第二章 轻量化材料

    为了阐述聚合物基复合材料方面的知识，本节在解释了复合材料的构造原理之后，介绍了用于复合材料构造的纤维材料和基体材料。为了有效地选择材料，解释了针对复合件的材料性能的特性。由于成本的原因，在生产固体的、刚性的复合材料结构时优先采用毛坯，因此本节选择介绍了目前市场上常用的线形、面形与三维的纤维毛坯以及浸渍毛坯。对于复合材料的优化使用来说，在适当选择材料的同时，材料的设计也非常关键。通过文中选择的层压板，讨论了与层合构造相关的各向异性的材料性能，阐述了与应力载荷状态相对应的材料几何参数设计，最后还指出了在层叠纤维复合结构中出现的耦合效应与层合边界效应，在传统材料的构件中则不存在这些现象。
2.2.1引言
    由于具备多样性和灵活性的特点，聚合物基复合材料已经成为重要的轻量化材料。由于聚合物基复合材料所具有的独特优点，使得聚合物基复合材料在工业中得到了日益广泛的应用。除了航空航天工业之外，聚合物基复合材料还广泛应用于交通工业（造船、机车和汽车制造等）、体育用品、离岸结构、国防工业与建筑行业（地上建筑、室内设计、旧房翻新等）等。
    将聚合物基复合材料作为设计材料需要采用新的技术，这些新的技术与传统材料（如钢或者铝）所采用的技术区别非常大。因为在轻量化结构中，实现对聚合物基复合材料的优化利用与有效使用意义重大，所以需要采用与这一技术相适应的方案、设计与制造方法。
本节的目的在于，在考虑到材料构造和材料选择的基础上，介绍聚合物基复合材料的多样性和灵活性，同时也指出了材料行为的复杂性。
2.2.2材料构造
    从技术层面看，复合材料是两种或者多种材料在一个材料内的组合，材料的不同组件之间有着明显的界面。通过这样的材料组合，可以在确定的界限内，根据需要对复合材料的性能进行设计，由此得到的复合材料的性能与每个单一材料的性能相比有明显的改善。
    在聚合物基复合材料中，材料组合中至少有一个增强相。增强相由拓扑上无内在关联的纤维或者颗粒构成，并植入聚合物基体中。由于在轻量化中主要采用纤维作为增强材料，下面的内容只涉及纤维增强的聚合物基复合材料。纤维复合材料的特点是：在材料中，具有高强度和高刚度的纤维的主要功能是承载，而相对软的聚合物基体则用来保证复合件的连接和形状。
    高性能复合材料是由连续纤维束和反应树脂组成的。其中，连续纤维束可以加工成纺织结构。为了用这些复合组件加工成一个固定的结构件，首先须将基体材料以薄的层合单层方式与纤维束或者纤维织物结合在一起，通过层合单层相互叠加形成层合板，纤维复合结构就是由这样的层合板构成的（图2-2-1）。对应于构件的应力状态以及结构强度和刚度的设定值，可以在单一的构件区域内设计出合适的层合构造。

图2-2-1复合结构的加工步骤

a）纤维和基体树脂的材料组合b）单向层合单层c）分层层合的多向层合板d） 结构件

2.2.3纤维材料
    在轻量化中，聚合物基体材料主要与合成纤维组合使用，合成纤维的材料为玻璃、碳、芳纶、聚乙烯，也越来越多地采用玄武岩纤维与天然纤维（见书后彩图2-2-2）。由于这些纤维材料彼此之间有很大的区别，在选择材料时，要注意纤维材料性能与复合结构、制造方法以及经济效益要求的相容性。脆性纤维的高强度源自纤维悖论：材料越薄，强度越高。强度取决于临界缺陷出现的概率，因此可以用静态方法描述纤维强度（例如：按照魏布尔法则）。
    本节下面的内容将对最重要的纤维材料进行简要介绍，关于纤维材料的详细内容可以参见专业参考文献［1～１6］。
    1玻璃纤维
    玻璃纤维是目前聚合物基复合材料采用得最多的增强材料（GFK—玻璃纤维增强塑料）。玻璃纤维是采用熔丝方法由熔化的玻璃加工而成的，直径为9～15μｍ。玻璃纤维的金相是非晶态的，其各向同性的材料性能是由玻璃熔液的化学成分决定的。通过在氧化硅熔液中混入不同的氧化物，可以生产出具有特定的力学、化学、热以及电子性能的玻璃纤维（表2-2-1）。

    在纤维复合工艺中最常用的玻璃纤维种类有：
    ●E玻璃纤维（E=电子的）：最常用的增强体（与铝合金相比，质量密度基本相同，更高的比弹性模量，更高的比强度，更低的导电能力，高的抵御风化侵蚀和化学侵蚀的能力）。未涂层的E–玻璃纤维是不可燃烧的，在温度为200℃以上时，强度略有降低。
    ●R玻璃纤维与S玻璃纤维［R=阻抗（Resistance），S=强度（Strength）］：与E玻璃纤维相比，抗拉强度大约高30%，弹性模量约高出15％～20%；温度超过300℃时，强度值会降低。
    ●石英玻璃纤维：不混入其他的氧化物，用于高温场合。
    在很大程度上，玻璃纤维增强塑料的材料性能由与加工过程相匹配的玻璃纤维涂层来决定。在纺织加工过程中，需要保持纤维有弹性、成束状，并且要保护纤维不受机械磨损。为此，生产商采用由油和淀粉构成的、临时的纺织浆液涂在纤维上。由于临时纺织浆液对于玻璃纤维和基体之间的粘合能力有不良的影响，在纺织加工步骤之后，要采用热处理的方法将其去除，然后再在纤维上涂上增附剂，也称为表面涂层（Finish）。如果之后用基体材料对纤维浸渍，则纤维可以达到最优的浸润亦即浸透效果。这样可以在纤维和基体之间形成良好的粘合，这种良好的粘合对复合材料的强度性能有着积极的影响。除了纺织浆液和表面涂层之外，还可以采用硅浆液。这种一次性涂层不仅可以改善纤维的粘合性能与滑移性能，还可以节省纺织加工步骤之后的后处理工序。
    玻璃纤维的优点是：玻璃纤维是各向同性的，而且与其他增强纤维相比，E玻璃纤维的价格非常低，因为这种纤维容易加工，并且由于这种纤维在工业中已经应用了几十年，因此具有非常好的经验基础。
    2碳纤维
    20世纪60年代末期，市场上只有少量的碳纤维。由于价格高昂，碳纤维最初只用于航空和航天工业中。碳纤维复合材料具有非常优秀的比力学性能。随着时间的推移，作为高性能复合材料，碳纤维复合材料在轻量化中得到了日益广泛的应用，在很多工业领域中已经成为了必不可少的材料。
    用于生产碳纤维的原始材料为聚合初始纤维（PAN—聚丙烯腈，黏性纤维）或者沥青（用沥青抽丝成纤维）。在炼焦过程（高温分解）中，初始材料可转化为碳纤维。加工过程的步骤为：在温度至1500℃范围内纯碳化，或者在碳化作用后，在温度至3000℃下石墨化。根据选择的加工方法不同，可以生产出具有特殊材料性能的系列碳纤维种类，纤维直径为5～8μｍ。如果碳化温度在1500℃（纯碳化），则纤维具有高的抗拉强度，但是弹性模量则一般。采用后续的石墨化工序可以提高弹性模量，但是这样一来会降低抗拉强度。通过对碳纤维进行后续的、有针对性的表面处理以及采用增附剂浸润，可以在纤维和基体之间形成良好的浸润行为和粘合行为。
    下面列出了一些在市场上可以得到的碳纤维种类，按照其纵向力学特征值加以区分：
    ●HT纤维（高强度High Tensile）：纤维强度高，弹性模量相对较低。
    ●HM纤维（高模数High Modulus）：纤维弹性模量高，强度相对较低。
    ●HMS纤维：高弹性模量与高强度。
    ●UHM纤维（超高模数UltraHighModulus）：非常高的弹性模量和导热性。
    ●IM纤维与HS纤维（中间模数intermediate Modulus与高应变HighStrain）：弹性模量一般，相对高的伸长率。
    表2-2-1列出了碳纤维种类的材料特征值。由于上面介绍的纤维种类很多，在表2-2-1中给出了纤维方向上抗拉模数和抗拉强度的纤维带宽。PAN纤维在压力下的变形比在拉应力载荷下的变形要大一些。除了具有极其优秀的比力学性能值外，碳纤维还有非常好的耐化学腐蚀性、良好的导电性能、高的抗疲劳性能以及良好的振动阻尼性能。由于碳纤维具有较高的耐高温性能，直至使用温度超过400℃时，才会觉察到强度下降。由于碳纤维在纤维方向的线胀系数非常低（负），即使是在很大的温度波动下，碳纤维也会保持很好的几何尺寸稳定性。不过要注意，由于碳纤维材料行为的各向异性，在垂直于纤维方向上的线胀系数值要高一些。
    HM碳纤维材料的缺点是，随着弹性模量值增加，伸长率减小，从而使得冲击敏感性上升。另外，在碳纤维与某些金属（如铝）接触时，要注意电绝缘。采用由玻璃增强塑料基体材料构成的中间层可以防止电化学腐蚀。
    3芳纶纤维
    芳纶纤维是人工合成有机纤维，由芳香聚酰胺构成。芳纶纤维是20世纪60年代由美国杜邦公司开发出来的，以Kevlar的名称推向市场。芳纶纤维的生产方法是以聚合物溶液为材料，采用湿纺方法，最后在高温下拉出纤维。纤维直径约为12μｍ。通过在纤维上涂层（Avivage），实现在纺织加工过程中对纤维的保护，并且确保纤维与基体材料之间有良好的粘合。除了Kevlar之外，比较有名的芳纶纤维品牌还有Nomex、Twaron与Technora。
按照应用可以将用于聚合物增强的芳纶纤维区分为：
    ●高模数纤维（如：Kevlar 49 或Twaron HM），用于汽车制造和飞机制造中的结构件。
    ●低模数纤维（如：Kevlar 29或Twaron LM），用于弹道硬层合板（保护板、头盔、装甲等）、防护服与运动服。
    ●树脂浸透纸中的Nomex纤维，用作蜂窝三明治芯。
    由于芳纶纤维有非常低的密度和高的比抗拉强度（见表2-2-1），在轻量化结构中采用芳纶纤维材料具有很多优点：有阻燃作用、不可熔化、具有很低的热导率和导电性以及高的化学稳定性。与碳纤维类似，芳纶纤维的线胀系数在纤维方向上为负。温度略微升高就会使芳纶纤维的强度值下降。由于具有非常高的伸长率、良好的阻尼性能与高的冲击韧度，芳纶纤维主要用于冲击结构、撞击结构以及承受磨损应力载荷的结构中。芳纶纤维的纤维微观结构决定了它具有很强的各向异性材料行为与在与纤维垂直方向上较差的力学性能，以及在压载荷下的韧性行为与在纤维方向上很低的抗压强度。基于这种材料行为，在轻量化中，芳纶纤维主要与其他纤维材料（如碳纤维）以混合层合板的方式组合使用。
    在对芳纶纤维进行加工和存放时要注意，纤维倾向于吸湿，这样会导致密度增加以及与基体材料的粘合能力下降，从而造成复合材料的强度下降。芳纶纤维的另外一个缺点是对紫外线辐射比较敏感。如果芳纶纤维事先发生了辐射，那么在较长的使用周期内强度会明显下降。纤维材料的吸湿与紫外线敏感问题主要还是在复合材料加工之前比较重要，这是因为在聚合物基复合材料中，纤维一方面可通过基体材料加以保护，另一方面还可以通过特殊的漆与覆盖层加以保护，从而不受环境的影响。
    由于芳纶纤维的韧度高，使得对纤维与纤维基体毛坯的加工比较困难，对材料和毛坯的后续加工以及对层合板进行修理也都比较困难。在这两种情形下，要采用有特殊切割几何形状的专用模具以及水束切割设备。
    4聚乙烯纤维
    除了芳纶纤维之外，聚乙烯纤维（PE纤维）是第二重要的高性能聚合物纤维类别。聚乙烯纤维于20世纪80年代中期被推向市场，市场上主要的聚乙烯纤维品牌为Spectra与Dyneema。这种PE纤维的制造方法是用超高模数PE溶液作为原料，采用胶纺方法，通过高度拉丝加工出纤维。采用不同的拉丝度可以生产出具有不同力学性能的PE纤维（表2-2-1）。
    如同芳纶纤维一样，聚乙烯纤维有非常优秀的化学稳定性、高的冲击强度、良好的耐磨性以及高的能量吸收能力。在轻量化中，由于聚乙烯纤维的密度很低（低于水的密度），主要用于承受冲击应力载荷和弹道应力载荷的应用场合。由于聚乙烯纤维还具有非常好的抗紫外线辐射性能和很低的吸湿性，可优先采用聚乙烯纤维作为防护服、帆布、包装材料、绳索与网的材料。将芳纶纤维与聚乙烯纤维的比材料值进行比较，可以看出聚乙烯纤维的值要高出30%～40%，因此在用于减重目的的复合材料中采用聚乙烯纤维优点明显。
    在使用聚乙烯纤维时，也要考虑到其性能上的缺点：在纤维方向上高的负线胀系数、强的蠕变倾向、低的熔融温度以及由此导致的较低的最高使用温度（约至130℃）。在选择基体材料和制造方法时，要特别注意纤维材料的温度局限。为了改善纤维与热固性树脂之间的粘合，推荐采用纤维的电晕处理方法以及原浆处理方法。由于聚乙烯纤维具有很强的各向异性材料行为，因此在纤维方向上的抗压强度特别低，在垂直于纤维方向的载荷作用下的强度值也很低，所以在轻量化中，聚乙烯纤维主要以混合层合方式与其他的纤维材料（如：碳纤维）组合使用。
    如同芳纶纤维一样，对聚乙烯纤维进行机械加工也比较困难。不过，由于聚乙烯纤维的熔点低，可以采用热丝进行切割。
    5玄武岩纤维
    20世纪60年代，前苏联开发出了采用火山岩石作为原料生产出连续的、淡绿褐色的玄武岩纤维的技术。玄武岩纤维早期主要用于前苏联的航天工业和国防工业领域，直到最近才开始用于商业领域。与玻璃纤维类似，玄武岩纤维也具有非晶态金相组织，其材料性能受到玄武岩熔液成分的影响。玄武岩纤维的应用领域介于E玻璃纤维和HT碳纤维之间，因为与E玻璃纤维相比，玄武岩纤维的抗拉强度、抗压强度和弹性模量值约高出15%～20%，密度高出约5%（见表2-2-1）。玄武岩纤维具有高的热承载性能、非常好的化学阻抗和较低的吸湿性。另外，玄武岩纤维还具有良好的抗紫外线能力、抗腐蚀能力和抗海水腐蚀的能力。玄武岩纤维还可以重新利用，与玻璃纤维相比价格低。由于具有诸多的优点，可以预计将来玄武岩纤维会在聚合物基复合材料中得到越来越多的应用。
    6天然纤维
    自古以来，在自然界中就有极其丰富的纤维复合物资源，因此可以将天然纤维作为合成纤维的样板。在聚合物基复合材料使用的初期，曾经采用天然纤维作为增强体。随着人工合成纤维的发展，天然纤维用得越来越少了。自20世纪90年代以来，随着对采用可重新生长的原材料作为生态设计材料需求的不断上升，天然纤维复合材料得到了极大的重视。天然纤维复合材料的主要应用领域为汽车的内部承载组件和内部组件罩盖。
    在现代天然纤维增强材料中，主要采用亚麻纤维和麻丝纤维，如黄麻纤维、红麻纤维、西沙尔麻纤维与马尼拉麻纤维。这些纤维与石化基热固性塑料和石化基热塑性塑料或者生物塑料组合使用［1、4、13～16］。部分天然纤维的材料特征值见表2-2-1。与玻璃纤维相比，天然纤维的优点在于：一方面，天然纤维具有很低的密度，可以实现最多达30%的减重效果；另一方面，天然纤维具有极好的噪声阻尼性能和不破碎的断裂性能［13］。另外，天然纤维的价格低于玻璃纤维，在加工中需要的能量更少，可持续重新生长，可生态降解。对材料特征值进行的比较显示，亚麻纤维、麻丝纤维和红麻纤维的比刚度值和比强度值达到了E玻璃纤维的水平［14］。
    天然纤维的缺点则有：力学性能的离散度高，这是由于纤维不规则的几何性能与力学性能造成的。另外，天然纤维吸湿性强，由此会导致材料的力学性能和纤维–基体的粘合力大幅下降，下降的程度则取决于纤维的湿度。除此之外，在对天然纤维进行加工和使用的时候，还必须要考虑到天然纤维较低的热稳定性。
    由于天然纤维具有非常优秀的生态性能，可以预期，天然纤维与聚合物基体系的组合材料会在众多的工业领域中发展成为需求强劲的创新性设计材料。
2-2-4聚合物基材料
    在纤维复合材料中，基体材料的作用对于复合构件的结构性能来说具有非常重要的意义。
    为了保持复合构件的形状，基体必须确保在每个层合单层内纤维之间的结合以及在层合板内每个单层之间的粘合。由于纤维的磨损敏感度较高，纤维通过基体保持其位置以及相互之间的距离。基体材料的另外一个重要的作用是将力导入单一纤维以及在纤维之间传递力。在这种情况下，确保在纤维材料和基体材料之间的良好粘合非常有好处。如果层合单层垂直于纤维方向，亦即在剪切方向承受应力载荷，则基体承担了大部分的机械载荷。如果在纤维方向承受压应力载荷，基体材料的作用则是为纤维提供支持。在层合板中，层合单层之间作用的载荷也同样由基体材料承担。最后，基体可以保护纤维不受环境的影响和免于损伤。
    由于基体对复合材料的绝大多数性能有非常大的影响，因此在选择基体材料时要非常谨慎。除了要考虑到机械效率要求之外，还要特别注意基体材料在构件加工和使用过程中的热载荷数据指标。另外，还要考虑到构件的化学性能、电性能、工业卫生性能与燃烧工艺性能。除此之外，树脂的选择还要根据可供使用的制造方法和生产成本来确定。
    在轻量化技术中，最常用的热固性树脂系是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂和苯酚树脂。聚酰亚胺和双马来酰亚胺（BMI）树脂具有很高的耐高温性能。不过由于成本的原因，这两种材料只用于特殊的应用场合。市场上可以得到的热塑性树脂则有标准热塑性塑料、工艺热塑性塑料和高性能热塑性塑料。
    下面将介绍最主要的聚合物基材料的重要特性（表2-2-2）。要对不同树脂系进行详细了解，可以参考专业参考文献［1］～［16］。

    环氧树脂是在２０世纪３０年代开发出来的，属于匹配性能最好的基体材料。如同所有热固性基体体系下的材料一样，环氧树脂基于化学反应发生硬化（网格化），要求以准确定义的数量比例关系添加硬化剂。环氧树脂材料的性能主要由树脂系的网格化度决定，使用的环氧树脂和硬化剂、硬化温度会影响到环氧树脂的材料性能。例如，当硬化温度较高的时候，环氧树脂基体会形成细网眼的网格化结构，从而会提高材料的耐高温性能，使材料具有更高的力学强度值，并可以改善材料的抗化学腐蚀能力。网格化度升高的缺点则是会导致材料的脆性增加。环氧树脂硬化体系可分为冷硬化体系和热硬化体系。要提高冷硬化复合结构的高温承载性能，可以在硬化过程之后再进行后续硬化处理。另外，在对环氧树脂进行加工的时候要注意，硬化过程中会放热。如果在纤维复合材料的加工过程中放热，会导致层合板温度升高，即使温度升高不明显，则树脂填料也很有可能会因为其很低的热导率而在局部达到分解温度。
    作为基体材料，环氧树脂的优点是与绝大多数的增强纤维都有非常好的粘合能力，加工简单，在成形时具有很高的尺寸稳定性（这是由于环氧树脂硬化损耗非常低）。另外，环氧树脂还具有很好的化学稳定性、优秀的电绝缘性能和高的疲劳强度。
    在使用环氧树脂时要注意，环氧树脂的抗紫外线辐射能力很弱。另外，也不能低估环氧树脂的高吸湿性产生的影响，它可能会导致材料的重量明显增加，并使得材料的高温承载能力明显下降。由于在纤维增强复合材料构件中使用的环氧树脂通常都有较高的网格化度，因此材料的伸长率很低。为了提高材料的韧性，可以在树脂中添加热塑性塑料颗粒或者橡胶颗粒等添加剂。这样生成的树脂系可具有韧性。不过要注意的是，经过这种方法修正的树脂会引起材料其他重要性能发生变化。
    与聚酯树脂相比，由于成本高、硬化时间长，环氧树脂主要用于高性能纤维复合材料中。
    2不饱和聚酯树脂（UP树脂）
不饱和聚酯树脂从２０世纪４０年代开始用于复合材料的生产，是如今在纤维技术中最常用的基体材料。不饱和聚酯树脂价格便宜，种类繁多，容易加工。在热硬化（100～130℃）处理中，添加足够量的硬化剂即可激活树脂网格化。而在冷硬化处理中要激活树脂网格化，则除了加入硬化剂外，还要加入加速剂。不饱和聚酯树脂属于快速硬化的树脂系，因此优先用于规模化生产中。
在复合材料构件中，聚酯树脂绝大多数情况下与玻璃纤维组合使用，其主要的应用领域是游艇制造业和汽车工业。
    与环氧树脂类似，不饱和聚酯树脂材料的力学性能、高温性能和化学性能由不饱和树脂的网格化度确定。与环氧树脂相比，聚酯树脂的力学性能较低，而电性能相当。
    聚酯树脂的一个主要问题是在时效硬化的时候会产生很强的反应衰减。在纤维复合材料中，这种反应会提高复合构件的内应力，而这种内应力则会对纤维和基体之间的结合性能产生不利的影响，其结果是导致材料的静态和动态强度值下降。通过混合入适当的填充剂可以降低这一效果的影响。
    由于在聚酯树脂的聚合作用中通常采用苯乙烯作为溶解剂，出于劳动保护的原因，在加工过程中要采取适当的措施，以尽可能地将苯乙烯的排放降到最低程度。另外，在采用苯乙烯作为泡沫芯材料生产三明治材料时，要注意苯乙烯的化学相容性。在加工聚酯树脂的过程中，在对树脂、硬化剂和加速剂进行混合时，要非常谨慎，因为对反应剂（过氧化硬化剂和加速剂）一旦处理错误会产生高度易爆炸的混合物。还需要注意的是，这个反应过程会产生放热。
    3乙烯基树脂（VE树脂）
    在树脂材料中，如果按照强度值和成本进行比较的话，乙烯基树脂位于不饱和聚酯树脂和环氧树脂中间的水平。乙烯基树脂的加工和时效硬化过程与不饱和聚酯树脂的过程类似。根据所选择的初始材料、反应剂和硬化温度的不同，乙烯基树脂的材料性能也不尽相同。与不饱和聚酯树脂相比，由于具有更高的韧性以及与绝大多数纤维材料有更好的粘合性能，乙烯基树脂优先用于承受动态应力载荷和冲击载荷的复合材料构件中。由于乙烯基树脂还具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性能，也应用于化学工业和游艇制造业中。
    4苯酚树脂（PF树脂）
    苯酚甲醛树脂，简称苯酚树脂，是在20世纪初期开发出来的。由于具有良好的阻燃性能，苯酚树脂如今在飞机制造领域和其他的交通工具制造领域里有着重要的意义。除了很难燃烧以及在燃烧时只释放出很少的烟雾和有毒气体等优点之外，苯酚树脂还具有良好的高温稳定性、极其优秀的热绝缘性能、良好的腐蚀稳定性和很低的蠕变倾向。由于苯酚树脂的硬化是通过缩聚作用实现的，因此在硬化的层合板中的气孔含量很高，这会大大地降低材料的性能。要减少气孔，可以在网格化过程中施加很高的压力。
    5热塑性基体材料
    热塑性树脂系是从20世纪70年代开始作为复合材料构件的基体材料使用的。如今，热塑性树脂材料首要的应用领域是汽车工业，主要用作非结构件，也用作半结构件和结构件。热塑性基树脂材料应用受到限制的原因在于树脂具有高黏性性能，因此在构件成形加工时需要采用高温和高压。这样一来则会导致加工费时，成本很高。
    与热固性树脂系相比，热塑性基体材料的主要优点是在构件加工之前就已经完全聚合了。因此，复合材料的制造过程就是一个纯粹的物理过程：即在基体材料软化和熔化之后成形，然后在冷却阶段凝固成为热塑性塑料。由于在成形过程中没有化学反应，因此可以缩短加工周期，从而使得在批量生产中的生产数量很大。另外，热塑性复合材料构件还可以采用焊接方法连接，在使用寿命结束后还可以回收（见5.2节）。由于可以完全和多次重新加工，热塑性树脂材料在未来将会得到广泛的应用。
    在纤维技术中采用下列热塑性塑料：
    ●标准热塑性塑料：PP（聚丙烯）。
    ●工艺热塑性塑料：PA（聚酰胺）、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PBT（聚丁烯—对苯二甲酸酯）。
    ●高性能热塑性塑料：PEEK（聚醚醚酮）、PPS（聚苯硫醚）、PEI（聚醚）、PES（聚醚砜）、PSU（聚砜）。
    由于力学性能和高温稳定性低，聚丙烯主要用作玻璃毡增强的热塑性塑料的（GMT）基体材料，其主要的应用领域为汽车工业、造船业和风力发电设备制造（旋转叶片）。
    工艺热塑性塑料具有良好的力学性能、高的伸长率、良好的高温稳定性和化学稳定性以及很好的阻燃性能。需要注意的是，聚酰胺在潮湿环境下容易吸水，这会导致材料的力学性能值下降。
    在汽车工业和航空航天工业中所采用的高性能纤维复合材料基体材料主要是高性能热塑性塑料，如：聚醚、聚苯撑硫和聚醚醚酮。与热固性塑料相比，高性能热塑性塑料除了具有非常好的力学性能和非常好的高温稳定性外，还有很低的潮湿敏感性、高的化学稳定性和非常优秀的阻燃性能。
    使用热塑性基体材料在生产工艺上还有一个优点，这种材料可以在不冷却的情况下无限期存放。与热固性复合材料结构相比，采用热塑性基体的复合材料构件在损坏后比较容易修复。与热固性树脂系相比，热塑性树脂系的缺点则是蠕变倾向高、材料成本高。
2.2.5材料参数
    在纤维复合技术中，由于材料所具有的层合构造方式，可供设计人员使用的设计参数很多。基于层合构造的方式，除了可以选择材料组件（见2.2.3和2.2.4小节）以及组合方式之外，还可以选择每个层合板层合单层的数量、在层合板中纤维的定向以及在结构中不同层合板的分布。其他还可以选择的参数有纤维长度、在每个层合单层中纤维的布置以及纤维和基体的重量比例。由于有大量的参数可供选择使用，设计师可以设计出与应力载荷位置和方向相对应的复合材料。
    图2-2-3给出了最常用的参数，如纤维长度、在每个层合单层上的纤维排列以及在每个层合板单层上的纤维定向。如果按照纤维长度来对纤维增强材料进行分类，则可以分为短纤维增强复合材料与连续纤维增强复合材料。进一步地，还可以根据层合单层中的纤维排列以及在复合材料中层合单层的定向继续进行分类。
    图2-2-3与纤维长度相关的纤维增强材料的分类在短纤维增强复合材料中，用作增强相的短纤维长度为0.4～50mm，纤维长度与纤维直径之比L/d为50～10000。在纤维单层中的纤维布置可以是单向的，也可以是无规律分布的。由于增强材料可以承受的载荷大小受限于短纤维的长度，并且与载荷的方向相关，所以主要由基体来实现所要求的功能，并确定了复合材料的热化学性能。基于此，短纤维复合材料主要用来加工力学性能要求较低的或力学性能要求中等的构件，如整流罩。
    连续纤维增强复合材料采用连续纤维加以增强。每个层合单层上的连续纤维可以是单向（最大体积分量）的、无规则分布的或者交错布置的。在层合板上，可以对每个单层的纤维方向加以改变。这样一来，可以根据层合板构造来区分层合板类型：
    ●在单向（UD）层合板的所有位置上的纤维方向相同。
    ●纤维方向成90°角的十字复合材料,十字复合材料可以由旋转90°角的单向层合单层以及织物层构造而成。
    ●纤维方向自由的、相互叠加的单向或者交错的层合单层构成的多向层合板。复合材料的性能取决于在每个方向的纤维体积分数。
在纤维方向上的材料性能由纤维材料确定。在与纤维垂直方向上只有基体与纤维基体粘合体承受载荷，因此可以采用十字复合板或者多方向层合板。
2.2.6纤维毛坯、纤维基毛坯与支撑材料
    根据所选择的成形方法（见4.1节），采用的复合材料组件可以分为纤维毛坯与基体材料或者组合为浸渍纤维基体毛坯。除了上面提到的材料，支撑材料（如三明治芯）在纤维增强的轻量化复合材料构件中也起着重要的作用。关于不同毛坯形状的详细介绍可参见参考文献［1～3、5～7。11、12］。
    1纤维毛坯
    由于绝大多数用于聚合物基复合材料中的纤维材料的纤维直径都非常小（5～17μｍ），为了更好地进行加工处理，通常将大量的短纤维加工成毯，或者将连续纤维做成纤维束。根据围绕纵轴的扭转度以及捻线度可将线性纤维毛坯区分为。
    ●粗纱（束），是由接近平行排列的连续纤维构成的无扭转纤维束。
    ●线，是由连续纤维构成的扭转纤维束加工而成的。
    在纤维复合技术中，优先采用粗纱作为线性纤维毛坯使用，这是因为材料中单一纤维的方向接近平行，因此在轴向具有非常优异的力学性能以及最高的纤维比例。粗纱可以根据细度加以区分，粗纱的细度可由粗纱重量（单位为tex） 给出（一束粗纱每km的质量，单位为g）；或者也可以根据多少千个单一纤维组成粗纱（单位k）来区分。在市场上可以买到的纤维束规格为1k、3k、6k、24k或者更高，以线圈的形式提供。要注意的是，将粗纱从线圈中拉出来，会产生轻微的扭转。采用粗纱的成形加工方法有缠绕方法和拉挤成形方法。缠绕方法用来加工旋转外壳；拉挤成形方法则用来加工长的产品。在手工层合方法中，可以采用粗纱借助精准定位的方式来实现对材料的局部增强。
    由于在复合材料轻量化结构中主要采用薄壁壳结构形式，因此平面形纤维毛坯非常重要。在平面形毛坯中，将纤维束植入平面纺织结构中。平面形纤维毛坯的细度由面积重量（单位：g/m2）给出。纺织结构的性能除了受到上面所提到的参数的影响之外，还受到纤维曲率的影响。拉伸单向纤维毛坯在纤维方向上具有最大的力学性能值。多个纤维方向的组合不仅降低了在每个方向上的纤维体积分数，也降低了总的纤维体积分数。随着纤维束波纹度的增加，导致纤维体积分数减少，以及在纤维上出现弯曲应力载荷，则材料的强度值和刚度值会进一步降低。见书后彩图2-2-4显示了五种典型纤维编织方式纤维波纹度的区别。其中，平面形纤维毛坯主要用于手工层合、真空袋（压力袋）方法、树脂传递成形方法（见4.1节）。
在纤维复合技术中采用最多的纺织结构为：纺、无纺、编织、毡/毯、针织。
    （1）纺料纺料是在轻量化结构中用得最多的纤维组织方式。纺料大多由正交方向的纤维构成，按照制造技术可称为经线和纬线。纺料的结构形式可以根据载荷比例关系加以匹配，经线和纬线所含的纤维数量不同。在经线增强的纺料中，经纺的位置由数量尽可能少的薄纬纺来保证，见书后彩图225a。这样一来，大约90%的纤维可以设置为单向。采用这种方法可达到的材料性能值可与单向层的性能相比。在纺料中，主要采用的纤维组织方式有平纹组织、斜纹组织与缎组织（见书后彩图2-2-4）。
    在平纹组织方式（plain weave）中，由于纺料有很多纤维十字接头，其滑移强度高，所以不易产生变形，而且抗皱褶能力很强。由于纤维具有很大的波纹度，使得纺料的抗振强度较差，力学性能较低。
    斜纹组织（twill weave）是沿对角线变化的纺结构，这是由于纬线要穿过2个（双斜纹，见书后彩图2-2-4）或者3个经线（十字斜纹，见书后彩图2-2-5b）。与平纹组织相比，由于斜纹组织的波纹度很小，因此斜纹组织结构具有更高的疲劳强度和更好的力学性能值。由于滑移强度低，斜纹组织容易产生皱褶。
    缎纹组织（satin weave）的纤维波纹度最小，因为纬线从多个（通常是4～7个）经线上面穿过，不过只从一个经线下面穿过。大约80%的纬线位于纺料前侧，大约80%的经线位于纺料的后侧。缎纹组织的力学性能与两个相互叠加的单向层的性能类似，其力学性能高于平纹组织和斜纹组织。由于滑移强度低，缎纹组织纺料非常容易产生皱褶。
    在混合纺料中，采用一种以上的纤维材料进行加工，见书后彩图2-2-5c。通常采用碳纤维与芳纶纤维或者聚乙烯纤维组合使用的方式。塑料纤维可提高纺料的韧性和冲击强度，而碳纤维则可以提高纺料的抗压强度。采用玻璃纤维与碳纤维或者芳纶纤维的组合可以大幅降低混合纺料的成本。三轴纺料（见书后彩图2-2-5d）可以在三个方向实现纤维增强，绝大多数是在层平面上成 0°/60°/120°（接近二维各向同性）或者0°/+45°/-45°。这种材料非常柔软，非常适合用于双曲率平面增强的场合。
    （2）无纺料在市场上可得到的无纺料有单向纤维无纺料以及多轴纤维无纺料。单向纤维无纺料（UD无纺料）是采用平行排列的纤维束做成的带，通过距离较大的横向布置的粘接毯或者纬线与缝纫线连接在一起。无纺料采用没有波纹度的平行纤维布向，所以在纤维方向上的强度最大，也达到了最大的正交各向异性。
    为了避免在纺料中出现由于纤维翘曲造成的缺陷，可以采用多轴纤维无纺料（MAG，noncrimpfabrics）。为此，可将定义了纤维方向的单向层相互叠加分层，最后用非常细的缝纫线缝合，缝纫线的材料为聚酯、玻璃纤维或者芳纶纤维。MAG的缺点是由于自动化的层构造，在材料构造中无法按照需要进行局部减少或者增加层的数量。另外，厚的MAG只适合用于曲率很小的构件形状。
    （3）编织料带状或者软管状的编织料也属于平面形纤维毛坯（见书后彩图2-2-6）。编织料的加工很费时，投资往往也很大。与纺料相比，编织料的带宽小得多，尺寸受限于编织机的大小。在编织带（双轴织物）上的纤维方向是对称的（±θ），在沿轴向15°～85°范围可设置。另外，还可以在轴向再添加一条纤维束织物（三轴织物）。通过在带边界向相对方向纤维束的转向，编织带可以得到均匀的终端角。编织物软管非常灵活，由于具有很高的滑移挠度，可以通过顶锻或者拉长与轮廓相匹配（见书后彩图2-2-6）。编织料主要用来加工回转壳、空心体和型材，这些采用编织料加工的构件具有良好的扭转性能和剪切性能。
    （4）毡毡是平面形纤维毛坯。在毡中，切割的纤维或者连续纤维无规律地分布在毡面中，所以在分层平面上的材料性能是准各向同性的。纤维之间的连接通过涂敷粘合剂或者用缝纫线机械纫合在一起。毡主要用玻璃纤维加工，以卷的形式提供使用，面积重量为150～900g/m2。毡价格低廉，容易加工。由于纤维体积分数比较低（15%～30%）、纤维分布无规律，因此，由纤维毡构成的层合板的力学性能相对也较差，主要用于承受应力载荷较低的构件，如整流罩。
    （5）毯毯有非常精细的纤维层，纤维分布杂乱无章，面积重量小于80g/m２，可采玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和聚合物纤维制作。毯主要用作构件可视侧的最外层，用来避免纺料结构在表面发生贯穿。毯也可以用来改善复合构件表面的冲击韧度。
    （6）手工针织料与机械针织料手工针织料与机械针织料属于针织料种类，其结构种类与几何形状极其繁多。由于拥有极好的拉长能力和抗剪能力（图2-2-7），手工针织料与机械针织料的抗皱褶性能非常好，可用于空间翘曲的复杂几何结构而不会产生皱褶。与迄今为止所介绍的平面形毛坯相比，手工针织料与机械针织料有最大的成形能力。不过，由于纤维体积分数低、纤维曲率高，手工针织料与机械针织料的力学性能与其他坯料相比较低。手工针织料与机械针织料在层合板中的材料性能为各向异性，材料性能则由网大小、网密度、网形状与层合板在时效硬化之前针织料的拉长程度等参数来确定。手工针织料与机械针织料可以吸收很高的冲击能量，加工成本低。除了纯手工针织料与机械针织料外，还有特殊形状的针织产品可供使用，这些针织产品采用了单向、双向或者多向增强纤维。由于在特殊形状的针织产品中，增强纤维不与网缠绕在一起，针织料的稳定性得到了极大改善，在增强纤维方向上的力学性能也得到明显提高［3］。

图2-2-7拉长和未拉长纤维机械针织物的比较

    （7）3D纤维毛坯在当今的纤维技术中，对用于按照应力载荷设计的层合构造的薄壁壳形结构形式来说，平面形纤维毛坯非常重要。如果在层合板平面的法向施加载荷或者有冲击载荷，那么层材料的强度值就很低了，这是因为材料在垂直于层平面的方向上没有给予增强。采用3D纤维毛坯，可以弥补平面形纤维毛坯的这一缺陷，但是附加纤维方向所需要的空间会减少在层合平面上的纤维体积分数（见书后彩图228）。3D纤维毛坯有纫合与缝合平面纤维体、3D网状平面纤维毛坯、3D纤维结构（3D纺料、3D手工织料、3D毯料）。
    （8）3D纤维预制件（Preform）除了以上介绍的种类之外，还有一个3D纤维预制件，其几何形状和纤维构造与整个构件的纤维增强相对应。由于不需要劳动强度大的层合构造，采用这种材料进行构件加工，生产经济性会得到很大改善。3D纤维预制件可以采用上面介绍的纤维毛坯加工出来，使用相应的粘合模具来保证3D纤维预制件的形状稳定性。在实际中，主要采用下列带有相应粘合形状的3D纤维预制件：
    ●用切割纤维制成的纤维预制件，采用粘合剂来达到形状稳定性。
    ●用纺料或者编织料制成的纤维预制件，按照相应的层构造和构件形状进行切割与缝合。
    ●按照形状网格化/编织的纤维预制件，通过选择相应的网格/编织母体来达到形状稳定性。
缝合、按照形状网格化/编织的纤维预制件的优点在于，分层方式对结构有保护作用。图2-2-9所示为两个采用纺料以及编织料缝合的纤维预制件（见6.4节）。

图2-2-9缝合纤维预制件

a）纺料预制件：空中客车A380 绕流器板（来源：FACC公司）

b）无纺料预制件：碳纤维增强塑料纵梁（来源：Saertex公司）

    2纤维—基体毛坯
    在进行层合构造之前，就可以采用聚合物基体材料来浸渍纤维毛坯，将其作为纤维基体毛坯或者浸渍毛坯加以使用。在纤维复合技术中，主要采用以下浸渍毛坯。
    ●热固性片状模塑料（Sheet Moulding Compound）造型材料。
    ●热固性团状模塑料（Buld Moulding Compound）造型材料。
    ●热固性塑料预浸渍带（Preimporegnated Fabrics）。
    ●玻璃毡增强热塑性塑料（GMT）。
    ●长纤维增强热塑性塑料（LFT）。
    ●热塑性塑料预制件。
    ●纤维和基体线网组合件。
    （1）热固性片状模塑料（SMC）热固性片状模塑料为平板形毛坯，主要采用锻压方法成形。热固性片状模塑料主要由植入热固性基体中无规律分布的、长度为20～50mm的玻璃纤维构成。由于纤维排列杂乱无章，热固性片状模塑料在层平面的材料性能为各向同性。热固性片状模塑料的厚度为2～5mm，以成卷或者平板的方式供应使用。在纤维复合材料技术中，热固性片状模塑料属于最经济的毛坯，最适用于大批量生产。热固性片状模塑料主要用于大面积、薄壁壳形结构形式，可承受的载荷比较低，如汽车制造中的整流罩件等。
    （2）热固性团状模塑料（BMC）热固性团状模塑料是无形状的、黏稠的材料，纤维长度为6～25mm，采用锻压技术或者挤压铸造技术加工成形。热固性团状模塑料主要用来加工小尺寸的结构件，如家用电器的外壳。
    （3）热固性塑料预浸渍带在结构轻量化领域中，热固性塑料预浸渍带是当今最重要的纤维基体毛坯。热固性塑料预浸渍带是采用平面纤维毛坯加工而成的，而平面纤维毛坯则采用基体材料以一定的树脂纤维比例关系在连续过程中加以浸渍而成。在纤维复合技术中，主要采用纤维平行布置的单向（UD）预制件和不同纤维结合的纺料预制件。热固性塑料预浸渍带具有很高的纤维体积分数（约60%），纤维分布均匀，纤维定向精确、浸渍高效，因此，采用热固性塑料预浸渍带加工出的复合材料构件可以达到最高的质量，具有极其优异的力学性能以及良好的可重复生产性。
    在存放预浸渍带时要注意，采用浸渍方法会导致基体树脂的网格化。为了避免热固性塑料预浸渍带在进行成形加工之前发生时效硬化，要求存储温度在-18℃。在冷冻室存放时间超过12个月以后，树脂不再具有足够的流动性能。在室温下，根据树脂类型的不同，预浸渍材料可存放2～4周，超过期限则必须作为垃圾处理。
    热固性塑料预浸渍带成卷提供使用，纺料预浸渍材料卷的带宽最大为1200mm（层厚度为0.2～0.4ｍｍ），单向预浸渍带的带宽通常为300ｍｍ或者600ｍｍ（厚度为0.125～0.25ｍｍ）。由于部分硬化的基体具有黏性，预浸渍层必须采用分离膜隔离。另外，粉尘颗粒会对粘合层造成污染，从而会影响到单层之间的粘合。为了避免在加工过程中产生杂质，需要在净化室内对热固性塑料预浸渍带进行加工（见4.1节）。与纤维毛坯的加工相比，使用预浸渍带的加工费用非常高昂。这是因为要进行大量的投资，如购买压热器、建净化室与冷冻室等，这些都导致了热固性塑料预浸渍带价格昂贵。
    （4）玻璃毡增强热塑性塑料（GMT）玻璃毡增强热塑性塑料（GMT）由标准热塑性塑料（主要是PP）或者工业热塑性塑料（PA、PET、PBT）加工而成，主要采用玻璃纤维毡增强体。根据玻璃毡增强热塑性塑料所要求的力学性能，玻璃毡可以采用无规律分布的连续纤维或者切割纤维，或者采用单向纤维组合，或者采用带有连续纤维或者切割纤维毡的纺料［17］。玻璃毡增强热塑性塑料毛坯以平板的形式提供使用，采用锻压方法加工为成形件。玻璃毡增强热塑性塑料毛坯形状的优点和应用范围主要是由热塑性基体材料确定的（见2.2.4小节）。与热固性片状模塑料件和热固性团状模塑料件相比，玻璃毡增强热塑性塑料件的表面质量比较差，因此目前只能用于不可视件。
    （5）长纤维增强热塑性塑料（LFT）长纤维增强热塑性塑料的加工方法是将热塑性塑料颗粒在压制器内熔融，然后进行压制而成。用于加工的热塑性塑料颗粒与长度为2～25mm的纤维进行混合。也可以在长纤维增强热塑性塑料毛坯加工后，直接采用构件锻压方法，这样就不用加工毛坯板了。在这种方法中，将挤压棒直接压进锻压模具中。长纤维增强热塑性塑料棒与构件的尺寸相对应，塑料棒的预设存放可以采用工业机器人来实现。这样，在大批量生产中可以显著降低加工周期。与单向玻璃毡增强热塑性塑料或者纺料玻璃毡增强热塑性塑料类似，在长纤维增强热塑性塑料中，单向预浸渍层或者纺料预浸渍层也可以按照设计定位放置在成形模具中，采用这种方法可以改善构件的局部力学性能。
    （6）热塑性塑料预浸渍带热塑性塑料预浸渍带是采用单向纤维层或者纺料层与在纤维复合技术中常用的热塑性基体材料组合加工而成的。由于绝大多数的热塑性基体材料粘度高，因此纤维毛坯的预浸渍加工比较困难。热塑性塑料预浸渍带在室温下刚度高、无黏性，所以，对热塑性塑料预浸渍带的处理及在成形模具中的定位要求采用相应的制造技术。热塑性复合材料构件的加工主要采用固化热塑性预浸渍带堆叠材料，也称为“有机板”。热塑性复合材料构件的成形采用热锻压方法。在这种情况下，如果成形度复杂，则由于在纺料中产生剪切扭曲，会导致纤维方向与设计的纤维方向产生偏差，其结果是会导致各向异性的力学特征值发生变化。
    （7）增强纤维与热塑性基体线网的组合通过增强纤维与热塑性基体线网的组合会形成一种混合纺料。在纺织加工方法中，可以采用这种混合纺料作为原料加工出平面纤维基体毛坯或者3D纤维基体毛坯。这种毛坯的优点是可以很好地混合纤维和高黏性基体材料，因为基体在熔融后回流路径必须很短。另外，可以通过选择合适的纺织形状来选择相应的构件形状毛坯的抗皱褶能力。采用这种材料的构件的成形方法是将设置在层构造中的基体熔融后进行冷却。
    3支撑材料
    在纤维复合技术中，承受弯曲应力载荷的构件主要采用三明治结构。在三明治结构中，采用支撑材料作为型芯材料。在壳构造的中间层采用轻的支撑材料，配合以薄的、强度和刚度高的复合覆盖板，可以在重量增加极小的情况下，极大地提高结构的抗弯刚度。在设计三明治构件时，由于型芯的抗剪强度很低，必须要考虑到剪切变形，并且要对三明治结构特有的形状稳定性损失问题进行研究（见1.2节）。

图2-2-10三明治芯材料

）来源：R&G，）来源：TUBUS WANBEN

    在轻量化中主要采用的支撑材料有硬泡沫芯和蜂窝芯。新开发的产品则有Tubus蜂窝和间隔纺料。可供选择使用的三明治芯材料有（图2-2-10）：
    ●硬泡沫：由Rohacell、PVC、泡沫聚苯乙烯、Styrodur、Conticell等构成的封闭、孔状的材料。
    ●蜂窝芯：由铝、Nomex、玻璃纤维增强纸或者碳纤维增强纸构成，蜂窝芯的几何形状取决于抗皱褶性能要求，有经典蜂窝、膨胀蜂窝或者褶曲芯等形式。
    ●Tubus蜂窝：热塑性圆柱形塑料蜂窝，由聚丙烯材料构成。
    ●间隔纺料：由玻璃材料构成的两个纺料覆盖层组成，通过肋板线保持一定的距离。
    如果采用三明治结构，要注意特别谨慎地规定和设计力的导入区域以及自由边界区域。64节中给出了三明治结构在轻量化中应用的示例。
2.2.7材料性能
   基于纤维复合材料的构造方式和大量的材料参数，复合材料结构的材料性能可以根据应力载荷状态进行相应的方向和位置设计。在这种情况下，层合单层和层合板的材料特征值的各向异性具有决定性的意义。
    一方面，层合板的材料性能在层合平面的平行和垂直方向上显示出不同的特征值；另一方面，即使是在设定纤维布置情况下，在层合平面方向上的材料性能也是各向异性的。这里，材料的性能与所选择的层合构造有关。
    根据极坐标图（图2-2-11）可以解释应力载荷方向与纤维布向对层合面上的抗拉强度和弹性模量的影响。图中所示的变化曲线对碳纤维—环氧树脂复合材料的力学特征值进行了比较。这里，复合材料的层数相同，层合构造则分别为单向、正交和多向。图中所示的层合单层显示了相应变化曲线的纤维方向，而不是层合构造方式。

图2-2-11碳纤维—环氧树脂复合材料的比层合力学性能值的相互比较，力学性能值与应力载荷方向和纤维定向有关

    单向复合物的曲线变化清楚地表明了：如果在纤维复合材料中采用平行纤维方向布置，则只有在纤维方向上的力学特征值才比较高。载荷应力方向稍微偏离纤维方向，则材料的性能值就会急剧下降。如果在与单向复合材料的纤维成90°的方向上施加应力载荷，则材料的力学性能有最小值。当应力载荷方向与纤维方向一致时（0°与90°），十字复合材料的抗拉强度和弹性模量最大。与单向层合板的性能类似，应力载荷方向即使和纤维方向产生最小偏离，十字复合材料的抗拉强度和弹性模量也会急剧下降。单向层合板和十字复合板材料性能最大值的区别是在对有相同层数的层合板的比较下得出的。由于在单向层合板和十字复合板中，在层合面上最好的抗拉强度和弹性模量位于0°与90°方向，则将这种层合形状的材料行为称为正交各向异性，这个方向称为正交各向异性轴方向。在纤维角度为0°、60°与120°的多向层合板中，应力载荷方向发生变化在图中引起的材料性能变化最小。不过要注意，这种材料特征值的数量级只有单向层合板的最大力学性能值的25%。对这种多向复合材料的理论分析表明，在层合面上甚至有准各向同性刚度行为。
    由于在轻量化应用中，要求尽可能高效地利用纤维复合材料，就需要通过选择合适的层合构造来最大限度地挖掘材料的潜力。在图2211中所示的单向复合材料与十字复合材料在纤维方向上具有很高的刚度值和强度值，只有在纤维方向与主应力载荷方向完全一致的情况下，材料的力学性能才会得到最优化的利用。因此，在设计用于高性能复合结构的材料时，要有效地选择与应力载荷状态相对应的纤维方向和层合板的各向异性。
    材料行为的各向异性不仅限制了复合材料的力学性能，而且材料的热膨胀性能和吸湿性能也与方向有关。在层合板中的纤维方向确定了材料的热膨胀性能和吸湿性能。
    在载荷作用下，层合板材料的各向异性行为对复合材料结构的变形行为有很大的影响。在这种情况下要注意区别的是，变形行为究竟是由层合单层的各向异性造成的，还是由层合构造中纤维的布向造成的。
    如果在层合面上的一个单向层合单层或者一个正交各向异性纺料单层在正交各向异性轴方向上承受单轴拉伸，则材料除了在作用力方向上产生纵向应变之外，在垂直于作用力的方向上还会产生横向收缩（图2-2-12a）。一旦在层合面上的应力载荷方向与标注的轴系略有偏差，由于材料存在各向异性行为，则必须要考虑到在薄膜面上会产生附加的剪切变形（图2-2-12b）。

图2-2-12单层层合板的变形行为

a）拉伸方向单轴拉伸‖在层平面上的正交各向异性：导致纵向应变和横向收缩

b） 在层平面上的正交各向异性拉伸方向的偏离：导致附加面内的剪切变形

c） 带有弯曲轴的弯曲应力载荷‖在层平面上的正交各向异性：导致曲率变化

d） 弯曲轴方向与在层平面上的正交各向异性的偏离：导致附加扭转

    在正交各向异性层合单层上的单轴弯曲应力载荷会导致围绕弯曲轴的曲率发生变化。当弯曲轴方向与某一正交各向异性轴的方向一致时，基于材料的横向收缩特性，在与横向轴垂直方向上也会产生曲率变化（图2-2-12c）。如果不是这样，则由图2-2-12d可以看出，除了上面所述的曲率变化之外，在单一层上往往还会出现附加的扭转。
    在载荷作用下，复合材料构件的变形行为不仅由层合单层的各向异性确定，也由所选择的层合板的层构造确定。如果采用了对称的层合构造（材料、纤维布向、层合单层的厚度等在壳中心面上下之间的距离相同），则层合板的变形与一个各向异性层合单层的变形相对应。如果所选择的层合构造是不对称的，则结构会产生附加的变形，可称之为耦合效应。在这种情况下，单轴拉载荷不仅会产生薄膜扭曲，还会导致曲率变化以及构件扭转。在图2-2-13中，为了表达清楚，将在一个不对称层合板上出现的变形组合分解开来。

图2-2-13在单轴拉伸载荷作用下不对称层合板的变形

a） 薄膜扭曲b） 带有扭转的附加翘曲变化

    与此相对应，单轴弯曲应力载荷除了会导致曲率变化和扭转外，还会导致薄膜扭曲。
    图2-2-14中所示为一个在单轴拉伸载荷或者单轴力矩载荷作用下的分层层合板，图中表明了层合板刚度基体的组件（见1.2节）对变形行为的影响。

图2-2-14层合板刚度基体单元（A=薄膜刚度基体，B=耦合刚度基体，D=抗弯刚度基体）对承受拉/弯曲应力载荷、不对称分层层合板的变形行为的影响

    上面所描述的耦合效应不仅会影响纤维复合材料构件的应力状态，也会影响到纤维复合材料构件的温度性能。如果选择了不合适的纤维复合结构的边界条件，可能会阻碍由耦合效应产生的变形，并由此导致应力状态发生变化。整个纤维复合材料构件局部恒定的温度变化也会在相应的层合板构造中导致耦合效应。如果所选择的层合板构造不对称，则在加工过程中，在由硬化温度过渡到室温的冷却过程中，存在构件变形的危险。这种耦合效应在由传统的均匀（各向同性）材料制成的构件中是不会发生的。为了避免最终产生这个效应，推荐在纤维复合材料结构设计中采用对称的层合板构造形式。
    在复合材料中，除了耦合效应之外，还要注意到层合板边界效应，这也是分层的各向异性材料的典型特殊效应。层合板边界效应指的是在自由边界出现非常高的层间应力，在边界区域上导致相邻的层合单层裂开或者剪开。除了单向层合板之外，这种层合板边界效应几乎会在所有类型的层合板上出现。

图2-2-15在单轴拉伸载荷作用下的层合边界效应

a）［0°/90°/90°/0°］复合材料b）［+45°/－45°/－45°/+45°］复合材料［18］

    在纤维复合材料构件自由边界上的层间应力是由在横向收缩上和相邻层合板单层剪切行为上的差异造成的。在图2-2-15中，借助两个对称的层合板的去耦合和耦合移动行为描述了层合板边界效应产生的原因。
    如果对在单轴拉载荷作用下的粘接复合材料和（在假想模型中的）无粘接［0°/90°/90°/0°］ 复合材料进行比较，可以看出，一方面，由于层合板单层不同的横向收缩比，会产生层合板边界效应。在90°位置上，在边界区域会形成较高的层间法向应力，该应力会导致层合板在自由边界上裂开。由于在0°和90°层之间的边界分层区域会出现较高的层间剪切应力，该应力会导致在边界区域上的层合板单层发生剪开。另一方面，在［+45°/-45°/-45°/+45°］复合材料中，在层合板平面上层合板单层的不同剪切行为是导致自由边界上相邻单层之间可能会产生剪断的原因。上面所描述的边界效应出现在自由边界的一个影响区域，该区域大致对应于层合板的厚度。在已经加工完的、无缺陷构件的自由边界上也存在这样的边界效应。
    由于层合板边界效应导致的边界分层风险，可以通过相应的设计措施来加以避免，如：边界缝合、粘接增强等方法。
2.2.8小结
    聚合物基复合材料可作为一种灵活、高效的设计材料来使用，特别是在轻量化领域中。由于具有非常优秀的比材料参数值以及非常多的复合组件、毛坯和材料参数可供选择，聚合物基复合材料的应用范围极其广泛，从标准轻量化组件到高性能结构件都可以采用聚合物基复合材料。为了保护地球上有限的资源，未来对聚合物基复合材料的需求会不断增加。在开发新的材料和工艺方法时要考虑到生态和环保的因素，因此，未来在生态上可重复使用的材料组件，如天然纤维、玄武岩纤维与热塑性基体，将会得到广泛的应用。
参考文献