碳對(duì)所有生物的生存都至關(guān)重要，因?yàn)樗鼧?gòu)成了所有有機(jī)分子的基礎(chǔ)，而有機(jī)分子又構(gòu)成了所有生物的基礎(chǔ)。雖然這本身就相當(dāng)令人印象深刻，但隨著碳纖維的發(fā)展，它最近在航空航天和土木工程等學(xué)科中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的新應(yīng)用，碳纖維比鋼更強(qiáng)、更硬、更輕。因此，碳纖維在高性能產(chǎn)品如飛機(jī)、賽車(chē)和運(yùn)動(dòng)設(shè)備中取代了鋼鐵。

碳纖維通常與其他材料結(jié)合形成復(fù)合材料。其中一種復(fù)合材料就是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，它以其抗拉強(qiáng)度、剛度和高強(qiáng)度重量比而聞名。由于對(duì)碳纖維復(fù)合材料的高要求，研究人員開(kāi)展了幾項(xiàng)研究來(lái)提高碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，其中大部分研究都集中在一種叫做“纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)”的特殊技術(shù)上，該技術(shù)通過(guò)優(yōu)化纖維的取向來(lái)提高強(qiáng)度。

東京理科大學(xué)的研究人員采用了一種碳纖維設(shè)計(jì)方法，該方法可以?xún)?yōu)化纖維的取向和厚度，從而增強(qiáng)纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度，并在制造過(guò)程中生產(chǎn)出更輕的塑料，從而有助于制造更輕的飛機(jī)和汽車(chē)。

然而，光纖導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法并非沒(méi)有缺點(diǎn)。纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)只優(yōu)化了方向，保持了纖維的厚度固定，阻礙了CFRP力學(xué)性能的充分利用。來(lái)自日本東京科學(xué)大學(xué)(TUS)的ryyosuke Matsuzaki博士解釋說(shuō)，他的研究重點(diǎn)是復(fù)合材料。

在這種背景下，Matsuzaki博士和他在TUS的同事Yuto Mori和Naoya Kumekawa提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)纖維在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的位置同時(shí)優(yōu)化纖維的取向和厚度。這使得他們可以在不影響強(qiáng)度的情況下，減少CFRP的重量。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》雜志上。

他們的方法包括三個(gè)步驟:準(zhǔn)備、迭代和修改過(guò)程。在準(zhǔn)備過(guò)程中，使用有限元法(FEM)進(jìn)行了初始分析，以確定層數(shù)，通過(guò)線性層壓模型和厚度變化模型的纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了定性的權(quán)重評(píng)估。采用迭代法根據(jù)主應(yīng)力方向確定纖維取向，利用“最大應(yīng)力理論”迭代計(jì)算厚度。最后,修改流程修改會(huì)計(jì)用于可制造性,首先創(chuàng)建一個(gè)引用“基纖維叢”地區(qū)要求強(qiáng)度提高,然后確定最終的方向和厚度等安排纖維束,他們傳播包兩邊的參考。

同時(shí)優(yōu)化的方法導(dǎo)致重量減少大于5%，同時(shí)使負(fù)載轉(zhuǎn)移效率比單獨(dú)使用纖維定向?qū)崿F(xiàn)更高。

研究人員對(duì)這些結(jié)果感到興奮，并期待著未來(lái)將他們的方法用于進(jìn)一步減輕傳統(tǒng)CFRP零件的重量。Matsuzaki博士說(shuō)，我們的設(shè)計(jì)方法超越了傳統(tǒng)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，制造更輕的飛機(jī)和汽車(chē)，這有助于節(jié)能和減少二氧化碳排放。

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