迭代和修正過程。在準(zhǔn)備過程中，采用有限元方法（FEM）進(jìn)行初步分析，以確定層數(shù)，通過一種線性層壓模型和帶有厚度變化模型的纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)（fiber-steered design）來進(jìn)行定性的重量評估。迭代過程是根據(jù)主應(yīng)力方向確定纖維取向，以及用“大應(yīng)力理論”來迭代計(jì)算厚度。修正過程是針對可制造性進(jìn)行修正，這包括兩步：先，在需要提高強(qiáng)度的區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)參考的“基礎(chǔ)纖維束”；然后，按照纖維束分布在參考束兩側(cè)的形式排列纖維束，以此確定終的取向和厚度。
與僅優(yōu)化纖維取向的方法相比，這種同時(shí)優(yōu)化纖維的取向和厚度的方法，實(shí)現(xiàn)了5%以上的減重效果和更高的載荷傳遞效率。
研究人員們對這些結(jié)果感到非常興奮，并期待著今后能夠通過實(shí)施自己的方法，來進(jìn)一步減輕傳統(tǒng)CFRP部件的重量。