从层压板性能看不同增强纤维表现

　　在之前我们解读过有关于复合材料中的增强纤维类型的文章，那不同的增强纤维下的复合材料力学性能表现也有很大的区别，就以尤为常见的层压板性能上来看各种不同增强纤维下的性能比对。
　　采用增强纤维的复合材料整个的力学性能是明显要比未增强的树脂体系高出不少，当然整个复合材料的性能还跟增强纤维跟树脂复合多方面影响有关系。
　　复合材料的性能跟增强纤维本身的性能以及纤维含量、纤维取向、结合界面都有很大关系。比如增强碳纤维就比玻璃纤维机械性能更高，此外单位面积内纤维克重也直接影响材料的性能，以及纤维取向也会带来不同的性能表现，智上新材在制作碳纤维制品的时候，就是根据客户的实际使用需求进行铺层的设计，让产品在受力的面获得更好的性能表现。
　　通过下表我们可以了解到最常用增强纤维的基本力学性能以及常见金属材料的性能对比。 　　复合材料应用中，性能跟纤维设计有很大的关系，增强纤维都是沿轴线方向强度性能高，不同于金属材质的各向同性，而是各向异性，那纤维在复合材料中特定方向的性能得到支持，通过设计铺层，沿着主要载荷路径进行铺层放置，就能够更好的满足要求。
　　另外在复合材料中非常重要的一个性能就是纤维体积分数简称FVF。在航空航天领域的应用中是非常重要的一个指标。增强纤维复合材料的性能与增强纤维与树脂相互作用有很大关系，纤维体积分数跟纤维紧密填充有关，简单的理解，就是相同体积下的复合材料中，如果你纤维数量更多，那纤维体积分就更高，也就能够提供更高的性能。
这里面就引申出复合材料的制作工艺，不同的制作工艺中增强纤维数量不同，另外采用的纤维是粗纤维还是更细纤维就有非常大的关系。跟较粗纤维或者纤维间隙比较大的织物相比，较细的纤维能够提供更高的FVF值，这里就引申到纤维直径的知识点。
纤维直径越小，那在复合材料中，就会有更多的界面面积跟树脂接触，就能够提供更高的纤维体积分数，接触的界面面积越大情况下，也就能够更好的分散纤维与基体树脂的负载，这是针对同一款基体树脂采用不同增强纤维直径的直观对比，也是航空航天等高性能应用领域中的重要参考依据。但是这里面的FVF值也不是越大越高，如果整个的复合材料内都是被增强纤维占满，理论上其FVF值会更高，但却不能提高更高的性能表现，实际研究表明当FVF在60%-70%的时候，复合材料的强度性能将会增加缓慢还会下降，这是因为树脂基体没有办法很好的粘合纤维，性能将会得不到保障。 　　上诉说到的是关于采用同树脂，同增强纤维下复合材料性能会受到工艺影响的几个方面。为了追求更高的性能，就可以采用更高性能树脂基以及不同性能表现的增强纤维来满足要求。现在特别受欢迎的连续碳纤维热塑性复合材料就成为了航空航天的重要选择，我国碳纤维技术近年来发展迅猛，在高性能碳纤维复合材料技术研究中更是投入了大量的科技人才，也涌现出很多碳纤维企业进行高性能碳纤维研发中来，在连续碳纤维热塑性复合材料中的智上新材就弥补国内这方面的短板，成功的完成了以PEEK、PPS等高性能树脂为基体的热塑性碳纤维复合材料，现在不断开始研发相对应的产品零部件，跟东南亚多家品牌厂家以及飞机制作、精密仪器、医疗器械客户形成合作。
　　也正是因为增强纤维使得树脂基体性能得到了提升，在实际的产品应用中，我们以U/D单向预浸料为原料制作的层压板进行整体的性能对比。
　　层压板力学性能 　　左： U/D预浸料层压板的拉伸性能
　　右：28 U/D预浸料层压板的压缩性能
　　看上图关于不同复合材料层压板在失效时的强度和最大应变，梯度越陡则性能越好，对比的有碳纤维、芳纶、玻璃纤维增强材料层压板的拉伸性能以及压缩性能，芳纶纤维在拉伸和压缩性能表现上面有很大的不同，这在实际应用中，就可以在拉伸性能需求的产品上应用，但是在压缩性能就表现平平，进而要选择玻璃纤维或者碳纤维增强的材料，整个的高性能还是碳纤维更优，这也是为什么碳纤维被称为“黑色黄金”的一个关键原因。
　　层压板冲击强度 　　上图的层压板冲击强度比较中，玻璃纤维和芳纶纤维的表现更高，那层压板的抗冲击性还是有待商榷，因为在复合材料制作产品中的时候，如果有抗冲击或者垂直方向有受力，会进行对应的铺层设计，获得更好的性能表现，智上新材在进行碳纤维制品生产的时候，非常重要的一步就是跟客户沟通产品实际应用中的性能需求，从而满足实际应用。
在综合的性能比对中，能够发现IM carbon（中等模量碳纤维）的拉伸性能和抗压缩性能最好，HS carbon（高强度碳纤维）次之，在抗冲击上面虽然表现不如轴向强度，但是可以通过铺层的方式来解决。我们在开始就把众多的纤维材料性能跟金属材料钛、钢、铝合金等材料数据对比。
碳纤维的性能优势非常高，质量轻，是轻量化领域的不二选择，本身的碳纤维性能就非常高，进一步的提升复合材料的性能，就有采用热塑性树脂替代传统环氧树脂的研究，智上新材就是国内研究该项材料的厂家。这种连续碳纤维热塑性复合材料，除了在性能上有更高的性能优势，还具备碳中和的理念，让碳纤维复合材料具备了可回收的性能优势，现如今这样的高性能碳纤维材料主要还是在高性能领域中得到应用，那在之后必然能够带来更大的市场应用。