在之前我們解讀過有關(guān)于復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維類型的文章，那不同的增強(qiáng)纖維下的復(fù)合材料力學(xué)性能表現(xiàn)也有很大的區(qū)別，就以尤為常見的層壓板性能上來看各種不同增強(qiáng)纖維下的性能比對。
采用增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料整個的力學(xué)性能是明顯要比未增強(qiáng)的樹脂體系高出不少，當(dāng)然整個復(fù)合材料的性能還跟增強(qiáng)纖維跟樹脂復(fù)合多方面影響有關(guān)系。
復(fù)合材料的性能跟增強(qiáng)纖維本身的性能以及纖維含量、纖維取向、結(jié)合界面都有很大關(guān)系。比如增強(qiáng)碳纖維就比玻璃纖維機(jī)械性能更高，此外單位面積內(nèi)纖維克重也直接影響材料的性能，以及纖維取向也會帶來不同的性能表現(xiàn)，智上新材在制作碳纖維制品的時(shí)候，就是根據(jù)客戶的實(shí)際使用需求進(jìn)行鋪層的設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品在受力的面獲得更好的性能表現(xiàn)。
通過下表我們可以了解到最常用增強(qiáng)纖維的基本力學(xué)性能以及常見金屬材料的性能對比。
復(fù)合材料應(yīng)用中，性能跟纖維設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系，增強(qiáng)纖維都是沿軸線方向強(qiáng)度性能高，不同于金屬材質(zhì)的各向同性，而是各向異性，那纖維在復(fù)合材料中特定方向的性能得到支持，通過設(shè)計(jì)鋪層，沿著主要載荷路徑進(jìn)行鋪層放置，就能夠更好的滿足要求。
另外在復(fù)合材料中非常重要的一個性能就是纖維體積分?jǐn)?shù)簡稱FVF。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中是非常重要的一個指標(biāo)。增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)纖維與樹脂相互作用有很大關(guān)系，纖維體積分?jǐn)?shù)跟纖維緊密填充有關(guān)，簡單的理解，就是相同體積下的復(fù)合材料中，如果你纖維數(shù)量更多，那纖維體積分就更高，也就能夠提供更高的性能。
這里面就引申出復(fù)合材料的制作工藝，不同的制作工藝中增強(qiáng)纖維數(shù)量不同，另外采用的纖維是粗纖維還是更細(xì)纖維就有非常大的關(guān)系。跟較粗纖維或者纖維間隙比較大的織物相比，較細(xì)的纖維能夠提供更高的FVF值，這里就引申到纖維直徑的知識點(diǎn)。
纖維直徑越小，那在復(fù)合材料中，就會有更多的界面面積跟樹脂接觸，就能夠提供更高的纖維體積分?jǐn)?shù)，接觸的界面面積越大情況下，也就能夠更好的分散纖維與基體樹脂的負(fù)載，這是針對同一款基體樹脂采用不同增強(qiáng)纖維直徑的直觀對比，也是航空航天等高性能應(yīng)用領(lǐng)域中的重要參考依據(jù)。但是這里面的FVF值也不是越大越高，如果整個的復(fù)合材料內(nèi)都是被增強(qiáng)纖維占滿，理論上其FVF值會更高，但卻不能提高更高的性能表現(xiàn)，實(shí)際研究表明當(dāng)FVF在60%-70%的時(shí)候，復(fù)合材料的強(qiáng)度性能將會增加緩慢還會下降，這是因?yàn)闃渲w沒有辦法很好的粘合纖維，性能將會得不到保障。
上訴說到的是關(guān)于采用同樹脂，同增強(qiáng)纖維下復(fù)合材料性能會受到工藝影響的幾個方面。為了追求更高的性能，就可以采用更高性能樹脂基以及不同性能表現(xiàn)的增強(qiáng)纖維來滿足要求。現(xiàn)在特別受歡迎的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料就成為了航空航天的重要選擇，我國碳纖維技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，在高性能碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研究中更是投入了大量的科技人才，也涌現(xiàn)出很多碳纖維企業(yè)進(jìn)行高性能碳纖維研發(fā)中來，在連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料中的智上新材就彌補(bǔ)國內(nèi)這方面的短板，成功的完成了以PEEK、PPS等高性能樹脂為基體的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，現(xiàn)在不斷開始研發(fā)相對應(yīng)的產(chǎn)品零部件，跟東南亞多家品牌廠家以及飛機(jī)制作、精密儀器、醫(yī)療器械客戶形成合作。
也正是因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維使得樹脂基體性能得到了提升，在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中，我們以U/D單向預(yù)浸料為原料制作的層壓板進(jìn)行整體的性能對比。
層壓板力學(xué)性能
左： U/D預(yù)浸料層壓板的拉伸性能
右：28 U/D預(yù)浸料層壓板的壓縮性能
看上圖關(guān)于不同復(fù)合材料層壓板在失效時(shí)的強(qiáng)度和最大應(yīng)變，梯度越陡則性能越好，對比的有碳纖維、芳綸、玻璃纖維增強(qiáng)材料層壓板的拉伸性能以及壓縮性能，芳綸纖維在拉伸和壓縮性能表現(xiàn)上面有很大的不同，這在實(shí)際應(yīng)用中，就可以在拉伸性能需求的產(chǎn)品上應(yīng)用，但是在壓縮性能就表現(xiàn)平平，進(jìn)而要選擇玻璃纖維或者碳纖維增強(qiáng)的材料，整個的高性能還是碳纖維更優(yōu)，這也是為什么碳纖維被稱為“黑色黃金”的一個關(guān)鍵原因。
層壓板沖擊強(qiáng)度
上圖的層壓板沖擊強(qiáng)度比較中，玻璃纖維和芳綸纖維的表現(xiàn)更高，那層壓板的抗沖擊性還是有待商榷，因?yàn)樵趶?fù)合材料制作產(chǎn)品中的時(shí)候，如果有抗沖擊或者垂直方向有受力，會進(jìn)行對應(yīng)的鋪層設(shè)計(jì)，獲得更好的性能表現(xiàn)，智上新材在進(jìn)行碳纖維制品生產(chǎn)的時(shí)候，非常重要的一步就是跟客戶溝通產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中的性能需求，從而滿足實(shí)際應(yīng)用。
在綜合的性能比對中，能夠發(fā)現(xiàn)IM carbon（中等模量碳纖維）的拉伸性能和抗壓縮性能最好，HS carbon（高強(qiáng)度碳纖維）次之，在抗沖擊上面雖然表現(xiàn)不如軸向強(qiáng)度，但是可以通過鋪層的方式來解決。我們在開始就把眾多的纖維材料性能跟金屬材料鈦、鋼、鋁合金等材料數(shù)據(jù)對比。
碳纖維的性能優(yōu)勢非常高，質(zhì)量輕，是輕量化領(lǐng)域的不二選擇，本身的碳纖維性能就非常高，進(jìn)一步的提升復(fù)合材料的性能，就有采用熱塑性樹脂替代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的研究，智上新材就是國內(nèi)研究該項(xiàng)材料的廠家。這種連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料，除了在性能上有更高的性能優(yōu)勢，還具備碳中和的理念，讓碳纖維復(fù)合材料具備了可回收的性能優(yōu)勢，現(xiàn)如今這樣的高性能碳纖維材料主要還是在高性能領(lǐng)域中得到應(yīng)用，那在之后必然能夠帶來更大的市場應(yīng)用。
采用增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料整個的力學(xué)性能是明顯要比未增強(qiáng)的樹脂體系高出不少，當(dāng)然整個復(fù)合材料的性能還跟增強(qiáng)纖維跟樹脂復(fù)合多方面影響有關(guān)系。
復(fù)合材料的性能跟增強(qiáng)纖維本身的性能以及纖維含量、纖維取向、結(jié)合界面都有很大關(guān)系。比如增強(qiáng)碳纖維就比玻璃纖維機(jī)械性能更高，此外單位面積內(nèi)纖維克重也直接影響材料的性能，以及纖維取向也會帶來不同的性能表現(xiàn)，智上新材在制作碳纖維制品的時(shí)候，就是根據(jù)客戶的實(shí)際使用需求進(jìn)行鋪層的設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品在受力的面獲得更好的性能表現(xiàn)。
通過下表我們可以了解到最常用增強(qiáng)纖維的基本力學(xué)性能以及常見金屬材料的性能對比。
另外在復(fù)合材料中非常重要的一個性能就是纖維體積分?jǐn)?shù)簡稱FVF。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中是非常重要的一個指標(biāo)。增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)纖維與樹脂相互作用有很大關(guān)系，纖維體積分?jǐn)?shù)跟纖維緊密填充有關(guān)，簡單的理解，就是相同體積下的復(fù)合材料中，如果你纖維數(shù)量更多，那纖維體積分就更高，也就能夠提供更高的性能。
這里面就引申出復(fù)合材料的制作工藝，不同的制作工藝中增強(qiáng)纖維數(shù)量不同，另外采用的纖維是粗纖維還是更細(xì)纖維就有非常大的關(guān)系。跟較粗纖維或者纖維間隙比較大的織物相比，較細(xì)的纖維能夠提供更高的FVF值，這里就引申到纖維直徑的知識點(diǎn)。
纖維直徑越小，那在復(fù)合材料中，就會有更多的界面面積跟樹脂接觸，就能夠提供更高的纖維體積分?jǐn)?shù)，接觸的界面面積越大情況下，也就能夠更好的分散纖維與基體樹脂的負(fù)載，這是針對同一款基體樹脂采用不同增強(qiáng)纖維直徑的直觀對比，也是航空航天等高性能應(yīng)用領(lǐng)域中的重要參考依據(jù)。但是這里面的FVF值也不是越大越高，如果整個的復(fù)合材料內(nèi)都是被增強(qiáng)纖維占滿，理論上其FVF值會更高，但卻不能提高更高的性能表現(xiàn)，實(shí)際研究表明當(dāng)FVF在60%-70%的時(shí)候，復(fù)合材料的強(qiáng)度性能將會增加緩慢還會下降，這是因?yàn)闃渲w沒有辦法很好的粘合纖維，性能將會得不到保障。
也正是因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維使得樹脂基體性能得到了提升，在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中，我們以U/D單向預(yù)浸料為原料制作的層壓板進(jìn)行整體的性能對比。
層壓板力學(xué)性能
右：28 U/D預(yù)浸料層壓板的壓縮性能
看上圖關(guān)于不同復(fù)合材料層壓板在失效時(shí)的強(qiáng)度和最大應(yīng)變，梯度越陡則性能越好，對比的有碳纖維、芳綸、玻璃纖維增強(qiáng)材料層壓板的拉伸性能以及壓縮性能，芳綸纖維在拉伸和壓縮性能表現(xiàn)上面有很大的不同，這在實(shí)際應(yīng)用中，就可以在拉伸性能需求的產(chǎn)品上應(yīng)用，但是在壓縮性能就表現(xiàn)平平，進(jìn)而要選擇玻璃纖維或者碳纖維增強(qiáng)的材料，整個的高性能還是碳纖維更優(yōu)，這也是為什么碳纖維被稱為“黑色黃金”的一個關(guān)鍵原因。
層壓板沖擊強(qiáng)度
在綜合的性能比對中，能夠發(fā)現(xiàn)IM carbon（中等模量碳纖維）的拉伸性能和抗壓縮性能最好，HS carbon（高強(qiáng)度碳纖維）次之，在抗沖擊上面雖然表現(xiàn)不如軸向強(qiáng)度，但是可以通過鋪層的方式來解決。我們在開始就把眾多的纖維材料性能跟金屬材料鈦、鋼、鋁合金等材料數(shù)據(jù)對比。
碳纖維的性能優(yōu)勢非常高，質(zhì)量輕，是輕量化領(lǐng)域的不二選擇，本身的碳纖維性能就非常高，進(jìn)一步的提升復(fù)合材料的性能，就有采用熱塑性樹脂替代傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的研究，智上新材就是國內(nèi)研究該項(xiàng)材料的廠家。這種連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料，除了在性能上有更高的性能優(yōu)勢，還具備碳中和的理念，讓碳纖維復(fù)合材料具備了可回收的性能優(yōu)勢，現(xiàn)如今這樣的高性能碳纖維材料主要還是在高性能領(lǐng)域中得到應(yīng)用，那在之后必然能夠帶來更大的市場應(yīng)用。
立刻在線咨詢（無需登錄）
