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复合材料前沿技术专题:一文了解新型仿生复合材料的技术特点及其典型应用实例

2022-11-17 16:535970
 作为一种新型仿生复合材料技术,Helicoid™技术能够提高先进复合材料的性能,使结构更轻,同时实现优异的成本效益和可持续性。
 
Helicoid™技术的部署与实施,可以在不改变原材料(纤维和树脂)、不改变制造工艺的情况下实现。因此,在不中断供应链的情况下实现了效益。
 
在本文中先会介绍Helicoid™技术特征,随后简要介绍了该技术在复合材料领域三个应用实例。
 
Helicoid™ 技术
 
 
Helicoid™技术是由加州大学河滨分校的研究人员研发的一种新技术,该技术主要是基于微小甲壳类动物结构的新型仿生复合材料,这种独特的结构可防止裂缝扩大并消散大量撞击能量。
新的Helicoid™技术创造了一种结构类似于扭曲胶合板的材料,它是从一种在海洋中生存了几个世纪的生物借来的。螳螂虾进化出一种内部结构来保护它用来粉碎猎物的锤状棒,这种被称为螺旋体的独特结构包裹在螳螂虾的球杆内,保护它免受损坏,因为它向硬壳猎物提供粉碎性打击。
 
 
 
加州大学河滨分校 (UC) 化学与环境工程与材料科学与工程教授 David Kisailus 和他的团队发现,使用这种螺旋结构制造复合材料和组件可以生产更轻、更坚固、更耐冲击的产品。
 
 
 
随后,加州大学河滨分校的技术合作办公室 (OTP) 领导该大学的技术转让、行业合作和创业工作。OTP 团队、科学家和其他人与 Helicoid Industries 合作,支持该项目的筹款和许可,实现了 Helicoid 获得该技术的许可,更多该技术情况介绍可延伸阅读原文。
 
 
 
实例一
 
该技术的个实用案例是Helicoid Industries Inc.、TPI Composites,Inc.和SAERTEX GmbH(德国塞尔贝克)之间的合作,重点是电动汽车(EV)电池组车底保护板的机械性能,该保护板采用创新的E-glass Helicoids™技术并通过向多轴非卷曲织物注入热固性树脂来制备得到的。
电动汽车保护外壳的关键机械要求主要是为了抵抗道路冲击,以保证电池模块的生存能力和完整性。具体而言,这些要求包括抗穿孔、减少纤维碎裂(即高结构完整性)和减少冲击下的挠度。
 
 
 
使用Helicoid™技术进行原型制作和测试结果表明,与使用相同纤维类型和树脂系统的同等重量下的商业设计相比,Helicoid™的冲击强度提高了25%,冲击时大挠度降低了20%。
 
 
 
这些结果主要是通过工程设计玻璃纤维的铺层角度,从传统的准各向同性铺层到生物灵感螺旋铺层,从而实现可定制的刚度和抗冲击性能来实现的。纤维破坏在受到冲击时得到抑制,因此该解决方案具有高度的结构完整性,在重量和成本节约方面具有前所未有的潜力。
 
 
 
实例二
 
 
第二个用例展示了Helicoid™纤维结构可以为增长快的复合材料领域之一——纤维增强热塑性复合材料——提供优异的性能改进。这些材料的强度和硬度与热固性复合材料相同,但具有更好的能量吸收、抗疲劳性和可回收性,它们处理起来也快得多。
这些特性使Helicoid™技术非常适合大规模生产。在与三井化学欧洲有限公司的合作中,在Airborne公司的支持下,TAFNEX©碳纤维/PP层压板采用了Helicoid™ 技术,与传统的层压板相比,该技术实现了抗多次冲击性能90%以上的提升。
 
 
 
这与Helicoid™纤维结构和热塑性塑料基体系统所实现的修复功能一起,为实现“以少做多”,提高成本效率和可持续性铺平了道路。
 
 
实例三
 
在2022年10月17日至10月20日于阿纳海姆举行的年度CAMX会议上,Helicoid Industries Inc.获得了杰出技术论文奖得主。该论文由Helicoid-Industries技术和运营总经理Lorenzo Mencatelli博士撰写,重点介绍了第三个使用案例,描述了天然纤维复合材料现在如何得到成功应用。
 
 
 
在与新加坡国立大学的合作中,Helicoid Industries已经证明Helicoid™技术可以成功地提高一系列天然纤维复合材料及其混合材料的抗冲击性能。
 
 
 
该研究包括对几种Helicoid™技术配制的深入分析,包括具有不同亚麻/玻璃比的亚麻/玻璃共同增强复合材料。主要成果包括在使用50%质量的天然亚麻纤维的情况下,其综合性能大大优于100%的玻璃纤维复合材料,而天然亚麻纤维的碳足迹降低了50%。
 
 
 
其他一些关键性能的提升包括故障前“预警区域”增加60%,峰值负荷前储能增加105%,射孔能量增加32%,冲击强度增加14%。这是在复合材料结构部件中建立生物材料应用的步,也是通往更可持续的复合材料产业的途径。
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