材料應用是連續碳纖維熱塑性樹脂復合材料(CFRTP)現階段的重點研發對象，由于復合材料特性，可以通過鋪層方式的結構優化設計，使得制作的產品能夠最大程度的發揮出其性能優勢，本文這針對連續碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)在承受彎曲荷載情況下的結構優化設計及其面外剪切模量對材料行為的影響相關內容解析。

　　隨著輕量化趨勢在航空、汽車、以及先進制造業的不斷推進，連續碳纖維熱塑性復合材料(CFRTP)因具備高強度、高剛性、良好的耐腐蝕性及設計靈活性等優點，成為了高性能結構材料的首選。然而，在復雜的彎曲載荷作用下，CFRTP的性能表現與結構設計、纖維鋪設方向及材料本身的面外剪切特性密切相關，這要求工程師在設計過程中進行精準的理論分析與優化。

　　通俗的說，就是需要一個零部件在受力彎曲的狀態下，有非常好的性能，又能夠不容易斷開。這就需要通過不斷的計算和模擬，從而獲得最佳的擺放方式，讓材料在極限應用中，也更結實。找出了怎么調整碳纖維的布局，以及如何選擇合適的塑料材料，來減少這種扭曲，讓CFRTP制成的東西在彎曲時既強又穩。

　　首先是CFRTP結構優化，通過理論模型與數值模擬(如有限元分析)相結合的方法，分析了CFRTP層合板在彎曲荷載作用下的應力分布與變形模式。優化纖維鋪設角度與層數對提高整體結構剛度和強度的重要性，以及如何通過合理設計纖維堆疊序列來抑制或分散局部應力集中現象。

　　CFRTP的一個機械特性是楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)的比值。這里面就是跟材料的低切向剪切有關系，并且在在進行E1/G13的比率還跟纖維形態以及加熱條件有關系。在有限元分析中采用懸臂長度L、寬度b和初始厚度t0被設置為100mm、10mm和10mm情況下。在邊界條件下，集中載荷P=100N作用于一個邊緣，另一個邊緣固定但可以在z方向上移動以進行自由形狀優化過程。得出想要的結果，從而在產品設計階段，無論是做運動器材、汽車零件還是其他高科技產品，都能更好地利用這種材料的優點，做出既輕便又耐用的好東西。這里可以看下圖：

　　再進行面外剪切模量的影響因素測試，面外剪切模量(G_shear)是衡量材料抵抗面外剪切變形能力的指標，對于理解CFRTP在彎曲條件下的行為至關重要。面外剪切變形會導致有效截面減小，進而影響材料的承載能力和穩定性。通過理論推導和實驗驗證，了解面外剪切模量如何影響CFRTP的彎曲剛度和強度，特別是在多層復合結構中，各層間剪切應力的傳遞效率直接關聯到整體結構的性能。這里可以看下圖跟鋼材鋁的對比，其中CTT和CTM均是連續碳纖維熱塑性復合材料，表現出了不俗的性能優勢。這里研究的意義在于，產品在需要彎曲變形狀態下依然有非常好性能，相較于鋼材，CFRTP材料就可以更好的實現想要的效果，有能夠更好的完成產品制作。

　　另外在特殊的領域中，還需要考慮到不同溫度下的性能表現，那隨著溫度升高，CFRTP的楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)都會降低，但G13的降低速度更快，因此在高溫情況下，CFRTP產品具備更好的安全系數。

　　這樣的數據能夠更好的為CFRTP材料零部件帶來合適的優化策略和應用，再通過調整纖維排列和層合結構，以最小化面外剪切變形對彎曲性能的負面影響，從而實現CFRTP結構的輕量化與性能最大化，尤其是在那些需要承受復雜載荷工況的高性能結構件中，如航空航天領域，這也是現階段跟智上新材料進行深度對接的客戶領域。

　　東臺智上新材料作為率先完成連續碳纖維熱塑性復合材料(UD)單向帶量產的廠家，也在不斷的深究CFRTP材料未來的研究方向，不斷探索CFRTP材料體系，來推動CFRTP材料在各領域中的創新應用。

　　部分數據參考：www.researchgate.net