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复合材料结构设计时的主要强度类型分析

   日期:2020-05-14     来源:中科院碳纤维及其复合材料实验室    浏览:3297    
核心提示:通过将特定的树脂和增强剂结合在一起,可以定制配方并满足任何应用所需的强度要求。例如,可以通过调整树脂和增强材料的比例,或
通过将特定的树脂和增强剂结合在一起,可以定制配方并满足任何应用所需的强度要求。例如,可以通过调整树脂和增强材料的比例,或将纤维调整到一个方向或多个方向。
 
由于复合材料具有各向异性特征,这意味着材料特性会根据增强纤维的位置和层数而变化。这也提供了工程上的灵活性,因此设计人员可以定制最终产品的属性。影响结构设计的强度类型主要有四种:比强度,抗张强度,抗剪强度和抗压强度。

比强度
 
材料的强度重量比(也称为其比强度)是强度与重量的比值,即材料的强度除以其密度所提供的强度。
 
复合材料领域的工程师正日益寻求具有高比强度的材料。一些材料如钢非常坚固但沉重。其他材料可能又轻又结实,例如竹竿。复合材料可以设计成既坚固又轻巧。由于复合材料具有很高的强度重量比,因此复合材料成为飞机和汽车等对重量最重要的应用的抢手材料。

拉伸强度
 
拉伸强度是指材料在断裂、变形或以其他方式失效时可以承受的应力量。而抗张强度的一种衡量标准是抗弯强度,即材料或结构承受弯曲的能力。拉伸强度和弯曲强度是工程师和设计师的重要测量指标。想象一下如何在不知道承受多大压力的情况下能够建造桥面甲板吗?
 
拉伸强度因材料而异,单位为兆帕(MPa)。例如,它取决于纤维取向和其他设计因素,钢的极限抗拉强度范围为400至690MPa,而碳纤维增强的聚合物复合材料的极限强度为1,200至2,410 MPa。
 
剪切强度
 
剪切强度描述了当层间移动或滑动时材料对应变的抵抗能力。重要的是要知道在破坏之前材料可以承受的最大剪切应力(或每单位面积的力)。这样,工程师和设计人员就可以知道结构可以支撑的重量或负载量,以及在不同方向施加力时结构可能发生的情况。
 
复合材料的剪切强度会根据配方和设计而变化,在设计复合材料时可使剪切应力在一个平面内,横向于该平面或整个层(层间)定向。有几种控制剪切特性的方法,包括纤维取向、层序、所用纤维的类型和体积、芯材的类型和密度等等。
 
抗压强度
 
抗压(压缩)强度表示材料在受压压缩或压平时的性能。有些材料达到抗压强度极限时会破裂或断裂,而另一些材料会永久变形。
 
混凝土和陶瓷等材料通常具有较高的抗压强度,但具有较低的抗拉强度。相反,复合材料通常具有比压缩强度更高的拉伸强度。压缩加载的复合材料可能会弯曲、扭结或挤压。因此,评估针对特定应用选择的特定纤维和树脂组合的压缩载荷并相应地调整配方非常重要。
 
 
 
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