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[交流] 预浸料变薄后，竟然产生了这么多独特的性质及应用！

关于薄层预浸料

薄层预浸料是指厚度小于0.075 mm的预浸料，目前已进入商业化应用。相对于预浸料厚度大于0.1 mm的常规预浸料，由其铺层制成的层合板力学性能好、轻量化潜力大、高应变下的折叠结构适应性强、结构功能一体化设计自由度大，在航空航天结构设计方面具有更大的灵活性和经济性，能够进一步提高复合材料的结构效率。

超薄碳纤维，图片来源：河南工业大学吴海宏教授

CFRP层合板的薄层化效应

层合板表面平整度提高，变截面过渡区“桥架”尺寸减小、应力集中减弱，有利于降低层合板内孔隙率，提高层合板制造质量；

层合板面内碳纤维排列波纹度减小、碳纤维偏转角减小，碳纤维强度有效利用率提高，层合板力学性能提高；

树脂、碳纤维两相分布细小，裂纹扩展阻力增加，层合板抵抗抗分层损伤的能力有效提高；

采用薄、厚预浸料混杂铺层设计可以有效地调控复合材料层合板抵抗分层、冲击损伤性能。

另外：薄层化效应还受树脂韧性、树脂及纤维表面官能团结合强度等因素的影响，这些因素之间是否存在耦合、匹配效应，如何优化层厚、树脂性能、界面性能的匹配都是未来复合材料薄层化研究的重要方向。

薄层碳纤维复合材料的优势

薄壁、轻质的复合材料结构效率。在薄壁结构采用薄层可以有效地增加铺层数量，其铺层顺序具有更强的可设计性，更好地满足薄壁件力学性能的要求。

合理地利用薄层，可以有效地提高基体抵抗裂纹扩展、抑制层间开裂，从而提高复合材料抵抗损伤的能力。

通过薄层、常规层厚的混杂铺层，可以在更大范围内优化复合材料的力学性能，提高复合材料制造效率的同时，降低制造成本。

薄层复合材料在一些大型、复杂、可变形的复合材料结构制造中发挥了重要的作用，具有重要的应用价值。

薄层复合材料的典型应用

1. 在超音速飞行器中的应用

上图所示是德国航天中心联合瑞典、荷兰相关机构开展的关于超高音速飞行器轻量化的设计研究。该设计在满足飞行器性能要求的前提下，分别采用0.25 mm、0.05 mm和0.025 mm铺层结构进行了结构效率分析。分析结果显示，与0.25 mm的铺层结构相比，0.025 mm的铺层结构质量减轻38.1%；0.05 mm的铺层结构质量减轻13.2%。通过薄层化材料的应用，提高了飞行器轻量化设计水平，提高了材料的利用率。可预见在不久的未来，通过采用薄层CFRP，空间运输技术将有突破性进展。

1. 卫星用可折叠结构中的应用

上图所示为Sergio Pellegrino等开发的一种新的卫星用可展开反射器样件。该反射器表面由沿其边缘铰接的CFRP薄板形成的曲面构成，展开后弧长7.9 m，宽度3.2 m，厚度仅为0.3 mm，所用预浸料厚度为0.04 mm。对折叠部分复合材料薄板进行了弯曲测试，如图右上方所示。结果表明，在满足反射器各方面性能要求的同时，重量上用薄层复合材料制造的反射器是传统的复合材料反射器的28.57%，折叠后的体积仅为展开后的1/20。由于薄层CFRP在制造轻量化、高强度、低成本、高精度卫星用可折叠结构方面的优势，在美国、欧盟受到了极大的关注。

3. 薄层复合材料在大型液体燃料储存罐中的应用

上图所示为美国国家航空航天局与波音公司共同开发的大型复合材料低温储罐，该储罐除了满足低温力学性能（–195℃）、环境性能、力学性能等要求之外，还要具有好的密封性能且防止液体燃料的渗漏，同时还要满足轻量化的设计要求，该结构复合材料铺层方式如图所示。在该储罐复合材料铺层中，使用了0.14mm常规预浸料和0.07mm的薄层预浸料组合，常规层厚可以快速铺放，从而提高制造效率，薄层起到抵抗微裂纹，降低孔隙率，防止液体燃料渗漏，并配合增韧环氧树脂有效提高储罐的力学性能。该设计和分析表明，当达到 5000 με 极限应变水平时，与铝–锂储液罐相比，重量减轻了39%，成本降低了25%，有效地降低了孔隙率，解决了非热压罐（OOA）成型的渗漏问题。

薄层预浸料本身的性能与质量是薄层层合板性能的基础。如何评价薄层预浸料的性能与质量，目前还处在探索当中。此外，薄层化对复合材料电、磁、热等功能性能有什么影响，结构设计工艺性与常规层厚复合材料有什么不同等一系列问题仍然需要大量的基础工作。

注：本内容来源于河南工业大学吴海宏教授，如有需要进一步了解薄层碳纤维增强树脂基复合材料研究及应用进展，可以与小编联系，或者直接与吴老师沟通。

2022复合材料界面1.jpg

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