CFRP 复合材料：优点和缺点

投稿专栏 • 2023年1月2日 09:23 • 阅读 5838

几十年来，碳纤维/环氧树脂等纤维增强聚合物 (FRP) 复合材料已用于航空航天和体育用品等利基市场。但随着原材料和制造成本的下降，其他市场和潜在最终用户更容易获得这些材料。

复合材料的优势

对于习惯于使用更传统材料的人来说，他们为什么要考虑在他们的应用中使用复合材料？最常见的答案是轻量化。当然，复合材料具有优于金属的强度和刚度重量比。

耐腐蚀性是复合材料制造商吹捧的另一个共同优势。虽然复合材料还存在其他环境问题，例如对温度和湿度的敏感性，但复合材料确实不会像金属那样生锈。

但是，复合材料还有其他独特的特性可以吸引零件或结构设计师。

例如，复合材料通常以层压形式制造，这意味着板或管或其他部件是通过堆叠或层压多层薄纤维增强聚合物树脂制成的。在每一层中，纤维都可以在优化的方向上定向以承载应力。层叠层的精心设计可以提供优于各向同性材料的定制机械性能——在各个方向上作用相同的材料。

复合材料的另一个鲜为人知的优点是它们非常耐损坏。与金属可能因单个裂纹的萌生和扩展而失效相反，精心设计的复合材料通常会因许多微观损伤机制的缓慢累积而失效。

纤维往往会使传播的裂缝变钝，因此通过让纤维在多个方向上运行，缓慢增长的裂缝要么被阻止，要么被迫改变方向。无论是以单调方式加载到失效还是在数百万次循环中循环加载，损坏的演变可能包括基体（树脂）裂纹、纤维-基体脱粘、纤维断裂和分层。

结果是刚度或模量随时间损失，并且在一些刚度控制的应用中，设计者必须考虑刚度的变化。这样做，由此产生的强度安全系数通常非常高。这种损伤容限还可以改变疲劳寿命曲线的形状，这也可能对设计或测试程序产生影响。

复合材料的挑战

当然，这些优势也带来了一些挑战。疲劳性能的提高可能伴随着疲劳寿命和强度的更大分散，需要在设计许用值方面更加保守。

复合材料对缺口和孔也很敏感，并且由于没有纤维，它们在厚度方向上通常很脆弱。因此，螺栓连接或夹紧连接等连接需要仔细考虑以避免压碎。

由于复杂的纤维结构，应力分析和设计通常更加困难，因此分析师和设计师可以从复合材料力学、有限元分析、断裂力学、聚合物工程、粘附科学和化学方面的正规培训中获益。