Как влияет ориентация волокон на композиты из углеродного волокна?

Ориентация углеродного волокна: определение, типы и влияние на листы углеродного волокна

I. Ориентация углеродного волокна: базовое определение

Ориентация углеродного волокна означает расположение углеродных волокон в композитном материале (например, в листе углеродного волокна) в определенном направлении. Поскольку углеродные волокна являются анизотропными материалами с высоким соотношением сторон, их ориентация в матрице напрямую определяет макроскопические свойства композиционного материала. Ориентация – это, по сути, направленная конструкция пути передачи напряжения в композитном материале с помощью углеродных волокон. Контролируя направление волокон, можно оптимизировать характеристики материала при различных нагрузках.

II. Основные типы ориентации углеродного волокна

Ориентацию углеродного волокна можно классифицировать по направлению расположения, углу или форме конструкции. Распространенными типами являются следующие:

1. Классификация по направлению расположения волокон.

Однонаправленная ориентация (UD): все углеродные волокна расположены параллельно в одном направлении (например, под углом 0°), что является наиболее типичной формой ориентации. Волокна расположены вертикально и беспорядочно разбросаны.

Двунаправленная ориентация (BD): волокна располагаются поочередно в двух ортогональных направлениях (например, 0°/90°), образуя слоистую структуру (каждый слой является однонаправленным, а слои ортогональны друг другу).

Разнонаправленная ориентация: волокна расположены под тремя или более углами (например, 0°/±45°/90°), что обычно используется в приложениях, требующих выдерживания нескольких нагрузок.

Случайная ориентация: волокна беспорядочно рассеяны в матрице (например, в композитах из рубленого углеродного волокна), демонстрируя макроскопическую изотропию, но со значительно более низкой прочностью, чем направленная ориентация.

2. Классификация по структурной форме (для непрерывных волокон)

Ориентация ткани: волокна переплетаются в сеть с использованием процессов ткачества (например, полотняного переплетения, саржевого переплетения, атласного переплетения).

Ориентация нетканого материала: волокна укладываются слоями без переплетения (например, укладка препрега), фиксируются только смоляным связующим, сохраняя линейное расположение волокон.

Пластиковый лист, армированный углеродным волокном, также называемый листом углепластика

III. Влияние ориентации углеродного волокна на листы углеродного волокна

Свойства (механические, термические, технологические и т. д.) листов углеродного волокна тесно связаны с ориентацией волокон, главным образом в следующих аспектах:

1. Анизотропия механических свойств.

Свойства в направлении ориентации. Углеродные волокна обладают чрезвычайно высокой прочностью и модулем упругости в направлении ориентации (например, 0°), поскольку напряжение может эффективно передаваться на ось волокна через матрицу, полностью используя их высокие прочностные характеристики.

Свойства, перпендикулярные направлению ориентации: Прочность и модуль значительно уменьшаются перпендикулярно направлению ориентации (например, 90°), поскольку волокна не могут эффективно выдерживать поперечные нагрузки, полагаясь главным образом на силу матрицы и межфазного сцепления.

Балансировка разнонаправленной ориентации: комбинируя разные углы (например, 0°/±45°/90°), можно оптимизировать прочность при многоосных нагрузках, избегая разрушения в одном направлении. Например, ориентация ±45° может улучшить сопротивление сдвигу и кручению.

2. Межламинарные свойства и способность противостоять расслоению.

В однонаправленных или двунаправленных пластинах из углеродного волокна межламинарная прочность на сдвиг (между различными укладками) низкая, поскольку в межламинарных слоях отсутствуют непрерывные перемычки волокон, что делает их склонными к расслоению при неплоских нагрузках (например, ударах).

Разнонаправленная ориентация (например, включение слоев ±45°) или тканые структуры могут улучшить межслоевое соединение за счет переплетения волокон, снижая риск расслоения.

3. Тепловое расширение и стабильность размеров.

Листы из однонаправленного углеродного волокна имеют коэффициент теплового расширения (КТР), близкий к 0 (или даже отрицательный, поскольку само углеродное волокно имеет отрицательный КТР) вдоль направления волокна, тогда как КТР, перпендикулярный волокну, выше. Эта разница может привести к короблению листа.

Разнонаправленная ориентация (например, симметричная укладка 0°/90°) может компенсировать разницу в тепловом расширении за счет симметричной структуры, улучшая стабильность размеров.

4. Обработка и формуемость

Однонаправленные листы склонны к разрывам в направлении волокон (из-за низкой поперечной прочности), но подходят для применений, требующих высоких осевых характеристик.

Тканые листы или листы с ориентацией ±45° обладают большей прочностью, менее склонны к растрескиванию во время обработки и подходят для формования сложной формы.

Резюме: Ориентация углеродного волокна является основным фактором, определяющим характеристики композитных материалов. Путем проектирования направления расположения волокон (однонаправленного, двунаправленного, многонаправленного или тканого) можно оптимизировать механические, термические и технологические свойства листов углеродного волокна в различных сценариях. В практических приложениях соответствующая схема ориентации должна быть выбрана в соответствии с требованиями нагрузки (например, одноосное растяжение, многоосная усталость, удар), чтобы сбалансировать преимущества и ограничения, налагаемые анизотропией.

November 03, 2025