详解碳纤维复合材料结构力学与设计的七大特点

  碳纤维复合材料结构构件设计和制作与一般结构有显著区别。江苏博实碳纤维科技有限公司认为在碳纤维复合材料构件设计中应该首先明确设计条件,充分考虑到这种材料的复合特性、结构使用要求、应用环境等多方面的因素。
 
  碳纤维复合材料构件的力学设计具有以下特点:
 
  一、材料设计、结构设计和工艺设计要同时进行
 
  在进行产品结构的设计中,除了考虑增强材料、基体材料、芯材的选择外,如碳纤维蜂窝夹心结构,还根据构件的受力特点进行了铺层方案的设计,并且同时考虑了工艺方案对构件的影响。
 
碳纤维铝蜂窝板
(图示:由我公司研制的超轻碳纤维铝蜂窝JY方舱门板)
 
  二、结构特性的可设计性
 
  碳纤维复合材料的强度和刚度依赖于所选的增强材料类型、纤维的铺设方向、纤维的含量、树脂基体特性以及芯材性能。根据受力特点可按纤维铺设方向分为准各向同性材料、正交各项异性材料和只在一个方向有高强度和刚度的单向性材料。
 
  三、材质的各向异性
 
  碳纤维复合材料的单向层合结构沿纤维方向比垂直于纤维方向的强度和刚度要大很多倍,常常在受力过程中出现这样的破坏模式:承担主要荷载的纤维方向上没有受破坏,反而在其它方向低压力下发生了破坏,这是构件设计中需要注意的。另外,碳纤维复合材料材质的各项异性还表现在构件复合层所受正应力会引起剪应变、剪应力又会引起线应变;弯距会引起扭转变形,扭转也可能引起弯曲变形。因此,这样的交叉效果给复合材料构件的测试带来了一定的不确定性。
 
  四、材料的不均匀性
 
  碳纤维复合材料在宏观和微观上都是不均匀的,这种不均匀性带来碳纤维复合材料层合结构构件的耦合效应,即在小变形的情况下,面内的内力会导致弯曲变形,弯曲内力会引起面内变形,从而构件的破坏形式复杂多样。
 
  五、较低的层间性能
 
  金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%,而碳纤维复合材料构件的层间剪切强度和层间拉伸强度最高只能达到基体树脂的剪切强度和拉伸强度,因而试验构件的树脂基体选材十分重要,实际构件中必须对构件这方面的薄弱部位进行相应的加强。
 
  六、线弹性性能
 
  碳纤维增强树脂即复合材料的应力一应变曲线直到构件破坏是都仍是线性关系,塑性很小,不像金属材料具有明显的塑性屈服阶段。在碳纤维复合材料构件受力时高应力会导致纤维断裂,进而引发邻近区域纤维的断裂,很快结构破坏。
 
  七、材料性能的分散性
 
  碳纤维复合材料性能的分散性在很大程度上是由于纤维性能的离散性带来的,同一类而不同批次的构件性能差异都有可能很大,所以造成构件测试结果的离散度必然较大。
 
  综上所述,碳纤维树脂基复合材料构件的性能主要与增强材料、芯材、树脂基体有关,还要受到结构形式、成型工艺、制作过程等因素的影响。复合材料本身具有离散性大的特性,为了使产品性能尽可能达到设计目标,必须根据产品技术要求选择合适的复合基材和成型工艺并且严格设计和控制制作过程。
 
  江苏博实碳纤维科技有限公司是一家专业从事碳纤维复合材料制品的研发生产的企业,公司于2018年通过GJB武器装备质量管理体系认证,为公司从事碳纤维军品研发生产提供的质量管控,至今已为航天JG单位研发了某型号战略武器碳纤维部件、碳纤维外骨骼机器人、碳纤维机械臂、碳纤维载弹舱、碳纤维高速靶机、碳纤维JG后勤保障装备等一系列产品。