纳米纤维增韧膜在碳纤维汽车复合材料冲击吸能的应用浅析
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碳纤维汽车重量仅是钢材的四分之一，与塑料制品相比，其强度是塑料制品的几十倍。碳纤维增强复合材料最早用于F1方程式赛车，这让赛车变得更轻、更快、更安全了。而后因在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性，且有较好的耐水性和抗老化性，无论在腐蚀性的环境还是恶劣的露天，潮湿的环境下都能正常作业，其使用寿命可达25年以上而后不断用于民用汽车。
人类在追求速度是没有极限的，汽车也在不断尝试突破更快的时速，但是碳纤维复合材料冲击吸能安全性是设计人员首要考虑的问题。
2014年银石赛道碳纤维法拉利赛车如2014年银石赛道莱科宁的事故，其中一辆全身碳纤维增强复合材料法拉利赛车以每小时240公里的速度急速撞到赛道中的防护墙，瞬间的冲击力高达47g，随后被弹回赛道，然后再撞到了对面的护栏上，最后赛车驾驶员只是略受轻伤，自己爬出了赛车。但如果这是一辆普通的金属汽车，那么赛车手的安全性可想而知。相对于传统金属材料，碳纤维赛车在性能和安全保障方面有着跨越式的优势。
无论是赛车还是民用汽车，最核心的市场定位就是碳纤维复合材料冲击吸能安全性和速度。对于赛车车身和其他可减轻重量的结构件，我们希望能有一种强度和韧性都很好的材料，既结实又不容易碎，碳纤维与一般的钢材对比，即有超过钢的强度，又有一定的断裂韧性，如我们熟知的钻石和玻璃，强度相当高，但是韧性非常低，一碰就碎，一砸就烂。另外橡胶材料，比如我们常见的轮胎，韧性很好，轻易不会断裂，但是没有钢的强度。
图中纵轴 Strength 就是抗拉强度，而横轴 toughness 就是断裂能量，右上角深紫色的 composites 纤维复合材料和淡紫色的 metals and alloys 金属材料。由此图我们可以看到，FRP 碳纤维增强复合材料和传统的金属材料的韧性，抗冲击性相差不大。比如同样是金属材料，铜的韧性强于钢材，但是强度却明显低于钢材，而低合金钢的强度相比钢材有大幅提升。
汽车在碰撞中会产生很大的冲击力，如果材料有较好能量吸收能力，这样会使伤害降至最低。这就需要提供碳纤维韧性增强的能力，国内外有着较多的研究和试验，欧洲正在使用一种如大连义邦Xantu.Layr纳米韧性增强纤维膜在F1一级方程式赛车和超级跑车的碳纤维预浸料中，目的是为提高增韧及抗冲击性能。Xantu.Layr很容易被树脂浸湿，与环氧树脂和聚酯树脂系统兼容从而降低了脆性，同时也增加了环氧树脂在复合材料增强层之间的裂纹吸收特性。在某些情况下，添加纳米纤维可以将抗分层性提高170％，碳纤维复合材料冲击吸能提高20％。
随着碳纤维汽车市场的稳步发展，中国品牌汽车企业在经过数年市场历练、技术积累、产业升级后，纷纷推出高端品牌。从环境角度考虑，汽车轻量化可以节约1/4油耗，碳纤维增强复合材料能更加提高汽车轻质高强的特点，在此之后，这种使得赛车变得更轻、更快、更安全的材料再也没有离开过汽车的舞台。
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碳纤维汽车重量仅是钢材的四分之一，与塑料制品相比，其强度是塑料制品的几十倍。碳纤维增强复合材料最早用于F1方程式赛车，这让赛车变得更轻、更快、更安全了。而后因在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性，且有较好的耐水性和抗老化性，无论在腐蚀性的环境还是恶劣的露天，潮湿的环境下都能正常作业，其使用寿命可达25年以上而后不断用于民用汽车。
人类在追求速度是没有极限的，汽车也在不断尝试突破更快的时速，但是碳纤维复合材料冲击吸能安全性是设计人员首要考虑的问题。
2014年银石赛道碳纤维法拉利赛车如2014年银石赛道莱科宁的事故，其中一辆全身碳纤维增强复合材料法拉利赛车以每小时240公里的速度急速撞到赛道中的防护墙，瞬间的冲击力高达47g，随后被弹回赛道，然后再撞到了对面的护栏上，最后赛车驾驶员只是略受轻伤，自己爬出了赛车。但如果这是一辆普通的金属汽车，那么赛车手的安全性可想而知。相对于传统金属材料，碳纤维赛车在性能和安全保障方面有着跨越式的优势。
无论是赛车还是民用汽车，最核心的市场定位就是碳纤维复合材料冲击吸能安全性和速度。对于赛车车身和其他可减轻重量的结构件，我们希望能有一种强度和韧性都很好的材料，既结实又不容易碎，碳纤维与一般的钢材对比，即有超过钢的强度，又有一定的断裂韧性，如我们熟知的钻石和玻璃，强度相当高，但是韧性非常低，一碰就碎，一砸就烂。另外橡胶材料，比如我们常见的轮胎，韧性很好，轻易不会断裂，但是没有钢的强度。
图中纵轴 Strength 就是抗拉强度，而横轴 toughness 就是断裂能量，右上角深紫色的 composites 纤维复合材料和淡紫色的 metals and alloys 金属材料。由此图我们可以看到，FRP 碳纤维增强复合材料和传统的金属材料的韧性，抗冲击性相差不大。比如同样是金属材料，铜的韧性强于钢材，但是强度却明显低于钢材，而低合金钢的强度相比钢材有大幅提升。
汽车在碰撞中会产生很大的冲击力，如果材料有较好能量吸收能力，这样会使伤害降至最低。这就需要提供碳纤维韧性增强的能力，国内外有着较多的研究和试验，欧洲正在使用一种如大连义邦Xantu.Layr纳米韧性增强纤维膜在F1一级方程式赛车和超级跑车的碳纤维预浸料中，目的是为提高增韧及抗冲击性能。Xantu.Layr很容易被树脂浸湿，与环氧树脂和聚酯树脂系统兼容从而降低了脆性，同时也增加了环氧树脂在复合材料增强层之间的裂纹吸收特性。在某些情况下，添加纳米纤维可以将抗分层性提高170％，碳纤维复合材料冲击吸能提高20％。
随着碳纤维汽车市场的稳步发展，中国品牌汽车企业在经过数年市场历练、技术积累、产业升级后，纷纷推出高端品牌。从环境角度考虑，汽车轻量化可以节约1/4油耗，碳纤维增强复合材料能更加提高汽车轻质高强的特点，在此之后，这种使得赛车变得更轻、更快、更安全的材料再也没有离开过汽车的舞台。
碳纤维自行车制造复杂，树脂韧性的提升也是解决设计不足的一种方式
但是对于碳纤维自行车因各自材料不同，设计不同，所产生的工艺也有一定的差别，如碳纤维自行车在制造过程中，碳纤维部件非常容易断裂，也就是人们常说的担心为自行车韧性不容便宜的钢架或铝合金自行车。
碳纤维自行车的设计及工艺方式非常复杂，大连义邦在与国内外知名自行车制造商长期的沟通并跟踪测试进展，经过不同制造商和Xantu. Layr纳米纤维膜供应商的测试反馈，碳纤维自行车结构件是由多向纤维或单向纤维交替铺贴组合而成，多个部件可以在不同程度的交叉和重叠处分层，以非常严格地控制自行车车架任何给定点所需的性能属性和强度。
碳纤维只有叠层才能实现一个方向上比另一个方向更强，碳纤维强度取决于纤维的方向。一般自行车碳纤维铺层角度由+45°、-45°、+90° 和 -90°，每台碳纤维自行车由至少500个形状各异的碳纤维布铺贴而成。所以碳纤维结构设计比较复杂，除了复杂的设计，碳纤维预浸料树脂韧性的提升也是解决设计不足的一种方式。
大连义邦纳米纤维膜Xantu.Layr复合材料韧性增强材料可以充当脆性树脂基体的纳米级增强物质，由静电纺丝制备的多孔性聚合物纳米纤维添加在复合材料层之间，预浸料复材制件在制备和使用过程中应力集中区域主要集中在层间，因此在层间加入韧性材料往往可以有效地抑制层压板的分层。最终形成更坚韧的树脂，在受到压力或冲击时不易发生微小裂纹导致层间开裂。
#碳纤维自行车# #复合材料# #自行车#
但是对于碳纤维自行车因各自材料不同，设计不同，所产生的工艺也有一定的差别，如碳纤维自行车在制造过程中，碳纤维部件非常容易断裂，也就是人们常说的担心为自行车韧性不容便宜的钢架或铝合金自行车。
碳纤维自行车的设计及工艺方式非常复杂，大连义邦在与国内外知名自行车制造商长期的沟通并跟踪测试进展，经过不同制造商和Xantu. Layr纳米纤维膜供应商的测试反馈，碳纤维自行车结构件是由多向纤维或单向纤维交替铺贴组合而成，多个部件可以在不同程度的交叉和重叠处分层，以非常严格地控制自行车车架任何给定点所需的性能属性和强度。
碳纤维只有叠层才能实现一个方向上比另一个方向更强，碳纤维强度取决于纤维的方向。一般自行车碳纤维铺层角度由+45°、-45°、+90° 和 -90°，每台碳纤维自行车由至少500个形状各异的碳纤维布铺贴而成。所以碳纤维结构设计比较复杂，除了复杂的设计，碳纤维预浸料树脂韧性的提升也是解决设计不足的一种方式。
大连义邦纳米纤维膜Xantu.Layr复合材料韧性增强材料可以充当脆性树脂基体的纳米级增强物质，由静电纺丝制备的多孔性聚合物纳米纤维添加在复合材料层之间，预浸料复材制件在制备和使用过程中应力集中区域主要集中在层间，因此在层间加入韧性材料往往可以有效地抑制层压板的分层。最终形成更坚韧的树脂，在受到压力或冲击时不易发生微小裂纹导致层间开裂。
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复合材料结构耐久性、损伤容限的选材和材料设计
断裂韧性是应用线弹性断裂力学在各向同性材料中建立的描述材料抵抗裂纹扩展能力的力学性能参数。
这是因为层间性能主要取决于基体性能，基体韧性的提高可有效提高G1c 和G11C，从而可抑制分层、减少冲击后损伤面积，对复合材料而言，可提高材料整体结构韧性，(如飞机机翼、油箱、螺旋桨叶、飞机结构件等),防止冲击后漏油，赋予复合材料更高的击穿能量值，使其在高能量冲击下不易被击穿。
如何提高复合材料的断裂韧性？
夹胶膜技术
层间夹胶膜主要时针对易受冲击结构提出的一种提高冲击阻抗或减小层间应力集中的设计方法，复合材料的碳纤维铺层之间夹入一些环氧树脂基胶膜（如大连义邦Xantu. Layr纳米纤维增韧膜）或热塑性胶膜，可提高层间断裂韧性。新一代的层间夹胶膜是采用吸水性更低的XD10作为原材料，使用静电纺丝工艺，将连续的千米长的纳米纤维沉积到沉积到离型纸上。在几乎不增加任何厚度和重量的情况下，改善复合材料的断裂韧性、冲击强度之后的压缩（CAI)和抗疲劳强度。这种技术已成功被应用于航空、F1赛车、国防军工、竞技类体育用品等复合材料结构中。
夹胶膜的铺贴方式？
利用铺层设计改善损伤容限特性，如大连义邦Xantu. Layr纳米纤维增韧膜，使用在预浸料层间，铺贴简便，在铺贴方面通常使用±45°层压板对冲击损伤和含孔拉伸相对均不敏感，所以受损后强度降要小些。此外采用不同的铺层比，甚至不同的预浸料原材料（单向带或织物）都可以获得不同的效果。
关于材料损伤容限设计总结：复合材料是非均质的材料，含有基体、纤维和界面三项，这几种相结构对于裂纹拓展的阻力不同，另外复合材料的断裂过程中通常伴随着界面脱粘、纤维桥接、纤维拨出等能量消耗过程，这便造成复合材料内部裂纹不遵循自相拟扩展的规律，即裂纹体在受到垂直于裂纹面的拉伸载荷时，裂纹沿着原裂纹面发生扩展的规律。提高复合材料的断裂韧性就是减少裂纹的扩展，改善树脂材料的韧性，增强复合材料的可设计性。
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#复合材料# #碳纤维# #航空#
断裂韧性是应用线弹性断裂力学在各向同性材料中建立的描述材料抵抗裂纹扩展能力的力学性能参数。
这是因为层间性能主要取决于基体性能，基体韧性的提高可有效提高G1c 和G11C，从而可抑制分层、减少冲击后损伤面积，对复合材料而言，可提高材料整体结构韧性，(如飞机机翼、油箱、螺旋桨叶、飞机结构件等),防止冲击后漏油，赋予复合材料更高的击穿能量值，使其在高能量冲击下不易被击穿。
如何提高复合材料的断裂韧性？
夹胶膜技术
层间夹胶膜主要时针对易受冲击结构提出的一种提高冲击阻抗或减小层间应力集中的设计方法，复合材料的碳纤维铺层之间夹入一些环氧树脂基胶膜（如大连义邦Xantu. Layr纳米纤维增韧膜）或热塑性胶膜，可提高层间断裂韧性。新一代的层间夹胶膜是采用吸水性更低的XD10作为原材料，使用静电纺丝工艺，将连续的千米长的纳米纤维沉积到沉积到离型纸上。在几乎不增加任何厚度和重量的情况下，改善复合材料的断裂韧性、冲击强度之后的压缩（CAI)和抗疲劳强度。这种技术已成功被应用于航空、F1赛车、国防军工、竞技类体育用品等复合材料结构中。
夹胶膜的铺贴方式？
利用铺层设计改善损伤容限特性，如大连义邦Xantu. Layr纳米纤维增韧膜，使用在预浸料层间，铺贴简便，在铺贴方面通常使用±45°层压板对冲击损伤和含孔拉伸相对均不敏感，所以受损后强度降要小些。此外采用不同的铺层比，甚至不同的预浸料原材料（单向带或织物）都可以获得不同的效果。
关于材料损伤容限设计总结：复合材料是非均质的材料，含有基体、纤维和界面三项，这几种相结构对于裂纹拓展的阻力不同，另外复合材料的断裂过程中通常伴随着界面脱粘、纤维桥接、纤维拨出等能量消耗过程，这便造成复合材料内部裂纹不遵循自相拟扩展的规律，即裂纹体在受到垂直于裂纹面的拉伸载荷时，裂纹沿着原裂纹面发生扩展的规律。提高复合材料的断裂韧性就是减少裂纹的扩展，改善树脂材料的韧性，增强复合材料的可设计性。
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#复合材料# #碳纤维# #航空#
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