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复合材料的各向异性、各向同性以及准各向同性解读

发表时间:2023-10-25 16:39:58  作者:超级管理员 阅读数:2743

  碳纤维以高性能强度性能而得到广泛认可,在碳纤维制品的生产制作中,就需要了解纤维取向跟产品的强度以及刚度的关系,确保产品能够带来不同的性能优势,本文以碳纤维层压板为例来解读复合材料制作中的各向异性、各向同性以及准各向同性。

在碳纤维层压板的设计上面,会根据层压板不同的倾斜方向产生不同的结构熟悉,这里面就包括了:各向异性、各向同性和准各向同性。

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  认识各向异性、各向同性、准各向同性

  各向异性:简单的理解,就是整个材料的不同方向上具有不同强度和刚度的材料。例如,用全部沿一个方向取向的纤维制成的碳纤维层压材料是完全各向异性的。那层压板在经过其他铺层设计后就会具有不同程度的各向异性,这主要取决于层压板设计的平衡程度。碳纤维、玻璃纤维是典型的各向异性。

  各向同性:在材料任何方向上经测试得到的强度和刚度均相同,这种材料即为各向同性材料,其典型代表如:玻璃、金属等。

  准各向同性:材料仅在某一平面内具有各向同性,换句话说,材料强度和刚度在零件平面内所有方向上均相等,但垂直面上可能会存在差异。碳纤维制品中进行铺层取向后的碳纤维层压板就属于此类。通过铺层取向,弥补垂直受力的脆性,既突出轻量化优势,在强度刚度性能上也能有保障。

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  准各向同性的碳纤维层压板

  通过一层一层的碳纤维复合材料铺层取向平衡,让原本各向异性的碳纤维,在碳纤维层压板中具备准各向同性的特性,在后续的应用上面,能够保证强度和刚度都保持不变。

  在碳纤维层压板的制作中,不管是织物碳纤维还是单向碳纤维预浸料,它们都是通过合理的设计,具备了各向同性的性能优势。

  准各向同性的碳纤维层压板在方向平衡下,就会在每个平面方向都有相同的抗拉强度。

  在准各向碳纤维层压板的铺层上面,常采用的铺层方向是90°+45°-45°这样的铺层角度,实际生产中,会根据生产碳纤维层压板的厚度进行调整,但至少是要有八分之一的铺层是要在这个四个方向上。

  除了90°+45°-45°这样铺层取向之外,还有60°120°这样定向的单向层也可以达到准各向同性性能。但是要注意如果采用每一层的方向与其原始方向的角度相同,比如采用的是+60°那么后续就是/15º/-75º/-30º这样的铺层取向。

  碳纤维层压板准各向同性可以通过铺层取向实现,那为了保证性能的稳定性,在铺层的时候,叠层需要对称,材料中的纤维树脂比、厚度也要一致。

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  不同铺层角度的碳纤维层压板设计性能

  上面说到了碳纤维层压板在铺层的时候为了准各向同性,铺层的角度常采用90°+45°-45°的方式,也就是要至少四层的铺层,不同的铺层方式下也会带来不同的性能体现,通过这样的铺层方式以形成在所有方向上具有强度的刚性材料。。

  0°层:提供轴向强度和刚度,非常适合承受轴向载荷的梁和柱等结构。实际的应用就有碳纤维承重件。

  +/-45°层:提供抗剪、抗扭强度和刚度,这是扭力轴和抗剪腹板(如工字梁)的理想选择。这里就有碳纤维高铁工字梁。

  90°层:提供横向强度和刚度,非常适合于形成巩固层,使所有层保持在一起并在压力容器中提供强度。实际应用有碳纤维罐体。

  碳纤维层压板的铺层取向,让碳纤维制品具备了更好的性能优势,就可以提升碳纤维材料的性能来提供更优越的性能,一方面就是从碳纤维丝束角度出发,更高性能的T800/T1200的高模量丝束出现。另外一方面是基体材料的环氧树脂基改换成热塑性树脂聚醚醚酮、聚苯硫醚。在航空航天领域中的热塑性碳纤维层压板就得到了非常好的应用。

  那这样的铺层取向对于碳纤维制品制造商就要有丰富的制造经验,才能在实际的产品方案中给到实质性的帮助,必须要具备设计和制造所需板材结构和性能的技能和知识。


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