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【技术干货】复合材料层压板中纤维体积及常用计算完全技术指南(一):复材特性及基础概念

 碳纤复材 2022-06-27 发布于浙江

摘 要

由于沿各个方向的特性相同,传统的金属和塑料具有典型的各向同性特性,因此在设计时相对比较简单。复合材料由两相及以上材料组成,具有典型的各向异性特性,设计时相对复杂,因为复合材料中纤维体积分数、纤维取向等均会影响最终复合材料的特性。

复合材料层压板由多层纤维增强复合材料形成的薄片堆积而成,本系列文章中涉及的主要内容包括:复合材料特性、层压板各组分基础概念、材料密度、混合原则、纤维体积分数、增强纤维取向、准各向同性等。本文将首先介绍复合材料特殊性、组分基础概念和材料密度。

为什么复合材料比较特殊?

对于传统的金属和塑料材料而言,由于材料在各个方向上特性相同,因此这些材料被称为“均质”材料,加工而成的构件也具有典型的“各向同性”特性,因为无论以何种方式推或拉,它们的性质都大致相同,这就使得其建模和设计更加容易。

相比之下,纤维增强聚合物基复合材料是两种或以上不同材料的组合而成。第一种组分为均匀且各向同性的聚合物(塑料、树脂等)。该聚合物基体将第二种非均匀纤维增强材料结合在一起。复合材料中的均匀成分被称为基体,而这种不均匀的丝状纤维被称为增强体。

由于单根纤维是细长的小圆柱体,它们对复合材料特性的贡献具有典型“方向性”特征。这种取向的方向性可以使复合材料在纤维方向上具有更高的强度,而在其他方向上其强度却仅仅与树脂一样强。这被称为“各向异性”材料,或者在大多数情况下称为“正交异性”材料。

复合材料部件通常由几层纤维增强树脂组成,统称为“层压板”,其中如果每层复合材料仅包含一个方向的纤维,则又被称为“薄板”。许多薄板经过精确地堆积制成层压板,随后可进一步模制成零件。

在复合材料层压板中,纤维数量、树脂含量、纤维方向等因素都很重要,其中纤维数量和树脂含量通常会使用比率/分数等形式进行描述,如纤维体积分数、质量分数等,在后续的内容中将会针对此内容进行详细的描述。

复合材料常见组分的概念
  • 纤维:也被称为“增强材料”,如E玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。

  • 树脂:也称为“基体”或“聚合物”,可以将纤维粘合在一起的“胶水”。热固性复合材料通常采用环氧树脂、聚酯或乙烯基酯,此外还有很多热塑性基体材料。

  • 复合材料:纤维+树脂,通常全部混合在一起并受压,所以它是均匀的,并且没有大量的空气。

  • 薄板:也称为“层板”,层压板的一层,通常由只指向一个方向的材料制成。

  • 层压板:由多层的复合材料薄板组成。

复合材料常见组分的密度

密度是指材料每单位体积的质量。在复合材料制造中,质量或重量是描述复合材料结构件的典型方式。只有树脂(固化前)是以体积来衡量的,通常所说需要1.2升树脂,但不说有1.5公斤纤维和1.2升树脂。

质量除以体积可以得到密度,需要知道层压板每种组分(树脂、纤维、芯)的密度,从而可以估计其性能。密度常见单位包括克每立方厘米(g/cm^3)、千克/米^3、磅/英尺^3等。

复合材料中常用材料的密度:

  • 碳纤维:1.75-2 g/cm^3

  • E型玻璃纤维:2.55-2.6 g/cm^3

  • S型玻璃纤维:2.45-2.5 g/cm^3

  • Kevlar:1.44 g/cm^3

  • 聚酯树脂:1.1-1.5 g/cm^3

  • 环氧树脂:1.2-1.45 g/cm^3

  • 聚醚醚酮(PEEK):1.3 g/cm^3

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