碳纖維以高性能強(qiáng)度性能而得到廣泛認(rèn)可，在碳纖維制品的生產(chǎn)制作中，就需要了解纖維取向跟產(chǎn)品的強(qiáng)度以及剛度的關(guān)系，確保產(chǎn)品能夠帶來不同的性能優(yōu)勢，本文以碳纖維層壓板為例來解讀復(fù)合材料制作中的各向異性、各向同性以及準(zhǔn)各向同性。
在碳纖維層壓板的設(shè)計(jì)上面，會根據(jù)層壓板不同的傾斜方向產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)熟悉，這里面就包括了：各向異性、各向同性和準(zhǔn)各向同性。
認(rèn)識各向異性、各向同性、準(zhǔn)各向同性
各向異性：簡單的理解，就是整個材料的不同方向上具有不同強(qiáng)度和剛度的材料。例如，用全部沿一個方向取向的纖維制成的碳纖維層壓材料是完全各向異性的。那層壓板在經(jīng)過其他鋪層設(shè)計(jì)后就會具有不同程度的各向異性，這主要取決于層壓板設(shè)計(jì)的平衡程度。碳纖維、玻璃纖維是典型的各向異性。
各向同性：在材料任何方向上經(jīng)測試得到的強(qiáng)度和剛度均相同，這種材料即為各向同性材料，其典型代表如：玻璃、金屬等。
準(zhǔn)各向同性：材料僅在某一平面內(nèi)具有各向同性，換句話說，材料強(qiáng)度和剛度在零件平面內(nèi)所有方向上均相等，但垂直面上可能會存在差異。碳纖維制品中進(jìn)行鋪層取向后的碳纖維層壓板就屬于此類。通過鋪層取向，彌補(bǔ)垂直受力的脆性，既突出輕量化優(yōu)勢，在強(qiáng)度剛度性能上也能有保障。
準(zhǔn)各向同性的碳纖維層壓板
通過一層一層的碳纖維復(fù)合材料鋪層取向平衡，讓原本各向異性的碳纖維，在碳纖維層壓板中具備準(zhǔn)各向同性的特性，在后續(xù)的應(yīng)用上面，能夠保證強(qiáng)度和剛度都保持不變。
在碳纖維層壓板的制作中，不管是織物碳纖維還是單向碳纖維預(yù)浸料，它們都是通過合理的設(shè)計(jì)，具備了各向同性的性能優(yōu)勢。
準(zhǔn)各向同性的碳纖維層壓板在方向平衡下，就會在每個平面方向都有相同的抗拉強(qiáng)度。
在準(zhǔn)各向碳纖維層壓板的鋪層上面，常采用的鋪層方向是0°、90°、+45°和-45°這樣的鋪層角度，實(shí)際生產(chǎn)中，會根據(jù)生產(chǎn)碳纖維層壓板的厚度進(jìn)行調(diào)整，但至少是要有八分之一的鋪層是要在這個四個方向上。
除了0°、90°、+45°和-45°這樣鋪層取向之外，還有0°、60°和120°這樣定向的單向?qū)右部梢赃_(dá)到準(zhǔn)各向同性性能。但是要注意如果采用每一層的方向與其原始方向的角度相同，比如采用的是+60°那么后續(xù)就是/15º/-75º/-30º這樣的鋪層取向。
碳纖維層壓板準(zhǔn)各向同性可以通過鋪層取向?qū)崿F(xiàn)，那為了保證性能的穩(wěn)定性，在鋪層的時候，疊層需要對稱，材料中的纖維樹脂比、厚度也要一致。
不同鋪層角度的碳纖維層壓板設(shè)計(jì)性能
上面說到了碳纖維層壓板在鋪層的時候?yàn)榱藴?zhǔn)各向同性，鋪層的角度常采用0°、90°、+45°和-45°的方式，也就是要至少四層的鋪層，不同的鋪層方式下也會帶來不同的性能體現(xiàn)，通過這樣的鋪層方式以形成在所有方向上具有強(qiáng)度的剛性材料。。
0°層：提供軸向強(qiáng)度和剛度，非常適合承受軸向載荷的梁和柱等結(jié)構(gòu)。實(shí)際的應(yīng)用就有碳纖維承重件。
+/-45°層：提供抗剪、抗扭強(qiáng)度和剛度，這是扭力軸和抗剪腹板(如工字梁)的理想選擇。這里就有碳纖維高鐵工字梁。
90°層：提供橫向強(qiáng)度和剛度，非常適合于形成鞏固層，使所有層保持在一起并在壓力容器中提供強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用有碳纖維罐體。
碳纖維層壓板的鋪層取向，讓碳纖維制品具備了更好的性能優(yōu)勢，就可以提升碳纖維材料的性能來提供更優(yōu)越的性能，一方面就是從碳纖維絲束角度出發(fā)，更高性能的T800/T1200的高模量絲束出現(xiàn)。另外一方面通過基體材料的環(huán)氧樹脂基改換成熱塑性樹脂聚醚醚酮、聚苯硫醚。在航空航天領(lǐng)域中的熱塑性碳纖維層壓板就得到了非常好的應(yīng)用。
那這樣的鋪層取向?qū)τ谔祭w維制品制造商就要有豐富的制造經(jīng)驗(yàn)，才能在實(shí)際的產(chǎn)品方案中給到實(shí)質(zhì)性的幫助，必須要具備設(shè)計(jì)和制造所需板材結(jié)構(gòu)和性能的技能和知識。
在碳纖維層壓板的設(shè)計(jì)上面，會根據(jù)層壓板不同的傾斜方向產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)熟悉，這里面就包括了：各向異性、各向同性和準(zhǔn)各向同性。
各向異性：簡單的理解，就是整個材料的不同方向上具有不同強(qiáng)度和剛度的材料。例如，用全部沿一個方向取向的纖維制成的碳纖維層壓材料是完全各向異性的。那層壓板在經(jīng)過其他鋪層設(shè)計(jì)后就會具有不同程度的各向異性，這主要取決于層壓板設(shè)計(jì)的平衡程度。碳纖維、玻璃纖維是典型的各向異性。
各向同性：在材料任何方向上經(jīng)測試得到的強(qiáng)度和剛度均相同，這種材料即為各向同性材料，其典型代表如：玻璃、金屬等。
準(zhǔn)各向同性：材料僅在某一平面內(nèi)具有各向同性，換句話說，材料強(qiáng)度和剛度在零件平面內(nèi)所有方向上均相等，但垂直面上可能會存在差異。碳纖維制品中進(jìn)行鋪層取向后的碳纖維層壓板就屬于此類。通過鋪層取向，彌補(bǔ)垂直受力的脆性，既突出輕量化優(yōu)勢，在強(qiáng)度剛度性能上也能有保障。
通過一層一層的碳纖維復(fù)合材料鋪層取向平衡，讓原本各向異性的碳纖維，在碳纖維層壓板中具備準(zhǔn)各向同性的特性，在后續(xù)的應(yīng)用上面，能夠保證強(qiáng)度和剛度都保持不變。
在碳纖維層壓板的制作中，不管是織物碳纖維還是單向碳纖維預(yù)浸料，它們都是通過合理的設(shè)計(jì)，具備了各向同性的性能優(yōu)勢。
準(zhǔn)各向同性的碳纖維層壓板在方向平衡下，就會在每個平面方向都有相同的抗拉強(qiáng)度。
在準(zhǔn)各向碳纖維層壓板的鋪層上面，常采用的鋪層方向是0°、90°、+45°和-45°這樣的鋪層角度，實(shí)際生產(chǎn)中，會根據(jù)生產(chǎn)碳纖維層壓板的厚度進(jìn)行調(diào)整，但至少是要有八分之一的鋪層是要在這個四個方向上。
除了0°、90°、+45°和-45°這樣鋪層取向之外，還有0°、60°和120°這樣定向的單向?qū)右部梢赃_(dá)到準(zhǔn)各向同性性能。但是要注意如果采用每一層的方向與其原始方向的角度相同，比如采用的是+60°那么后續(xù)就是/15º/-75º/-30º這樣的鋪層取向。
碳纖維層壓板準(zhǔn)各向同性可以通過鋪層取向?qū)崿F(xiàn)，那為了保證性能的穩(wěn)定性，在鋪層的時候，疊層需要對稱，材料中的纖維樹脂比、厚度也要一致。
上面說到了碳纖維層壓板在鋪層的時候?yàn)榱藴?zhǔn)各向同性，鋪層的角度常采用0°、90°、+45°和-45°的方式，也就是要至少四層的鋪層，不同的鋪層方式下也會帶來不同的性能體現(xiàn)，通過這樣的鋪層方式以形成在所有方向上具有強(qiáng)度的剛性材料。。
0°層：提供軸向強(qiáng)度和剛度，非常適合承受軸向載荷的梁和柱等結(jié)構(gòu)。實(shí)際的應(yīng)用就有碳纖維承重件。
+/-45°層：提供抗剪、抗扭強(qiáng)度和剛度，這是扭力軸和抗剪腹板(如工字梁)的理想選擇。這里就有碳纖維高鐵工字梁。
90°層：提供橫向強(qiáng)度和剛度，非常適合于形成鞏固層，使所有層保持在一起并在壓力容器中提供強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用有碳纖維罐體。
碳纖維層壓板的鋪層取向，讓碳纖維制品具備了更好的性能優(yōu)勢，就可以提升碳纖維材料的性能來提供更優(yōu)越的性能，一方面就是從碳纖維絲束角度出發(fā)，更高性能的T800/T1200的高模量絲束出現(xiàn)。另外一方面通過基體材料的環(huán)氧樹脂基改換成熱塑性樹脂聚醚醚酮、聚苯硫醚。在航空航天領(lǐng)域中的熱塑性碳纖維層壓板就得到了非常好的應(yīng)用。
那這樣的鋪層取向?qū)τ谔祭w維制品制造商就要有豐富的制造經(jīng)驗(yàn)，才能在實(shí)際的產(chǎn)品方案中給到實(shí)質(zhì)性的幫助，必須要具備設(shè)計(jì)和制造所需板材結(jié)構(gòu)和性能的技能和知識。
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