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(lái)不同的性能優(yōu)勢(shì)，本文以碳纖維層壓板為例來(lái)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(huì)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(shí)各向異性、各向同性、準(zhǔn)各向同性
各向異性：簡(jiǎn)單的理解，就是整個(gè)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(gè)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(guò)其他鋪層設(shè)計(jì)后就會(huì)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(cè)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(shuō)，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(huì)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(guò)鋪層取向，彌補(bǔ)垂直受力的脆性，既突出輕量化優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(guò)合理的設(shè)計(jì)，具備了各向同性的性能優(yōu)勢(shì)。
準(zhǔn)各向同性的碳纖維層壓板在方向平衡下，就會(huì)在每個(gè)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(huì)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(gè)四個(gè)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(guò)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(shí)候，疊層需要對(duì)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(shuō)到了碳纖維層壓板在鋪層的時(shí)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(huì)帶來(lái)不同的性能體現(xiàn)，通過(guò)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(shì)，就可以提升碳纖維材料的性能來(lái)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(guò)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(shí)。
在碳纖維層壓板的設(shè)計(jì)上面，會(huì)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(jiǎn)單的理解，就是整個(gè)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(gè)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(guò)其他鋪層設(shè)計(jì)后就會(huì)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(cè)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(shuō)，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(huì)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(guò)鋪層取向，彌補(bǔ)垂直受力的脆性，既突出輕量化優(yōu)勢(shì)，在強(qiáng)度剛度性能上也能有保障。
通過(guò)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(guò)合理的設(shè)計(jì)，具備了各向同性的性能優(yōu)勢(shì)。
準(zhǔn)各向同性的碳纖維層壓板在方向平衡下，就會(huì)在每個(gè)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(huì)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(gè)四個(gè)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(guò)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(shí)候，疊層需要對(duì)稱，材料中的纖維樹脂比、厚度也要一致。
上面說(shuō)到了碳纖維層壓板在鋪層的時(shí)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(huì)帶來(lái)不同的性能體現(xiàn)，通過(guò)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(shì)，就可以提升碳纖維材料的性能來(lái)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(guò)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(shí)。
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