Chapter 01
第1章
绪论

1.1 复合材料轻量化设计简介及实践

1.1.1 复合材料的定义、基本概念、分类和轻量化设计思路

复合材料是用先进技术将大于或等于两种化学、物理性质不同的材料组分，设计合成的新材料。 以所设计的形式、比例、分布复合，各组分之间有界面，使 其具备高比模量、高比强度、可设计性、各向异性和非均质性 等特性 。 复合材料不仅有各组分材料的优点，而且通过各组分的互补和关联可获得单一材料不能达到的综合性能。

比强度（specific strength）是复合材料强度（断开时单位面积所受的力）除以其密度所得的比值，又称强度-质量比。 比强度高，即材料轻且结实。通常复合材料具有较高的比强度，以较小的截面满足强度要求，同时可减小结构本身的自重。

比模量（specific modulus）是复合材料弹性模量（在受力状态下的应力与应变之比）除以其密度所得的比值，又称刚度-质量比。 比模量高，即材料轻且变形小。比模量是材料承载能力的一个重要指标。比模量越大，零件或结构的刚性就越大，也称“比刚度”。

轻量化的目的是以 最少的消耗 ，取得 最大的功效 。复合材料轻量化设计是跨学科的工程科学，由复合材料、人工智能、计算材料学、结构分析及轻量化等领域的知识构成。轻量化目标是在给定的边界条件下，设计适当成本的轻质结构、连接技术等，如图1.1所示，实现结构自重的最小化，同时，满足寿命和可靠性等要求。 轻量化包含轻量化设计、轻量化材料与轻量化制造等，其中轻量化设计是基石，如图1.2所示。

复合材料轻量化设计思路包括：

1） 力导入-力平衡 设计中应使受力直接导入到主承载结构上，力无绕行，大面积导入，直接支承，将不对称的设计考虑改为对称设计或反对称设计，开口结构考虑改为闭口结构。

2） 设计大面积惯性矩与阻力矩 在承受弯曲、扭转和压弯载荷的设计中，在小面积上实现大的惯性矩与阻力矩，也就是说剖面形状因子要大。建议将较多的材料从结构中心移开，即从实心横截面到空心横截面、再到“三明治”设计。

3） 轻质 通过松散的构造，加固小横截面面积的平面支承结构。使用带有加强肋、“三明治”结构的刚度要比实心的支承结构的刚度要高出很多。

4） 本构、弯曲、屈曲与后屈曲 通过本构、弯曲设计提高直盘和直板的抗弯刚度、压弯刚度和翘曲刚度，引入压槽来强化会发生弯曲损坏的构件，增加面积惯性矩，消除失稳趋势。

5） 加固性 考虑正剪切与负剪切效应，兼顾次应力影响， 在主应力方向进行加固设计， 并引入正交各向异性或各向异性设计提高结构在主方向上的刚度。

6） 一体化 轻量化遵循一体化原则，降低模具成本、节省材料，提高安全性。

7） 引入空腔 在保持刚度不变的条件下减重，可在承受小载荷的区域引入“释放孔”。

8） 人工智能挖掘设计潜力 在安全前提下实现轻量化，但安全裕度不能盲目过大，在动态载荷复合材料智能轻量化设计中，除了以上的思路外，还需要达到预定的使用寿命、性能、工艺精度及制造要求等，如图1.3所示。

复合材料包含基体和增强纤维，其基体可分为金属基和非金属基两大类。金属基有铝、镁、铜、钛及合金等，非金属基有合成树脂、橡胶、陶瓷及石墨等。增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维及石棉纤维等。

复合材料的分类方法有许多种，其中一种方法是根据组分的类型（基质和增强材料）进行分类。根据增强材料的形状，可以将复合材料分为纤维、晶须和微粒。根据基质材料的类型，可以将复合材料分为以下几类：聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composites，PMC），金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC），陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，CMC）碳和石墨基复合材料（Carbon Graphite Matrix Composites，CGMC）。按不同的宏细观结构、材料与功能等，不同的复合材料的典型分类方式如图1.4所示。

1.1.2 火星无人车/机与太阳探测器的复合材料轻量化设计

毅力号火星无人车质量约1000kg，毅力号火星车轮用以铝为主的形状记忆合金复合材料制造，如图1.5所示。相比于好奇号火星车，毅力号缓缓弯曲的花纹胎面性能更高，能更好地承受尖锐岩石的压力，在火星沙地上行驶时，抓地力更好，如图1.5所示。给火星车配无人机的难点在于轻量化设计。火星表面重力只有约地球1/3，看似对飞行友好，但火星大气非常稀薄，只有地球的约1%，所以无人机在火星上获得起飞所需升力非常困难，这相当于该无人机在地球上3万m以上高空起飞。地球生活航拍无人机飞行高度有限，根据地球空气动力学设计的无人机，在火星上却飞不起来。若想在火星上起飞，无人机必须采用轻量化设计，螺旋桨转速也要更快，旋翼达到2800r/min才能保障正常飞行。而在地球大气层中，旋翼旋转速度只需280r/min就可轻松且平稳飞行。机智号无人机叶片采用高硬度细长碳纤维泡沫芯复合材料，薄如蝉翼。但其飞行的距离及高度依然有限。机智号将在毅力号着陆后60～90个火星日后进行飞行稳定测试，预计飞行约5次，每次飞行90s，它携带的锂电池很轻，且顶部携带太阳能电池板，如图1.5所示，可为锂电池充电。

帕克探测器用于探测太阳及能量特性，如图1.6所示。目前帕克探测器为太阳近距离人造天体（距离约为610万km），它需要承受很高的温度，面向太阳一面温度约1200℃，但内部仪器正常运转需30℃左右的外部环境。探测器防热盾由两个碳材料的复合层和中间碳泡沫构成。防热盾朝向太阳的一面还涂了一层特殊白色涂层，以尽量反射来自太阳的能量。和普通碳纤维不同之处在于，碳-碳结构不是通过硬化树脂聚合在一起的，太阳附近的高温会使得硬化树脂蒸发。为此用“切碎的碳纤维”作为填充材料，通过约3000℃的烘烤使得结构成形，得到碳-碳结构的纯碳物质。除了隔热，这种轻量化复合材料还具有很高的强度。碳泡沫是防热盾重要结构，减少了热传导，使内部空间保持良好环境。碳纤维隔热复合材料在火星车及韦伯望远镜上也有应用，如图1.6所示。

1.1.3 古代轻量化结构的思路启发

目前，轻薄大型弧形合金零件很难设计和制造。研究人员在修复秦铜车马时，发现其顶棚厚度仅为几毫米，是基于一次性铜液浇灌技术形成的轻量化结构，如图1.7所示。这些大型青铜器轻质结构，目前仍持续给科学家们的轻量化设计思路以巨大启发。无独有偶，古代轻量化建筑结构及演化历程，也不断给纤维增强复合材料的轻量化设计带来新的持续性的研究思路启发，如图1.8所示。

1.1.4 航空复合材料的轻量化设计

随着航空技术的进步，复合材料在飞机上已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展，这体现了复合材料轻量化设计在航空领域的发展思路。航空复合材料总体设计框架如图1.9所示。飞机结构可用的复合材料设计如图1.10所示。航空发动机复合材料总体设计框架，如图1.11所示。

随航空技术发展，飞机复合材料用量越来越大，如图1.12所示。碳纤维复合材料的密度（见表1.1）约是铝的1/2，钢的1/5，强度约为钢铁5倍，可耐受约2000℃以上高温，且具备低热膨胀系数，热容量小（节能），抗热冲击性，抗腐蚀与抗辐射性能等特点。其在很多溶剂中不溶解，在隔绝空气的惰性环境中（常压下）遇到高温不会熔融，因此得到广泛应用。

波音787是一款规模使用碳纤维复合材料的客机，如图1.13所示。B787采用两台翼吊发动机，两侧机翼上布置有一对外侧副翼、一对襟副翼、七对扰流板，以及前缘缝翼、后缘襟翼等增升装置。尾翼布置有一块水平安定面、一对升降舵和一块方向舵。它以复合材料为主体材料，不仅减小了机身质量，而且提高了飞机抗疲劳和抗腐蚀性能。B787机身蒙皮、框、长桁、地板梁、龙骨梁、机翼根部、机翼蒙皮及翼肋等主要结构件全部采用碳纤维复合材料。其中机身、尾翼采用了碳纤维层合板结构；升降舵、方向舵等活动面采用了碳纤维层合板夹芯结构；整流罩部位采用了玻璃纤维层合板夹层结构。其结构质量中复合材料约占50%，铝约占20%，钢铁约占10%，钛合金约占15%，其他约占5%。波音787复合材料机身强度高于铝合金，复合材料部件形状大而复杂，共减少约1500个钣金件和40000～50000颗铆钉。其发动机轻量化后，变得更小（由绿色尺寸变为蓝色尺寸），其中复合材料发展起着推动作用。

空客A380所用复合材料约占其质量的25%，其两侧机翼上布置有3对副翼、8对扰流板，及前缘缝翼、后缘襟翼等增升装置。尾翼布置有1块水平安定面、2对升降舵和2块方向舵，获得了减重收益。A380复合材料轻量化结构设计与失效模式如图1.14所示。

空客A350约80%的结构采用了复合材料、钛及铝合金等，其中，复合材料占比约52%，如图1.15所示。空客A350拥有较高复合材料成熟度，降低了燃油消耗和排放，维护和使用成本下降。

复合材料应用水平不断得到提升，用量占比越来越高，很多飞机都在机翼、尾翼等结构中大量使用复合材料，如图1.16所示。同样，为了应对复杂的工作情况，航空发动机也大量采用复合材料结构，如图1.17所示。

复合材料电动推进系统被全球航空产业视为能改变航空格局、突破现有瓶颈的技术。近年，全球民用客货飞机的设计表现出了强烈趋同性：圆筒机身，大展弦比后掠翼安装在机身底部，机翼下吊挂2～4台发动机（主要是2台）。在当前推进原理下，目前布局兼容传统机场地面设施，赋予飞机在结构重量、气动效率及座舱体验等方面全面优化。但若跳出涡轮/涡扇发动机对飞机设计的限制，采用高性能电机动力系统，现有飞机设计上的很多缺陷都可被根除，很多已经被认为难以继续提高的性能指标还有非常大提升空间。 现有涡轮发动机热效率已接近设计极限， 从热效率上看，涡扇发动机热效率目前只有约40%，提升空间小，而每一次小幅度性能提升都代价昂贵。若将涡扇发动机换成电机驱动涵道风扇，如图1.18所示，飞机推进系统对能量利用效率就可得到很大提升。为节约成本，飞机一直倾向于数量少、推力大的双发动机方案，但其中也隐含相当高的安全风险（如鸟击引起双发失效），也限制了飞机性能设计，不能充分利用发动机的吸气和喷流过程，对机翼进行减阻增升。相比目前主流设计，分布式推进系统能释放飞机总体设计灵感。与涡轮/涡扇发动机不同，电机效率与自身尺寸相关性很弱，而且和飞机机体间不需复杂的油液、气路及机械传动连接。因此，电动飞机可用多个小尺寸涵道风扇来满足总推进功率。同时，由于电机可靠性远高于涡轮发动机，而且多电机布局下，即便1～2个电机失效，对飞机整体动力影响有限。在分布式布局下，把整个机翼都做成夹层结构，在机翼中间铺一层小直径电驱动涵道风扇，能够提升机翼气动效率，并有效降低噪声。但目前，类似电动汽车的发展历程，制约飞机推进系统电动化的瓶颈同样在于电池的储能密度过低。目前锂电池能量密度约为200W·h/kg（0.72MJ/kg），而航空煤油燃烧值则高于42.5MJ/kg，在能量密度上比电池强。因此，目前商用电池对飞机来说还是太重。

随着飞机吨位与航程的不断提升，重量不断增加的电池组会迅速抵消掉飞机完全电动化带来的性能提升收益。因此，未来如果电池储能密度无法实现大幅提升，在中大型飞机领域传统燃油动力系统依然具备优势。由于在充电和储能密度方面，现有电池尚未实现革命性突破，因此，人们将目光投向了“烧油→发电→电机推进”的 混合动力 方案。这是目前中大型飞机能兼得“燃油储能+电推进”的现实轻量化技术方向，亮点在于其混动系统使用超导复合材料磁体，其在相同转矩、功率等指标下，让电机体积更小，且重量更轻。

1.2 高分子复合材料的发展路径

随着树脂基体性能的不断提高和先进工艺技术的逐步应用，复合材料的应用趋势由小尺寸次承力结构到大尺寸主承力结构方向发展。在新能源领域，玻璃纤维/碳纤维增强等复合材料的应用范围由非承力和次承力结构发展到主承力结构。在风力发电和电动汽车方面应用碳纤维复合材料产业注入了新活力，复合材料在交通和汽车产业领域应用前景广阔。复合材料轻量化设计随着复合材料的应用，朝着一体化、多元化及智能化发展。高分子复合材料指碳/芳纶/玻璃纤维等增强环氧/酚醛/双马来酰亚胺树脂等复合材料，综合性能优异，安全性高。高分子复合材料是高端装备物质基础，在航天/航空装备等的轻质结构、烧蚀防热部件上发挥着不可替代作用，主要应用于高超声速、近空间及深空探测飞行器等。复合材料在智能制造、交通、新能源车辆等领域也有着广泛应用，如图1.19所示。目前，碳纤维复合材料面向智能制造及新能源车辆的技术成为研究焦点。

防弹衣在遭遇子弹打击时产生局部变形，将子弹动能分散到表面，通过形变吸收子弹动能，将动能转化为热能，同时将子弹冲击力分散到更大面积，最大限度保护身体。凯夫拉是一种芳纶纤维，它最初被发明是为代替汽车轮胎中的钢丝网，即“帘子布”，如图1.20所示。芳纶纤维耐热且坚固，这是因为其分子间有非常多的氢键将羟基和NH中心相连接，这使得其分子间结构非常牢固。同样由于氢键的作用，凯夫拉纤维的分子呈现平面的片状结构，这比其他丝状结构的聚合物纤维强度要高许多。通过将多层凯夫拉纤维织物缝制粘合在一起，就可以得到强度很高但重量比钢板轻得多的防弹装备了。与钢板的另一个区别是，凯夫拉纤维的防弹是通过更大幅度的形变来实现的。在由凯夫拉制成的防弹背心中，一层层交错的纤维一点点地消耗子弹动能，直到由最后一层织物来将子弹兜住。如果只用凯夫拉纤维复合材料做防弹衣，那么这意味着它将产生更大的变形甚至断裂，身体受伤甚至折断肋骨却是常有的事，这是减轻重量而付出的代价。这明显不可行，因此，科学家引入碳化硼陶瓷来平衡凯夫拉的变形及断裂，做成防弹衣产品。

碳化硼陶瓷与碗碟陶瓷不同，它是由硼和碳结合而成的晶体。碳化硼维氏硬度约为38GPa、弹性模量约为460GPa，是高硬度物质，密度约为2.52g/cm ³ ，比钢要轻许多，因此是高级防弹装甲的理想材料，如图1.21所示。与钢板和凯夫拉纤维受冲击变形不同，陶瓷装甲在子弹强大动能的撞击下会发生局部破碎。由于其破碎的范围比受冲击面要大得多，因此得以分散子弹的压强，与此同时，子弹大部分动能被陶瓷吸收，通过碎片之间相互摩擦作用转化为热能。陶瓷防弹装甲可抵抗动量很高的步枪子弹。尽管自身不会发生弯曲形变，但它的碎片会构成扇形冲击面，如果没有东西“兜底”，依然有可能造成伤害。因此陶瓷-凯夫拉复合材料轻量化装甲应运而生。复合材料防弹衣在受到子弹撞击时产生形变或破碎，从而将子弹大部分动能转化为热能来实现防护。同时，防弹衣还通过分散子弹的冲击面，降低其压强来减小伤害。好的防护与轻的负担是一对矛盾，战场上子弹的速度常高达800m/s以上，动量很大，可轻易穿透约5mm厚钢板，不能指望士兵每天背负着几十公斤重的护具战斗。因此，复合材料轻量化防弹装甲应运而生。凯夫拉纤维-碳化硼陶瓷复合材料装甲不但提供防护，而且将重量控制在可接受范围，是现代防弹背心始终追求的复合材料轻量化设计目标。

玻璃纤维复合材料已形成从纤维、基体到复合材料的完整产业链。由于发电风机叶片玻璃纤维增强聚合物复合材料在风机迎风状态下，气流会依照导流罩的流线型均匀分流，故称导流罩，也称为轮毂罩、轮毂帽等。轮毂罩，指风机轮毂的外保护罩。分体型玻璃钢导流罩是由罩体部件和罩头部件连接而成，树脂基体的发展已进入有序稳定期。在复合材料轻量化设计上，航空和航天复合材料技术已经进入成熟期，风力发电和汽车领域的应用为碳纤维复合材料产业注入新的活力，热塑性复合材料在轨道交通和汽车产业中的应用前景广阔。采用玻璃纤维编织物和不饱和聚酯树脂等复合材料，如图1.22所示。

飞机、卫星和探月项目等实施需要高强、高模碳纤维及其复合材料进行保障。在航空、航天、海洋装备、船舶、交通、新能源汽车、新信息技术产业、数控机床、机器人及医疗器械等多个领域，复合材料是关键落地抓手。在风电叶片的梁帽和主梁上使用碳纤维复合材料，一方面可使叶片自重减少，成本降低；另一方面提高叶片抗疲劳性能，提高输出功率，以碳纤维为材质更易生产大直径自适应叶片。

节能减排是汽车产业的重要研究课题，轻量化是解决问题的关键。先进高分子复合材料由于具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点，现已应用于汽车结构。碳纤维是碳元素含量在90%以上的纤维状材料，其中以聚丙烯腈（PAN）纤维为前驱体得到的聚丙烯腈基碳纤维较为重要，包括丙烯腈（AN）聚合物、PAN原丝、PAN纤维预氧化、PAN预氧纤维碳化以及为与树脂复合进行表面处理等。碳纤维制造状况如图1.23所示。

树脂基复合材料在客机、风电和汽车等领域的大规模应用尚未完全破局，复合材料产业落地尚未形成系统规模。增强材料、树脂基体等原材料的研究分散，超材料、石墨烯等新技术仍处于理论设计或实验验证阶段，离实际工程规模应用要求仍然存在差距。复合材料发展仍存在规模设计欠缺、资源整合不够、重要跨学科领域综合设计能力不足及技术共享不充分等问题，尚未形成通用化、系列化、标准化体系，缺少支撑未来技术发展的高性能产品。

最近，以汽车与物流为主的交通领域为复合材料发展注入了新活力。低碳、绿色经济对碳纤维复合材料应用的拉动效益显著，推动产业跨入到以工业应用为主的新阶段。环氧树脂是由环氧氯丙烷与双酚缩聚而成的热固性树脂，由它用作复合材料的基体树脂在复合材料中占重要地位。与高温固化相比，中温固化具有固化温度低、对模具精度要求不高、内应力小、尺寸稳定等优点，具有广阔发展空间。为避免固化后的环氧树脂产生韧性差、脆性强等问题，需要对其进行增韧改性，包括橡胶类弹性体增韧、热塑性聚合物增韧、热致液晶聚合物增韧等。另外，还需要对环氧树脂进行阻燃改性，近年来无卤阻燃剂得到广泛研究与应用。分子结构中带有一定量N、Si或P元素的功能单体，用作阻燃环氧树脂的反应性单体或固化剂，使树脂复合材料具有较好的阻燃性，如图1.24所示。

由于环氧树脂具备优异的耐化学性、热稳定性以及强度和刚度，使其广泛应用于航空、航天、电子等领域，作为结构黏合剂、储能纤维增强复合材料等。然而对于高密度交联结构，塑性变形受到限制，固化的环氧树脂显示出较差的断裂韧性，通过掺入增韧相可提高环氧树脂的断裂韧性，但目前挑战是，增韧填料应分散在基体树脂中以提高效率，如图1.25所示。因此，填料分散和填料与基体之间的界面相互作用是决定复合材料性能的主要因素。

酚醛树脂是由酚类化合物（如苯酚）和醛类化合物（如甲醛）缩聚而成的热固性树脂，常见的酚醛树脂是以苯酚和甲醛缩聚而成的聚合物，如图1.26所示。酚醛树脂脆性大、延伸率低，且其结构上的酚羟基和亚甲基易氧化。为满足航空、航天及其他工程技术领域对酚醛树脂的性能要求，需进行增韧改性和耐热改性。在目前已有的改性酚醛树脂中，硼酚醛树脂将硼元素引入到酚醛树脂分子结构中，使酚醛树脂呈现出高氧指数、低毒、低烟等特点。特种树脂基体主要有双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、苯并 嗪树脂等。这些特种树脂具有良好的耐热性、阻燃性、耐辐射、透波性、电绝缘性和机械性能，被认为是具有广阔发展前景的一类热固性聚合物基体树脂，有望成为环氧树脂的继任者，在航空和航天领域得到广泛应用。特种树脂基体复合材料在实际应用时需解决两大技术难题：①通过共聚、共混或其他方式，改善树脂的加工性能，解决固相高温固化成型带来的脆性大、易断裂等问题；②在确保材料具有足够高的耐热性能、力学性能和强度的同时，提高韧性，制备集强度、韧性、耐热性、加工性等优异性能于一身的复合材料，满足航空、航天及其他领域使用要求。

1.3 智能复合材料轻量化设计

随着人工智能、大数据及云计算等新技术的快速发展，对集成电路需求也越来越多。人们将16nm芯片作为基础器件以后的时代称为“后摩尔时代”。随着加工尺寸不断缩小，微电子学科正在转向纳电子学科，沿着延续摩尔、拓展摩尔、超越摩尔与丰富摩尔的路径不断向前发展，如图1.27所示。芯片集成电路特征尺寸的缩小及相应典型复合材料产品如图1.28所示。

在集成电路复合材料器件与结构设计中，正在研发、并期待量产的技术主要依赖于高频、高速、高功率、抗辐照及耐高温器件使用的稀土材料，如图1.29所示。集成电路芯片专用设备主要是7nm以下工艺必备的光刻机，且要不断提高刻录机的数值孔，如图1.30所示。集成电路的技术沿革如图1.31所示。

2010年诺贝尔物理学奖令石墨烯近年来在技术和市场上炙手可热。石墨烯是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状薄膜，厚度仅为0.34nm。当科学家将一张碳原子薄片叠在另一张碳原子薄片上，在它们之间施加1.1°的旋转，然后将原子晶圆冷却到接近绝对零度时，就变成了完美的电子导管。在双层石墨烯中，实现了电子有规律无摩擦的流动。人们将三层石墨烯上下片对齐，中间片旋转1.56°，就实现了超导特性，扭曲的三层石墨烯携带电子的能力证实了双层芯片系统并非偶然。石墨烯拥有约97.7%的透光率，而且熔点高达3652℃，注定了其将在集成电路领域大有可为，石墨复合材料轻量化结构设计如图1.32所示。

超材料是指具有天然材料所不具备的性能的人工复合材料。微结构材料的特性是由其微观上的几何布局，而不是化学成分决定的。超材料的性能主要靠的不是它们的材质，而是结构。超材料由人工复合材料（例如金属或聚合物）制成的多种组元组装而成，其结构以重复的模式排列，其尺度小于它们所影响现象的波长。得益于超材料精确模型、几何形状、尺寸、取向和排列等特点，使其具有操控物理波、振动等的智能特性，即通过阻挡、吸收、增强或弯曲波来获得超越传统材料所具备的性能，如图1.33a所示。例如，气凝胶是一种内部有很多空隙的固态物质，里面充满了空气，把它拿在手上看上去就像凝固的烟，在阳光的照射下气凝胶几乎透明，重量也非常轻，密度只有同样原材料二氧化硅玻璃的千分之一，只要一抽掉空气这些气凝胶密度甚至比空气还低。非常轻盈。这种材料看起来脆弱不堪，但其实非常坚固牢靠，气凝胶可承受超过自身重量1000倍的压力。气凝胶具有纳米级的孔隙，这使得不管是冷空气还是热空气都很难穿透它们，是一种热导率极低的固体。因此，气凝胶也被用作芯片系统及工艺设备的隔热材料，如图1.33b所示。

1.4 仿生复合材料的轻量化结构与设计启发

1.4.1 植物的复合材料轻量化结构及启发

在丰富多彩、五光十色的大自然植物世界里，轻量化构造以最小能源消耗方式出现，重量轻，寿命长，且能够保持一定刚度和强度。自然界轻量化原则是： 适合躯体的质量在遇到大载荷的地方，自然地优先生长；在承受小载荷的地方，材料则自然地减少。 这个演化规律极大地启发了科学家和工程师们。并且，硅化木轻量化结构及演进历程也再次证实了自然生长的轻量化原则，如图1.34所示。自然界种子、花及果实等重要植物结构也遵循了这个规则，并且为仿生高韧性复合材料提供了新思路与解决方案，如图1.35所示。木材也是典型的植物轻量化材料，作为丰富的环境友好的轻质模板材料，可以进行大量工程化及产业化落地，如图1.36所示。木材被认为是由平行的中空管状结构组成，从横截面来看，它由近似平行的多层结构组成，具有丰富的垂直层间连接，其剪切性能分析，如图1.37所示。去除木质结构中的基质如木质素和半纤维素可产生便于功能化的多孔结构，然后通过轻量化实验台架测试提高木质复合材料的剪切性、刚度、强度、耐久性及断裂韧性等，如图1.38所示。

1.4.2 类肌腱水凝胶的多尺度轻量化设计

跑步一直是大众参与多、受欢迎程度高、简便易行的运动。但令人遗憾的是，研究显示这项运动的伤痛发生率高，其中又以膝痛为常见。导致膝痛原因很多，跑姿不正确、体重大、跑量多、缺乏力量及不重视恢复等，这些都是导致膝痛的因素，从而导致慢性损伤。跑步是周期性运动，蹬地、腾空、摆腿、着地、支撑等阶段周期重复出现，在跑步的整个过程中，哪个环节受力大，就是容易引发伤痛的关键环节，处理好这个环节就能很大程度解决伤痛问题。在跑步过程中，脚每次着地会对地面形成2～3倍体重的作用力，此时地面会形成相等的、反方向的力。看起来，着地所引发的冲击力是应力集中并且不断积累的。从脚后跟着地至脚掌离开面过程中地面反作用力的变化，明显有两个峰值。第一个峰值（称为被动峰值）是脚后跟接触地面的瞬间，地面给脚和小腿的反作用力（脚后跟着地跑者的数据），冲击力峰值基本上反映出了此时地面对脚和小腿冲击力的大小（图1.39）。第二个峰值（主动峰值）出现在着地的中间时刻，此时冲击力来自脚支撑身体的重量。第二次冲击力峰值比第一次大且持续时间长。无论后脚跟着地还是前脚掌着地，都会受到至少2倍于体重的冲击力，但能够通过合理的技术降低冲击力对人体的伤害。

硬着陆方式，如图1.39所示，着地时膝关节处于伸直状态，着地点远离身体重心。在着地瞬间，膝关节处于锁死状态，着地瞬间所带来的冲击力没有经过缓冲就直接作用于膝盖，自然就容易导致膝关节损伤。如果水平虚线代表重心距离着地点的距离，这个距离过大则说明跑姿存在明显问题，造成着地点远离重心，令人体受到地面冲击力的直接作用。着地时膝关节保持伸直状态可能与两个因素有关，一是步频过慢（低于150步/min），二是甩小腿跑。因此，要想减少着地时地面的冲击力，必须在着地时保持膝关节处于弯曲状态，并通过着地后膝关节积极下压，依靠肌肉而非骨骼来缓冲地面冲击力。适当缩小步幅，让着地点更加靠近重心。从高处跳下，如果着地瞬间你的下肢关节都是伸直的，会受到很大地面冲击力，甚至引发骨折，但如果落地时膝关节保持弯曲并积极屈膝屈髋屈踝，就可以有效缓冲地面冲击力。

水凝胶是以水为分散介质的复合材料，具有交联网状结构，能够吸收大量水，具有良好柔性且能保持一定形状，也能通过物理化学方法修饰实现多功能。这些特点使其在组织培养、伤口敷料、人造肌肉、软体机器人及可穿戴器件等方面得到了广泛应用。但水凝胶由于交联松散、固含量低及结构等原因而显得不够强韧、弹性不好且不耐久，难以用于要求长寿命、高负载及大变形的实际应用领域。动物体内肌腱含水量也很高，但肌腱强度、韧性以及耐久性都很好。人类正常运动，肌腱会用超百万次，但性能不会有影响，原因是肌腱在多个长度尺度都具有各向异性结构，这些结构多级组装，赋予了肌腱优秀的机械性能。受此启发，科学家提出改进水凝胶性能策略——冷冻辅助盐析处理，可让水凝胶在从毫米至分子水平的不同长度尺度上产生多级各向异性结构，从而提高水凝胶韧性、强度和耐疲劳性。以聚乙烯醇水凝胶为模型，能有效改善水凝胶的密度、结晶度和内部网络结构，提升机械性能，这为水凝胶的实际应用提供了良好基础。

为了提高水凝胶的性能，人们尝试了多种结构工程和分子工程方法，例如电纺丝、挤出、冷冻成型、机械拉伸以及自组装、诱导疏水性聚集等。定向冷冻成型可使水凝胶在较大尺度上（微米至毫米）具有各向异性结构，同时提高分子密度。而简单添加特定离子来改变聚合物聚集态，可在相同的聚合物组合物形成模量对比结构。科学家结合定向冷冻成型和随后的盐析处理，在从毫米至分子水平的不同长度尺度上协同产生水凝胶结构（如图1.40所示），构建了具有分级各向异性结构的高强度、高韧性、可拉伸且耐疲劳的水凝胶。该方法从复合材料多尺度和各向异性结构的角度对水凝胶进行调控，使水凝胶在从毫米到分子水平的多个长度尺度上具有多层次和各向异性结构，如图1.40所示。提高水凝胶内部网络的复杂程度，同时提高结晶度和密度。以聚乙烯醇水凝胶为模型，所得水凝胶具有良好的强度、韧性和耐疲劳性，该方法对其他材质水凝胶依然适用，这些特点使其在仿生肌肉软体机器组织系统等方面得到应用（如图1.41所示），为设计新型高性能水凝胶提供了轻量化技术基础。

1.4.3 外骨骼装备的轻量化设计

骨骼密度虽小，但有橡胶性能的骨胶原与节支弹性蛋白来形成稳定性。外骨骼结构的刚度则通过轻量化设计来形成，该结构具有高抗弯刚度和翘曲刚度。遵循自然轻量化法则会在许多方面给轻量化设计指明方向，如图1.42所示。

1.4.4 飞鸟复合结构轻量化

蜂鸟飞翔时两翅急速拍动，快速有力而持久，频率可达50次/s以上。这使其善于在空中悬停，它的动态力学特性如图1.43所示。通过仿生轻量化设计，可将类似结构应用于无人机和仿生机器人。仿生大型鸟的飞行结构特征，通过复合材料轻量化设计后，可设计出飞机的轻量化结构特征，如图1.44所示。

1.4.5 荷叶疏水复合材料轻量化分析

荷叶微观表面有很多μm尺度蜡质乳突结构。用电子显微镜观察，可以发现微结构表面又附着更小纳米尺度颗粒，这些称为荷叶微-纳米尺度双重结构，这类结构排列紧密，在其周围形成了类似于气垫结构，就是这些气垫造成了荷叶疏水的特点，如图1.45所示。接触角决定水滴和物体的接触面积，绿线与红线之间的角度就是接触角。接触角越大，水滴越趋向于规则圆形，容易滚动；接触角越小，接触面越大，水滴就不易流动。若把荷叶浸在水下10m左右一段时间，由于压力的作用，气垫内的空气被排出，荷叶就会变得亲水。超疏水性荷叶的表面有一层茸毛（微米尺度结构）和一些微小的乳突（纳米尺度结构），水在这些纳米级的微小颗粒上因接触角极小，不会大面积沾染，而是形成一个个球体，就是看到荷叶上滚动的雨水或者露珠。滚动的水珠会带走叶子表面的灰尘，从而清洁了叶子表面。两种不相容的液体，或液体与气体之间会存在表面张力，表面张力是由分子间拉住彼此的力产生的，这种力使得液体的表面类似于处于绷紧状态下的弹性膜，具有收缩的趋势，使得液体表面积尽可能小。而球体的比表面积最小，因此液体的形状要具有小比表面积，自然形成球。由于重力作用，球体会有变形，荷叶表面的水滴就形成了。

1.4.6 铁锭甲虫复合材料的轻量化结构分析

在骨骼、牙齿和贝壳等天然物品中发现的材料，通常具有特殊的机械性能，能以传统工程材料无法达到的方式将强度、韧性和自愈能力等性能结合起来。这些优异的性能部分归因于材料的层次，更重要的是，不同尺度的材料之间的契合结构导致了协同强韧化机制。因此，许多人都致力于发展受自然启发的层次结构复合材料。铁锭甲虫（ironclad beetle），以其坚硬的外壳闻名于世，在遭到踩踏乃至汽车碾压后仍能幸存，轻量化外壳使它能支撑149N的力，食肉动物或者鸟类面对它都无从下嘴，不仅磕牙影响口感，而且吞下去就像咽了一颗石子。在压力实验中科学家发现，它可以承受约3.9万倍于自身体重的压力。仅2cm长的铁锭甲虫就像一个六条腿的小坦克，通过CT扫描、显微镜图像、三维打印模型和计算机模拟分析铁锭甲虫装甲，终于揭示了其高强度的秘密。在对铁锭甲虫的研究中，科学家发现其外壳角质层中，是由比较常见的多糖α-甲壳素的分子与蛋白质结合形成纤维，纤维聚集成扭曲的螺旋状排列，这种扭曲排列的纤维堆积，使角质层具有多层微观结构，使其具备一定的坚固性且能够吸收能量。

但甲壳质角质层的成分性质，仍不足以解释其超级抗压的特性。科学家发现恶魔铁锭甲平均压力载荷为（133±16）N，约为其自身体重的3.9万倍，一方面是其外骨骼的上半部分和下半部分之间的一系列连接，在边缘上有一些凸脊锁契合在一起，而且接触面呈现出三种不同类型的侧向支撑，将腹侧角质层连接到鞘翅上：叉指式、闭锁式和独立式。叉指关节在压缩下表现最坚硬、最结实，而闭锁和独立式的支撑使外骨骼在压缩时可以发生一些形变，缓冲压力。第二个关键特征，是其背部刚柔并济的接头或缝合结构，其沿甲虫背部中线延伸，连接起左侧和右侧厚实的装甲。科学家将这里的一系列凸起物，称为“刀片”，它们可以像拼图玩具一样装配在一起，将两侧紧密相连。而且这些刀片包含由蛋白质粘合在一起的组织层，具有较高的抗损伤性以及自我修复性。

当用一定的力挤压甲虫时，每个“刀片”层之间的蛋白质胶中会形成微小的裂纹，但是科学家表示，那些小的裂纹，类似于可自愈的“骨折”，这些“刀片”能够有效吸收冲击而不会完全折断，保护体内的软组织。上层坚固而具有的交叉状支撑物的坚固结构，可用于保护甲虫的重要器官不被压碎；在上下链接部分，柔顺的闭锁式和独立式的支撑物则允许外骨骼变形，类似于可调高低的汽车悬架，从而使甲虫能够挤入岩石或树皮的缝隙中。

铁锭甲虫如此强悍，原因在于它有一种特殊结构：鞘翅。所谓鞘翅，就是指昆虫的外骨骼前翅，金龟子和瓢虫身上就有这样的结构。鞘翅质坚而厚、抗挤压，常会硬化为不透明的角质，并不能用于飞行，主要是起到保护作用。这种优异的性能往往是由于材料具有从分子到宏观层面的几个不同尺度的复杂分层结构。对于节肢动物（包括昆虫和其他节肢无脊椎动物）来说，其外骨骼主要包括三层——最外层的防水表皮和两个为机体提供保护和机械支持的内部角质层。在两个角质层中，多糖的分子与蛋白质结合形成纤维，纤维再组合成扭曲的螺旋状排列，这样的结构令节肢动物的外骨骼有韧性、可以吸收冲击能量、耐损伤。为科学家们的研究提供了一种新思路。

鞘翅呈椭球形，由复杂且有层级的多个界面形成。图1.46中绿色的cross section字样是指铁锭甲虫的横截面，黄色elytra字样就是重点观察对象鞘翅。鞘翅富含蛋白质，但不含甲壳类动物外骨骼中常有的无机矿物质，而且其外壳相比其他昆虫的外壳要厚得多，这有助于其外骨骼吸收能量。采用微型计算机断层摄影成像技术，继续观察外骨骼界面的显著特征，如图1.46所示，鞘翅和腹侧角质层（甲虫最下方外壳）相连接处有三种不同类型（交织型、闭锁型和独立型）侧向支撑；两个鞘翅间有一个坚硬的关节，即缝合线。正是坚硬的交织型支撑保护了甲虫的重要器官免受挤压，而闭锁型和独立型支撑使得外骨骼可以在特定情形下实现变形，使得铁锭甲虫可以挤进岩石或树皮的缝隙中。这一发现可用于发展有韧性、抗冲击、抗压的材料。为此，科学家们利用仿生复合材料制作了一种连锁缝合线。与常用的工程接头相比，这种材料的确有着相当大的韧性。模仿甲虫的外骨骼，使用3D打印技术制作了具有层压结构的锯齿形叶片，并将其与两种缺乏这种结构的叶片进行对比，结果显示，受甲虫启发的叶片比其他两种叶片更加坚硬，并且还能够吸收更多能量。

通过研究铁锭甲虫主要身体部位坚固的接头和接口，可用类似的轻量化结构改进飞机涡扇。从各种甲虫微观结构与形态层面上，进行仿生设计与电镜实验等，如图1.47所示，是复合材料性能与功能设计的创新思路之一，目前发展较快的有层状结构、网状结构、微孔结构与梯度结构等。

1.4.7 复合材料仿生机器

科学家从青蛙的结构中获得灵感，将多种材料进行仿生复合，在一定程度上打破了强度和塑性的牵制，获得了同时具备优异刚度和强度的仿生机器蛙，如图1.48a所示。虎豹身体在跑动中，具备高强度、耐冲击及减振等特性，其软体结构在减振、吸声、吸能方面有着特殊的功效，进行仿生复合材料轻量化设计，可获得抗冲击、减振、耐疲劳的软体复合材料仿生机器，如图1.48b所示，可应用于交通、工程机械、航空航天等工业装备领域。

1.5 复合材料轻量化成型技术

喷射成型工艺 属于低压成型工艺，使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后，通过压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶锟按压，然后固化成型。喷射成型是为改进手糊成型而创造的一种半机械化成型工艺，在工作效率方面有一定程度的提高，但依然满足不了大批量生产，通常被用以制造汽车车身、储罐的过渡层。

缠绕成型 是将经过树脂胶液浸渍的连续纤维或布带按一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模成为复合材料制品的工艺。碳纤维缠绕成型可充分发挥其高比强度、高比模量以及低密度的特点，可用于制造圆柱体、球体及某些正曲率回转体或筒形等结构简单的碳纤维制品。

树脂转移模塑成形 （Resin Transfer Molding，RTM）技术是一种低成本复合材料的制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。RTM技术具有高效、低成本、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，可应用于体积大、结构复杂、强度高的复合材料制件的成型，已经成为近几年复合材料加工领域研究最为活跃的方向之一。

液态成型 将传统液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期。但这种工艺的应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础，属于高分子材料和近代高新科学技术的交叉范畴，目前的应用范围还不是很广。

树脂膜渗透成型工艺 的主要优点是模具比RTM工艺模具简单，树脂沿厚度方向流动，更容易浸润纤维，没有预浸料，成本较低。但所得制品尺寸精度和表面质量不如RTM工艺，空隙含量较高，效率也稍微低一些，适合生产大平面或简单曲面的零件。

真空辅助成型工艺 的优点是原材料利用率高，制件修整加工量少，不需要预浸料，成本较低，适用于常温或温度不高的大型壁板结构件生产。

模压成型 将碳纤维预浸料置于上下模之间，合模将模具置于液压成型台上，经过一定时间的高温高压使树脂固化后，取下碳纤维制品。这种成型技术具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，适用于批量化、强度高的复合材料制件的成型。但前期模具制造复杂，投入高，制件大小受压机尺寸的限制。

注塑成型 是一种新型技术，将传统的“多步法”工艺集成为“一步法”，大大缩短了工艺流程，并且更好地保留了纤维长度，达到节能高效生产的目的。通过材料-装备-制造中的配方优化、混配系统、智能控制系统和成型工艺参数优化等一系列关键技术，满足了汽车轻量化对制品强度、成本、效率等方面的需求。

湿法铺层成型 的主要流程是在模具工作面上涂敷脱模剂、胶衣，将剪裁好的碳纤维预浸布铺设到模具工作面上，刷涂或喷涂树脂体系胶液，达到需要的厚度后，成型固化、脱模。在制备技术高度发达的今天，该工艺仍以工艺简便、投资低廉、适用面广等优势在石油化工容器、贮槽、汽车壳体等领域广泛应用。其缺点是质地疏松、密度低，制品强度不高，而且主要依赖于人工，质量不稳定，生产效率低。

真空热压罐 将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料放在热压罐内，在一定温度和压力下完成固化过程。热压罐是一种能承受和调控一定温度、压力范围的专用压力容器。坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面，然后依次用多孔防粘布（膜）、吸胶毡、透气毡覆盖，并密封于真空袋内，再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。固化制度的制定与执行是保证热压罐成型制件质量的关键。真空热压罐成型工艺具备很多优点，不仅可固化不同厚度的层合板和制造复杂曲面的零件，力学性能也可靠。但相应地，真空热压罐成型也有一些缺点，例如制件大小会受到热压罐的尺寸限制，并且耗能较高，导致加工成本也比较高。

真空导入 的主要流程是在模具上铺“干”碳纤维复合材料，然后铺真空袋，并抽出体系中的真空，在模具腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。在真空环境下树脂浸润碳纤，制品中产生的气泡极少，强度更高、质量更轻，产品质量比较稳定，而且降低了树脂的损耗，仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，能较好地控制产品厚度。一般应用于汽车工业中的各类车顶、挡风板、车厢等。

感应加热 是将感应器集成在模具中的新型感应加热工艺，可以在20～400℃的温度下加工碳纤维，通过热传导利用集成在模具内部的感应器来加热模具表面。采用电磁感应可以迅速加热模具，并能很好地控制局部温度。其优势是显著减少了加工周期和部件成本。但是目前该种技术尚不适合大型部件，而且要求产量必须足够大。

层压成型 是将逐层铺叠的预浸料放置于上下平板模之间加压加温固化的成型工艺，这种工艺可以直接继承木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流变性能进行改进与完善。层压成型工艺主要用来生产各种规格、不同用途的复合材料板材。具有自动化程度高、产品质量稳定等特点，但是设备一次性投资大。

拉挤成型 将浸渍树脂胶液的连续碳纤维丝束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是生产过程可完全实现自动化控制，生产效率高。拉挤成型制品中纤维质量分数可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的特性，产品强度高，其制成品纵、横向强度可任意调整，可以满足制品的不同力学性能要求。该工艺适合于生产各种截面形状的型材，如工字型、角型、槽型、异型截面管材以及上述截面构成的组合截面型材。

复合材料，尤其是碳纤维复合材料以它的低密度、高性能、抗腐蚀等诸多优势而越来越受到汽车业的青睐，特别是新能源汽车当然碳纤维复合材料的成本高、制作周期长等缺点对于汽车工业来说还是有不少劣势，也是目前不能广泛应用在汽车上的主因，但随着技术的进步，未来在汽车上的应用也会越来越广。

1.6 复合材料SMC等模压成型技术

近年来发展较为迅速的原子层沉积方法在半导体工业中有着较多的应用，比较传统的还有化学气相沉积方法、自组织生长方法等。因此，虽然大家目前制作光学薄膜普遍使用的是物理方法，也不能忽视了化学方法的可取之处，在解决制作难题时，不可一味采用现有技术和手段，要用更广阔的思维视角去看待问题，处理问题，不断创新解决问题的方法。片状模压料（Sheet Molding Compound，SMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围，如图1.49所示。SMC是目前国际上应用最广泛的成型材料之一，用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊浸渍短切纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压料。

SMC作为一种发展迅猛的新型模压料，具有许多特点：①重现性好，不受操作者和外界条件的影响；②操作处理方便；③操作环境清洁、卫生，改善了劳动条件；④流动性好，可成型异形制品；⑤模压工艺对温度和压力要求不高，可变范围大，可大幅度降低设备和模具费；⑥纤维长度40～50mm，质量均匀性好，适于压制截面变化不大的大型薄壁制品；⑦所得制品表面光洁度高，采用低收缩添加剂后，表面质量更为理想；⑧生产效率高，成型周期短，易于实现全自动机械化操作，生产成本相对较低。

SMC作为新型复合材料，根据具体用途和要求的不同又发展出系列新品种，如①高强度模压料（Hight Molding Compound，HMC）和高强度片状模压料（XMC）主要用于制造汽车部件。HMC中不加或少加填料，采用短切玻璃纤维，纤维含量为65%左右，玻璃纤维定向分布，具有极好的流动性和成型表面，其制品强度约是SMC制品强度的3倍。XMC用定向连续纤维，纤维含量达70%～80%，不含填料。②模塑成型技术，包含模塑料、注射模塑机械和模具三种含义。其制品既保持了较高的强度指标，又具有优良的外观和很高的生产效率，综合了SMC和HMC的优点，获得了较快的发展。

SMC的原材料由合成树脂、增强材料和辅助材料三大类组成。合成树脂为不饱和聚酯树脂，不同的不饱和树脂对树脂糊的增稠效果、工艺特性以及制品性能、收缩率、表面状态均有直接的影响。SMC对不饱和聚酯树脂有以下要求：①黏度低，对玻璃纤维浸润性能好；②同增稠剂具有足够的反应性，满足增稠要求；③固化迅速，生产周期短，效率高；④固化物有足够的热态强度，便于制品的热脱模；⑤固化物有足够的韧性，制品发生某些变形时不开裂；⑥较低的收缩率。增强材料为短切玻璃纤维粗纱或原丝。在不饱和聚酯树脂模塑料中，用于SMC增强材料的目前只有短切玻璃纤维毡，而用于预混料的增强材料比较多，有短切玻璃纤维、石棉纤维、麻和其他各种有机纤维。在SMC中，玻璃纤维含量可在5%～50%之间调节。辅助材料包括固化剂、表面处理剂、增稠剂、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂、填料和交联剂。

SMC生产的工艺流程主要包括树脂糊制备、上糊操作、纤维切割沉降及浸渍、树脂稠化等过程，其工艺流程为：①将不饱和聚酯树脂和苯乙烯倒入配料釜中，搅拌均匀；②将引发剂倒入配料釜中，与树脂和苯乙烯混匀；③在搅拌作用下加入增稠剂和脱模剂；④在低速搅拌下加入填料和低收缩添加剂；⑤在配方所列各组分分散为止，停止搅拌，静置待用。连续法是将SMC配方中的树脂糊分为两部分，即增稠剂、脱模剂、部分填料和苯乙烯为一部分，其余组分为另一部分，分别计量、混匀后，送入SMC机组上设置的相应贮料容器内，在需要时由管路计量泵计量后进入静态混合器，混合均匀后输送到SMC机组的上糊区，再涂布到聚乙烯薄膜上。

浸渍和压实：经过涂布树脂糊的下承载薄膜在机组的牵引下进入短切玻璃纤维沉降室，切割好的短切玻璃纤维均匀沉降在树脂糊上，达到要求的沉降量后，随传动装置离开沉降室，并和涂布有树脂糊的上承载薄膜相叠合，然后进入由一系列错落排列的辊阵中，在张力和辊的作用下，下、上承载薄膜将树脂糊和短切玻璃纤维紧紧压在一起，经过多次反复，使短切玻璃纤维浸渍树脂并赶走其中的气泡，形成密实而均匀的连续SMC片料。SMC片材的质量对成型工艺过程及制品质量有很大的影响。因此，压制前必须了解料的质量，如树脂糊配方、树脂糊的增稠曲线、玻纤含量、玻纤浸润剂类型、单重、薄膜剥离性，硬度及质量均匀性等。按制品的结构形状，加料位置，流程决定片材剪裁的形状与尺寸，制作样板裁料。剪裁的形状多为方形或圆形，尺寸多按制品表面投影面积的40%～80%。为防止外界杂质的污染，上下薄膜在装料前才揭去。

设备的准备：熟悉压机的各项操作参数，尤其要调整好工作压力和压机运行速度及台面平行度等。模具安装一定要水平，并确保安装位置在压机台面的中心，压制前要先彻底清理模具，并涂脱模剂。加料前要用干净纱布将脱模剂擦均，以免影响制品外观质量。对于新模具，用前必须去油。每个制品的加料量在首次压制时可按下式计算：加料量=制品体积×1.8，加料面积的大小，直接影响到制品的密度程度料的流动距离和制品表面质量。它与SMC的流动与固化特性、制品性能要求、模具结构等有关。一般加料面积为制品表面积的40%～80%。过小会因流程过长而导致玻纤取向，降低强度，增加波纹度，甚至不能充满模腔；过大则不利于排气，易产生制品内裂纹。加料位置与方式直接影响到制品的外观、强度与方向性。通常情况下，加料位置应在模腔的中部。对于非对称复杂制品，加料位置必须确保成型时料流同时达到模具成型内腔各端部。加料方式必须有利于排气。多层片材叠合时，最好将料块按上小下大呈宝塔形叠置。另外，料块尽量不要分开加，否则会产生空气裹集和熔接区，导致制品强度下降。在加料前，为增加片材的流动性，可在100～120℃下预热操作。这一点对成型深拉形制品尤其有利。

当料块进入模腔后，压机快速下行。当上、下模吻合时，缓慢施加所需成型压力，经过一定的固化制度后，制品成型结束。成型过程中，要合理地选定各种成型工艺参数及压机操作条件。成型温度的高低，取决于树脂糊的固化体系、制品厚度、生产效率和制品结构的复杂程度。成型温度必须保证固化体系引发、交联反应的顺利进行，并实现完全的固化。一般厚度大的制品所选择的成型温度应比薄壁制品低，这样可防止过高温度在厚制品内部产生过度的热积聚。如制品厚度为25～32mm，其成型温度为135～145℃。而更薄制品可在171℃下成型。成型温度的提高，可缩短相应的固化时间；反之，当成型温度降低时，则需延长相应的固化时间。成型温度应在最高固化速度和最佳成型条件之间权衡选定。SMC成型温度在120～155℃之间。成型压力SMC成型压力随制品结构、形状、尺寸及SMC增稠程度而异。形状简单的制品仅需25～30MPa的成型压力；形状复杂的制品，成型压力可达140～210MPa。SMC增稠程度越高，所需成型压力也越大。成型压力的大小与模具结构也有关系。垂直分型结构模具所需成型压力低于水平分型结构模具。配合间隙较小的模具比间隙较大的模具需较高压力。外观性能和平滑度要求高的制品，在成型时需较高的成型压力。成型压力确定应考虑多方面因素。SMC成型压力在3～7MPa之间。SMC在成型温度下的固化时间（也叫保温时间）与它的性质及固化体系、成型温度、制品厚度和颜色等因素有关。固化时间一般按40s/mm计算。对3mm以上厚制品，每增加4mm，固化时间增加1min。由于SMC是一种快速固化系统，因此压机快速闭合很重要。若加料后，压机闭合过缓，那么易在制品表面出现预固化补斑，或产生缺料、或尺寸过大。在实现快速闭合的同时，在压机行程终点应细心调节模具闭合速度，减缓闭合过程，利于排气。

1.7 复合材料连接技术

对于传统金属材料结构而言，零件之间通常采用焊接的连接方式，其工艺成熟，传递载荷性能优异。相对金属结构而言，复合材料由于其材料、工艺等方面的特性，无法采用传统的连接方式，为保证各部件制件载荷的有效传递，必须采用合理的连接方式来解决，如图1.50所示。因此，连接设计是保证在复合材料结构性能的关键环节之一。

机械连接优点：①便于检查，可靠性高；②可重复装配，维修性好；③无残余应力；④受环境影响小。缺点：①制孔后孔周部位局部会出现应力集中，降低了连接效率；②打孔后层压板局部强度下降，需局部加厚；③制孔要求较高；④有电化学腐蚀的风险。

胶接优点：①无钻孔引起的应力集中，层压板强度不受影响；②抗疲劳、密封减振、绝缘性好；③组织裂纹扩展，安全性好；④不同材料无电化学腐蚀。缺点：①强度分散性大，剥离强度低，难以传递大载荷；②受环境影响大，易老化；③胶接面需特殊处理，工艺要求严格；④永久性连接，胶接后不可拆卸，修补困难。

对于复合材料，单纯的机械连接及胶接都无法满足装配需求，更适合用混合连接。复合材料混合连接技术如图1.51所示，其同时具备机械连接与胶接的优点。①可以阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能；②可以在密封、减振、绝缘的前提下进一步增大连接强度，提高载荷传递能力；③隔离金属紧固件与复合材料，无电化学腐蚀。混合连接注意事项：①应选用韧性胶黏剂，尽量使胶接的变形与机械连接的变形相协调；②需提高紧固件与孔的配合精度，否则易引起胶层剪切破坏，降低连接强度。

复合材料连接方法的选取应充分利用各自的优点，遵循原则如下：

1）机械连接：①主要用于传递集中载荷或强调可靠性的部位；②其中螺栓连接比铆钉连接可承受更大的载荷，一般用于主承力结构的连接。焊接主要适用于热塑性复合材料。

2）胶接：①一般适用于传递均布载荷或承受剪切载荷的部位；②可用于非主要承力结构上，在轻型飞机、汽车行业等应用较多；③有密封、减振、绝缘等要求的部位。

3）混合连接：适用于要求安全裕度较大的连接部位，一般适用于中等厚度板的连接。

碳纤维复合材料胶接技术如图1.52所示。

4）复合材料胶接技术设计：①优秀的胶接连接设计应使其胶接强度不低于被胶件本身的强度，否则胶接将成为薄弱环节，使胶接结构过早破坏；②胶接连接设计应根据最大载荷的作用方向，使所设计的胶接连接以剪切的方式传递最大载荷，而其他方向载荷很小，尽量避免胶层受拉力和剥离力；③应特别注意被胶接件热膨胀系数要匹配。

5）复合材料胶接胶粘剂选择：胶粘剂按应力-应变特性分为韧性及脆性两种。脆性胶粘剂的剪切强度高于韧性胶粘剂，韧性胶粘剂的连接静强度较高。因此，环境温度低于100℃时尽量选用韧性胶粘剂，高温环境时最好选用脆性胶粘剂。目前碳纤维复合材常用的胶粘剂有环氧树脂类、聚胺酯类和丙烯酸类。复合材料胶接表面处理方式有图1.53所示三种。粘接物体表面的清洁度、粗糙度和表面化学结构直接影响最终的粘接强度，表面处理工艺主要是通过改善材料表面来提高粘接强度。

复合材料胶接搭接技术如图1.54所示。从强度角度考虑，当胶接构件较薄时，宜采用简单的单面搭接或双面搭接形式。当胶接构件较厚时，由于偏心载荷产生的偏心力矩较大，宜采用阶梯型搭接或斜面搭接形式：当被胶件厚度 t ＜1.8mm时，可采用单搭接，搭接长度与被胶件厚度比 L / t =50～100；对中等厚度板（1.8mm≤ t ≤4mm），采用双搭接比较适宜，搭接长度与被胶件厚度比 L / t ≈30；当被胶件很厚（ t ＞4mm）时，宜选用斜面搭接，搭接角度6°～8°，若斜面加工在工艺上不易实现，采用阶梯形搭接。

1.8 碳纤维复合材料轻量化设计

碳纤维（Carbon Fiber，CF）是含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维增强复合材料及功能设计思路如图1.55所示。生产碳纤维的技术工艺是：首先是在机械载荷和温度（250～300℃）控制下的材料拉伸处理，第二步是通过热解（1500～1600℃，惰性气体气氛中）还原成石墨层（碳化，碳的质量百分比为96%～98%）。为进一步提高纯度和定向质量，可以进行石墨化处理步骤（温度＞1800℃）。能源密集型制造工艺使得碳纤维成本高，这也是迄今为止在汽车行业中通常只有在赛车或跑车中才使用碳纤维复合材料的根本原因。碳纤维复合材料具有低密度、高弹性模量和抗拉强度的组合，以及生产工艺产生强烈的各向异性等特点，它们同样也反映在热膨胀特性上——沿纤维方向和垂直于纤维方向的极大差别。全面优化利用这些特性，从而转化为汽车创新的轻量化方案，是碳纤维材料在汽车上开发与应用的关键所在。

碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维和气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维。目前用量大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维，占市场的90%左右。对于聚丙烯腈基纤维和沥青基纤维，可在制备碳纤维的“预氧化→碳化→石墨化→表面处理”工艺流程中调整得到所需的特性。

汽车行业发展迅猛，整车产量不断增加，保有量也在日益增长，因此由汽车引起的生态环境问题越来越突出。碳纤维作为一种新型材料，在节能减排方面潜力巨大，有望为汽车行业的迅速发展做出巨大贡献。

汽车的座椅作为重要的内饰部件，其设计工作也比较复杂。在座椅设计工作中，必须考虑造型、安全性、功能性及舒适性等因素，所以座椅轻量化的设计必须在保持各性能基础之上减轻座椅重量，最大限度地实现座椅轻量化，同时更要保证座椅的安全性能，因此汽车座椅轻量化的实现依然具有极大的挑战性与研究性。

碳纤维材料是由有机纤维进行石墨化和碳化处理后得到的，其含碳量在无机高分子纤维中所占比例高达90%。作为新型增强纤维，碳纤维既具有碳材料本身存在的特性，也具有纺织纤维的可塑性与柔软性。将碳纤维跟玻璃纤维与凯芙拉纤维进行比较后会发现，碳纤维的弹性模量是玻璃纤维的3倍以上，是凯芙拉纤维的2倍左右，并且具备极高的耐腐蚀性。碳纤维具有很强的机械性能，其模量与轴向强度很高，不会产生蠕变现象，抗疲劳能力极强，比热容与导电性都在金属与非金属之间，其热膨胀系数较小，且纤维的密度较低；由于碳纤维复合材料密度较小，抗变形能力与抗破坏能力较强，因此在汽车、航天航空领域中应用比较广泛。

汽车后座椅骨架是一辆汽车中很重要的承载部位，设计必须严谨，将碳纤维材料应用在汽车后座椅骨架上的时候必须全面考虑设计要求。通常情况下，评判座椅骨架合格与否、安全性能高低必须观察后座椅在动态冲击力、前向冲击力与疲劳强度等实验结果。在汽车进行急剧减速模拟实验后，观察汽车后座椅的行李舱在受到动态冲击后的保持状态，仔细察看行李舱内的物体对汽车后座椅的冲击情况。通过强烈的冲击力可以检验汽车后座椅的抗冲击能力是否足够强大，根据此实验对后座椅骨架设计进行改进，防止出现行李舱内物体由于冲击而侵入乘坐区域造成人员受伤的情况。座椅骨架有很多疲劳强度实验，包括座椅前后、座椅侧向等不同的疲劳强度实验。这类实验的步骤都很相似，都是通过反复的周期应力来观察骨架结构的疲劳强度，在此基础上进行技术改进，确保后座椅骨架具备极强的耐久性。碳纤维材料在进行工艺制造的过程中要进行预埋工作，保证零件部位的稳定性，而且工艺制造的成本也较高，因此，可运用先进的技术手段完成后座椅骨架的设计工作。

碳纤维复合材料可以代替传统的钢材料，传统的汽车后座椅骨架用钢制成，钢密度比碳纤维的密度大，所以用碳纤维复合材料代替钢材质来制作座椅骨架，可最大限度地达到减重效果。但是在骨架管件与其他相关零件连接的时候会出现很多细节问题，两者之间的连接可采用从中间进行三通管连接方式，还可运用胶水进行连接，实际操作需要不停地研究实验，因此汽车后座椅骨架的实际减重效果会受到一定影响。

碳纤维在产品中呈现的结构是纺织结构，耐冲击性比较强，但是采用碳纤维材料需要注意其与其他零件连接时的细节问题，如果有轴销或者预埋钢制衬套的需求必须充分考虑工艺步骤的合理性。目前，汽车后座椅的模具成本比较高，在前期必须将产品性能了解分析得非常透彻，才可以正式进行模具制造和生产，这对工艺设计与计算机模拟工作的要求都比较高。树脂材料会在模具内进行化学反应，这不仅要求工作人员能够及时解决温度较高的情况，还需要解决产品反应后降温的现象，从而保证产品的尺寸及性能。用碳纤维增强型材料进行注塑工作，将其采用分组形式进行混炼，使其得到充分融合，进行反应后形成注塑用的塑料粒子，然后将其注塑成型形成产品。对于汽车后座椅的骨架设计需要从整体考虑，全面分析零件性能，可充分应用计算机模拟技术进行仿真分析，并且不断改进技术手段。

碳纤维多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷等材料中，构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料中重要的增强材料。纤维在很大程度上决定了复合材料的机械性能，例如：强度和刚度在织物或纺布中使用连续纤维能实现高性能特性。基体材料能够传递力、支持纤维防止纵向弯曲、防止外部冲击。

在汽车结构应用中通常使用玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维增强材料来实现轻量化。纤维复合材料特别是能够承载高负荷的碳纤维复合材料，与其他材料相比，具有更大的轻量化潜力和各种附加功能。很多应用实例已证明其能够比铝减轻约20%的质量，比钢减轻约60%的质量。复合材料本身是由嵌在基体中的能满足负荷要求的增强纤维（主要是玻璃或碳）构成的。纤维的特性和方向使材料获得优良机械性能，而基体又有耐高温性和耐介质性。由于材料是在零部件的制作期间形成的，通过结构表现来确定纤维、基体和工艺技术之间复杂的关系和相互作用。其特性从本质上不同于金属材料。可根据纤维方向调整其特性（各向异性），此外，还不会出现塑性变形且断裂伸长率低。

在使用某种材料时，通过质量参数可知在类似结构和某特定负荷类型下减轻或增加的质量。纤维增强塑料的值与束状结构和纤维方向有关，给出的值作为预选材料的参考值。在一定屈曲稳定性下，碳纤维增强塑料的压杆比相同结构的铝质压杆轻约43.2%。如果使用这些材料作为弹性元件（如轿车螺旋弹簧），在吸收能相同的情况下，碳纤维复合材料弹簧比铝质弹簧轻约88.9%，而比玻璃纤维复合材料弹簧轻约66.7%。通过使用碳纤维可以在极轻的质量水平下实现强度和刚度特性的组合。与金属相比，纤维增强复合材料显示出在可比刚度水平下更高的强度。纤维基体的粘附性与纤维复合材料良好的碰撞性能和能量吸收能力相关。通过在复合材料中形成许多界面，在负荷作用下也能相应地产生许多破坏位置或破坏表面。通过层压板内界面较多，可能在一个很小的空间中转换大量的能量。1kg的钢和铝制部件可吸收15～25kJ的能量，而同等情况下1kg纤维复合材料可吸收70～100kJ，如果设计得好，复合材料的耐撞性能会优于目前广泛应用的钢和铝材料。带热塑性基质的纤维复合材料能够更好地吸收事故发生时产生的能量，因为在碰撞时它不会像热固性塑料那样出现脆性分层，从而实现高轻量化潜力。

1.9 复合材料轻量化设计理论框架

复合材料轻量化设计涉及大工科类相关学科的综合理论，是为培养工科相关专业高质量专门人才服务的。复合材料轻量化设计基本逻辑如图1.56所示；复合材料结构分析的理论框架如图1.57所示。

通过学习，将会掌握：①复合材料结构特性分析；②复合材料单层板的刚度；③复合材料单层板的强度；④复合材料层合板的刚度与强度；⑤复合材料产品的力学特性分析；⑥复合材料轻量化设计理论，为复合材料结构设计、复合材料产品设计奠定理论基础。

在掌握复合材料基础知识的同时，要通过各个主要环节逐步培养专业人才根据复合材料各向异性、非均质、功能设计的特点，掌握复合材料轻量化设计的原理和特性分析。复合材料轻量化主要内容包含：复合材料的结构特性、结构层次、单层板的概念、双向板的概念、单层材料设计、层合板设计和结构设计理论。复合材料的主要特性为：各向异性、非均质性、可设计等。复合材料设计包括材料设计、结构设计及轻量化设计等。