平纹编织CSiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

碳纤维复合材料的拉伸强度

引言

碳纤维复合材料是一种具有优异力学性能和轻质化特点的新型材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。其中，拉伸强度是评价碳纤维复合材料性能的重要指标之一。本文将详细介绍碳纤维复合材料的拉伸强度及其相关知识。

1. 拉伸强度的定义

拉伸强度是指材料在拉伸过程中所能承受的最大拉力。它是材料抵抗拉伸破坏的能力的一个重要参数。通常以标称断裂强度来表示，单位为MPa。

2. 碳纤维复合材料的构成和制备

碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成。碳纤维是一种由碳元素组成的纤维状材料，具有高强度和高模量的特点。树脂基体则起到支撑和保护碳纤维的作用。

制备碳纤维复合材料的过程主要包括以下几个步骤：

1. 碳纤维预处理：将原始碳纤维进行表面处理，提高其与树脂基体的黏结性；

2. 预浸料制备：将经过预处理的碳纤维浸渍于树脂基体中，形成预浸料；

3. 预浸料层叠：将多层预浸料叠加在一起，形成复合材料板材；

4. 热压固化：将复合材料板材放入热压机中进行高温高压的热固化处理；

5. 加工成型：根据产品的需求，对固化后的复合材料进行切割、成型等加工工艺。

3. 影响拉伸强度的因素

碳纤维复合材料的拉伸强度受到多种因素的影响，主要包括：

3.1 纤维性能

碳纤维的性能直接影响到复合材料的拉伸强度。碳纤维的强度和模量决定了复合材料的整体性能。通常采用高强度、高模量的碳纤维可以提高复合材料的拉伸强度。

3.2 纤维体积分数

纤维体积分数是指在复合材料中纤维的体积占比。增加纤维体积分数可以提高复合材料的拉伸强度，因为纤维是主要承载力的成分。 3.3 树脂基体性能

树脂基体的性能对拉伸强度也有一定的影响。具有较高强度和良好黏结性的树脂基体可以提供更好的支撑和保护作用，从而提高复合材料的拉伸强度。

3.4 加工工艺

碳纤维复合材料的制备过程中的加工工艺也会对拉伸强度产生影响。合理的加工工艺可以保证复合材料的均匀性和一致性，从而提高拉伸强度。

复合材料的界面力学性能测试

在现代材料科学领域，复合材料因其出色的性能表现而备受关注。复合材料由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺结合在一起，从而展现出单一材料所不具备的优异性能。然而，复合材料的性能并非简单地取决于其组成材料的性能之和，其中界面的力学性能起着至关重要的作用。

复合材料的界面是指不同组分材料之间的过渡区域，其厚度通常在几纳米到几微米之间。虽然界面区域相对较小，但它对复合材料的整体力学性能，如强度、韧性、疲劳性能等，有着显著的影响。因此，准确测试和评估复合材料的界面力学性能对于优化复合材料的设计、制造和应用具有重要意义。

目前，用于测试复合材料界面力学性能的方法多种多样，每种方法都有其特点和适用范围。其中，微拉伸试验是一种常用的方法。在微拉伸试验中，通过制备微小尺寸的试样，并使用高精度的拉伸试验机对其进行拉伸，测量试样在拉伸过程中的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线，可以获得复合材料界面的强度、弹性模量等力学性能参数。然而，微拉伸试验对试样的制备要求极高，需要保证试样的尺寸精度和表面质量，同时试验过程中的夹持和加载也需要特别小心，以避免试样的过早破坏。

另一种常用的测试方法是纤维拔出试验。这种试验通常用于研究纤维增强复合材料的界面性能。在试验中，将纤维从基体中拔出，测量拔出过程中的力位移曲线。通过对曲线的分析，可以得到界面的剪切强度等性能参数。纤维拔出试验的优点是能够直接测量界面的剪切性能，但试验结果容易受到纤维的埋入长度、纤维的直径以及基体的性能等因素的影响。

除了上述两种方法外，还有界面断裂韧性测试、界面疲劳性能测试等方法。界面断裂韧性测试通常采用单边缺口弯曲试验或紧凑拉伸试验等方法，通过测量试样在断裂过程中的能量释放率来评估界面的断裂韧性。界面疲劳性能测试则是通过对试样进行反复加载，观察界面在疲劳载荷作用下的损伤演化和失效行为。

在进行复合材料界面力学性能测试时，需要考虑多个因素的影响。首先是试样的制备。试样的制备过程应该尽可能模拟实际复合材料的制造工艺，以保证测试结果的可靠性。例如，在纤维增强复合材料中，纤维的表面处理、纤维的排列方式以及基体的固化工艺等都会影响界面的性能，因此在试样制备时需要严格控制这些参数。

第３１卷第１期　２０１０年１月　纺织学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．１　Ｊａｎ．，２０１０　文章编号：０２５３—９７２１（２０１０）０１—００６４－０４　基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测：　２．复合材料层合板拉伸过程的有限元分析　左中鹅　，王　（１．太原理工大学轻纺工程与美术学院，山西晋中　瑞　，徐　磊　０３０６００；２．天津工业大学纺织学院，天津３００１６０）　摘要针对实际使用中平纹织物复合材料铺层角度问题，将０。／４５。／９０。／一４５。铺层的层合板作为有限元分析对　象，研究其犬骨试验件在单向拉伸作用下的响应。分析过程中，将试样视作宏观均匀的弹性材料，利用已得出的平　纹织物复合材料的物性值，以８节点块单元对模型进行离散，通过分步施加载荷，得到复合材料的应力与应变曲　线。与实测值作对比发现，仿真结果同实测结果相吻合。将节点反力作为复合材料单胞模型的边界条件，对复合　材料进行失效预测。结果表明：角度铺层设计可以减弱细观结构的开裂和分层；且在承受相同的拉伸应力下，铺层　复合材料单胞内树脂单元失效的数量少，因此具有更高的强度。　关键词　有限单元法；平纹织物复合材料；力学性能；强度评价；层合板　中图分类号：ＴＢ　３３２　文献标志码：Ａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ｗｏｖｅｎ　ｆａｂｒｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：　２．ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ＺＵＯ　Ｚｈｏｎｇ　ｅ　，ＷＡＮＧ　Ｒｕｉ　，ＸＵ　Ｌｅｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｔ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ　０３０６００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａ　ｎ　３００１６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｌａｙｅｒ　ａｎｇｌｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｉｎ　ｗｏｖｅｎ　ｆａｂｒｉｃ　ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ａ　ｐｌａｉｎ　ｗｏｖｅｎ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｔｈ　０。／４５。／９０。／一４５。４－ｌａｙｅｒｅｄ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｇ—ｂｏｎｅ　ｓｈａｐｅｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　Ｓ　ｓｔｒｅｔｃｈ　ｕｎｄｅｒ　ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｄｕｒｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｗａｓ　ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ａ　ｍａｃｒｏ—ｕｎｉｆｏｒｍｅｄ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．　Ｔｈｅ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ　ｗｅｒｅ　ｍｅｓｈｅｄ　ｂｙ　８－ｎｏｄｅ—ｓｏｌｉｄ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｂｙ　ｓｔｅｐ　ｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ．Ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｓｕｂ－ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ－－ｌａｙｅｒｅｄ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ　ｈａｖｅ　ｌｅｓｓ　ｃｒａｃｋｓ　ａｎｄ　ｄｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｏｎｅ・－ｗａｙ　ｌａｙｅｒｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅｄ　ｒｅｓｉｎ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｌｅｓｓ，ｔｏｏ．Ｔｈｉｓ　ｗｉｌｌ　ｂｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒｅｄ　ｌａｍｉｎａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｐｌａｉｎ　ｗｏｖｅｎ　ｆａｂｒｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌａｍｉｎａｔｅ　平纹织物复合材料具备良好的力学性能，且成　本较低，现已大量用于高强度结构制品中。近年来，　随着对复合材料强度的重视，关于复合材料强度的　预测多有报道　。平纹织物复合材料的性能预测　应考虑多个方面，其在宏观上为均质材料，受外力作　用时，载荷沿复合材料结构分布均匀，而复合材料的　损伤多源于细观结构的失效，与纱线分布的空间几　何关系密切相关。文献［５］对平纹织物复合材料的　特征体积单元（ＲＶＥ）进行了有限元建模，成功地预　测了单层织物或单向铺层复合材料的拉伸强度。但　收稿日期：２００８—１１—２８　修回日期：２００９—０８—１３　作者简介：左中鹩（１９６３一），男，副教授。研究方向为纺织材料及纺织品设计、纺织复合材料等。Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｙｑｆｍｙ＠１６３．ｃｏｒｎ。

织物结构对复合材料力学性能的影响

复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新型材料，其中织物结构作为一种常用的增强材料，对复合材料的力学性能有着重要的影响。织物结构种类繁多，比如平纹、斜纹、缎纹等，每种结构都有着不同的特点和性能，下面我们就织物结构对复合材料力学性能的影响进行探讨。

首先，织物结构对复合材料的强度和刚度有着直接的影响。不同的织物结构所构成的复合材料在拉伸和压缩强度、模量等方面表现出不同的性能。例如，平纹织物结构由于纤维在弯曲过程中纠正了互相的偏离，从而使复合材料的抗拉强度和刚度增加；而斜纹织物结构则由于纤维倾斜方向不同，可使复合材料在拉伸和剪切方向上都具有较高的强度和刚度。因此，在选择织物结构时，根据复合材料的实际使用情况，选择合适的织物结构能够提高复合材料的强度和刚度，增强其使用寿命和安全性。

其次，织物结构对复合材料的热稳定性和热传导性能也有着一定的影响。不同的织物结构对热稳定性和热传导性能的影响主要体现在纤维形状、排列方式和纤维间的接触程度上。例如，缎纹织物结构由于纤维紧密地排列在一起，纤维间的接触面积较大，从而提高了复合材料的热传导性能；而平纹织物结构则由于纤维排列较分散，导致热传导性能较差。因此，在设计复合材料的应用场景时，选择适当的织物结构能够提高复合材料的热稳定性，防止过热引起的变形和破坏。

此外，织物结构对于复合材料的冲击和疲劳性能也有所影响。冲击性能是评价复合材料耐冲击性能的重要指标，而疲劳性能则是评价复合材料在长期循环加载下的性能。织物结构通过纤维的排列和分布对复合材料的冲击和疲劳性能进行调控。例如，斜纹织物结构由于纤维的倾斜，能够使复合材料在受到冲击时产生较大的变形能量，从而增加其耐冲击性能；而平纹织物结构由于纤维排列均匀，能够使复合材料的应力分布均匀，从而提高其疲劳性能。因此，在设计需要耐冲击或长期使用的复合材料时，选择适宜的织物结构非常关键。 织物结构对复合材料的力学性能影响的研究已经取得了很多进展，但仍有待深入研究和探索。未来，我们可以通过模拟和实验的方法，进一步揭示织物结构与复合材料力学性能之间的内在关系，并根据实际需求，设计出更高性能的复合材料。