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塑料材料选择:缩小选择范围

2018-09-14

塑料材料选择:缩小选择范围

在几乎所有的设计实践中,材料选择始终是一个重要的因素。几乎没有只有一种材料适用于某项作业的情况(航天飞机窗口是少数几个例外之一),因此需要一种有效比较候选材料的方法。

随着能源价格的上涨以及技术的改进,发生了一些重大调整。

在汽车行业中,已经越来越多地使用PEEK棒轻质镁铝合金替代钢材

而在飞机行业中,正在使用碳纤维增强塑料和钛合金替代铝材

人造卫星长期以来一直采用特殊复合材料制成

材料选择可以部分基于特性数值比较,部分基于定性比较。这一过程可能涉及一些“红线”,即首先排除明显不适用甚至不合法的材料。另外,还可以使用一些公式对材料进行严谨的数学比较。

当然,每千克成本并非材料选择中唯一重要的因素。其中一个重要概念是“单位功能成本”。随着各种材料相对成本的变化,最佳材料的选择也会随时间发生变化。矛盾的是,因为材料的相对成本可能会因贸易关税和运输成本等因素发生变化,不同地区的最佳材料也会有所不同。

显然在大多数情况下,很难让材料不仅提供一种以上特性,还要提供多种特性的组合。因此,按此逻辑类推,设计工程师必须努力确定哪些特性最为重要,并为所需特性指定某种权重顺序。

除此之外,并非始终能够提供完全可用的数据,因此,设计工程师倾向于选择最熟悉的材料也许并不奇怪。这往往会导致设计原则非常保守。

在需要进行高度专业化设计比较的领域,可能会制定出高度专业化的测试方案,例如飞机机翼,其中,铝和先进复合材料之间的比较将涉及耗时颇久的加速测试。由于铝和复合材料的不合格方式不同,会使比较变得更加困难,所以不可能定义出可以采用有意义的方式进行比较的材料特性。

针对这些难题,已经进行了一些值得赞赏的尝试,提供了一些材料选择过程的辅助方法。二十世纪七十年代,在(大体上)还未出现计算机的时代,一个名为富尔默研究机构(Fulmer Research Institute)的英国机构出版了一套纸质综合性材料选择系统,即富尔默材料优选器(Fulmer Materials Optimizer)。它最初由Norman Waterman策划,在其离开后,由我以及他人独立接手。

该出版物中包含大量与所有材料类别相关数据,以及这些材料在机械、电气、热学、腐蚀、磨损和其他专业特性方面的相关性能。大部分数据以简单的表格、图表和图形呈现。该出版物后来由荷兰出版公司重新出版,称为Elsevier材料选择器(Elsevier Materials Selector)。

“优选器”中包含的许多想法实际上是基于剑桥大学Mike Ashby教授的理念。他通过一个名为Granta Design的独立组织继续进行研究,设计了一款计算机化的材料选择系统,即CES选择器(CES Selector)。该系统今天仍在使用。

断裂伸长率与最终拉伸强度之间的关系(适用于增材制造的材料)图片由Granta Design提供。

传统的Ashby图为散点图,显示了多种材料或多类别材料的两个或多个特性。例如,如果关键设计目标为材料板的刚度,设计者需要的则是具有密度、杨氏模量和价格的最佳组合的材料。

材料族(聚合物、泡沫、金属等)可以通过颜色识别。这些图形有助于比较不同特性之间的比例。

在上述示例中,硬质/轻质部件在一个轴上为杨氏模量,另一个轴上为密度,图上的一个数据点代表每种候选材料。在该图中,不仅可以轻松找到刚度最高的材料,密度最低的材料,还可以找到具有最佳比例的材料。在两个轴上使用对数刻度有利于选择具有最佳板材刚度的材料。

要优化技术和价格特性的复杂组合,很难手动实现,因此一款合理的材料选择软件是一个非常重要的工具。

CES选择器可用于金属到聚合物材料的替代。举例来说,霍尼韦尔航空航天集团(Honeywell Aerospace)希望使用一种聚合物替代铝合金来制造压力调节器外壳。

最初的做法是将原有铝合金出料转化为可模塑的Valox聚酯,几何形状和尺寸保持不变。然而,要在保持几何形状固定的同时进行金属-聚合物替换,常常会出现问题。在这种情况下,中心部分往往较厚,导致成品率非常低,并且成型后会出现延迟开裂。为了克服这一问题,使用CES选择器来研究能够减少这种挑战性状况的注塑材料替代品。

霍尼韦尔通过对外壳、材料和生产方法的设计要求进行定义,开启了合理的选择过程。这些包括:

环境性能限制:最高使用温度和耐溶剂性。

生产方法:需要能够注塑的材料。

最终用户要求:与自攻螺钉兼容,以便安装。

CES选择器几乎提供了每一类可购入的工程材料(约3000种潜在的候选材料)的特性数据。由于特性值是由已知的参考数据构成,或者由估计的估算值构成,因此霍尼韦尔航空航天集团能够将所有潜在的候选材料考虑在内,不会仅仅因特性不明而排除掉任何合适的材料。

通过将选择限制到那些符合可加工标准的材料,迅速缩小了可能的材料的范围(使用“树阶段”选择)。通过增加两个“极限阶段”,并将最高温度和耐久性考虑在内,进一步缩小了范围。根据设计规范,最终将两种材料(PEEK价格和PEI)确定为聚酯(PBT)的可能替代品。

以下Ashby图表明,候选材料之间的疲劳强度差异相对较小。然而,考虑到热膨胀系数和最高使用温度(右),PEEK被选为首选材料进行部件测试,以确保其性能与基准材料一样,甚至优于基准材料。

(i)疲劳强度与价格关系以及(ii)热膨胀作为最高使用温度的函数的阿什比图显示,PEEK成为此项任务的首选材料。图片由Granta Design提供。

作为一款专业工具,CES选择器可对材料选择问题进行系统性图形分析。使用Ashby方法,用户可基于其工程问题确定候选材料。还可以访问更详细的材料数据集,深入探索这些候选材料。“Prospector塑料”(Prospector Plastics)为关键数据集,经UL许可包含在CES选择器中。“Prospector塑料”是UL“Prospector材料数据库”的一个子集,可以在线获得,具有自主材料选择能力。它整合了来自约1000家材料制造公司的信息,包含85,000多份塑料数据表和近10,000份金属数据表,其中近5万个拥有UL黄卡。

Prospector的一个特别强大的功能是塑料添加剂和设备部分。参数化搜索引擎功能强大,拥有40多万用户,可以快速方便地访问对产品开发至关重要的特性和加工信息。


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