アバクスをベースとする,単一パス連続炭素繊維強化アルミニウムマトリックス複合材料プロセスの研究

科学分野:

• 材料科学
• 製造エンジニアリング
• 計算力学

背景:

• 連続した炭素繊維強化アルミニウム複合材料 (Cf/Al) のレーザーコーディネーションは,高速な熱グラデントにより,インターフェイスのストレス,繊維の劣化,幾何学的な不安定性などの課題に直面しています.
• 要求の高いアプリケーションのための高性能Cf/Al複合材料の生産には,レーザーコーディネートプロセスの最適化が不可欠です.

研究 の 目的:

• Cf/Al複合材料のレーザーコーディネーション中の多物理相互作用をシミュレートするための計算モデルを開発し,検証する.
• 最適なプロセスパラメータウィンドウを特定し,熱的歪みを最小限に抑え,インターフェイス特性を強化します.
• 繊維の分解に対するニッケルインターレイヤの保護作用を定量的に評価し,負荷移転を改善する.

主な方法:

• Abaqusでは,二重円形の熱源を持つ熱弾性プラスチック有限元素モデルが開発され,相依存物質特性と潜在熱効果を組み込んだ.
• シングルトラックの堆積のためにシミュレーションを行い,非コーティングとNiコーティングのファイバー構成の両方の一時的な温度場,残留ストレス,およびインターフェイスの動作を分析した.
• モデルの予測精度を確認し,NiコーティングのCf/Al複合材料の性能を評価するために実験的検証が行われました.

主要な成果:

• 最適なレーザーカバーパラメータウィンドウ (700〜800Wのレーザー出力,2 mm/sのスキャン速度,3 mmのスポット半径) が特定され,熱歪みは5%未満に減少しました.
• ニッケルインターレイヤは,1200 °Cで繊維の分解を42%減らし,表面負荷伝送効率を34.7%高め,マトリックス張力圧力を159 MPaに低下させた.
• Niコーティングのシステムは,優れた熱安定性 (温度差 < 12.6 °C) と機械的な相互接続性を示し,界面空隙分数は8%未満でした.

結論:

• この研究は,Cf/Al複合材料の欠陥制御された製造のためのプロセス構造のリンクフレームワークを確立します.
• 開発された有限要素モデルは,高度な複合材料の航空級製造のためのデジタルツインの方法として機能します.
• ニッケルインターレイヤーで最適化されたレーザーコーディネーションは,炭素繊維強化アルミニウム複合材料の性能と信頼性を大幅に高めます.