讲堂·CFRP：如何理解各向同性、准各向同性和各向异性？
编者按：CFRP领域专业术语较多、知识内容繁杂，而为了提高CFRP领域的丰富专业知识、提升专业技能，特开辟专业知识讲堂板块，为大家介绍CFRP领域丰富的专业知识，欢迎大家多多指正，相互学习、共同进步！高性能碳纤维以优异的高比强度和高比刚度著称，而在碳纤维应用时我们需要了解纤维取向会如何影响碳纤维增强塑料（CFRP）层压板的强度和刚度。
CFRP层压板有多种设计方法，而层压板倾斜方向不同就会产生不同的结构属性，而这些属性主要分为：各向同性、准各向同性和各向异性。各向同性：在材料任何方向上经测试得到的强度和刚度均相同，这种材料即为各向同性材料，其典型代表如：玻璃、金属等。准各向同性：材料仅在某一平面内具有各向同性，换句话说，材料强度和刚度在零件平面内所有方向上均相等，但垂直面上可能会存在差异。大多数CFRP层压板都属于此类。各向异性：在整个材料的不同方向上具有不同强度和刚度的材料。例如，用全部沿一个方向取向的纤维制成的碳纤维层压材料是完全各向异性的。其他层压板设计可以具有不同程度的各向异性，这主要取决于层压板设计的平衡程度。
当纤维在铺层中的取向平衡时，CFRP层压板便具有准各向同性的特性，进而无论材料的加载方向如何，其强度和刚度均保持不变。无论单个碳纤维层或层压板是由机织物或单向碳纤维制成，将它们组合成设计合理的层压板堆中时，都可以形成各向同性材料。准各向同性CFRP层合板是在层合板的方向保持平衡的情况下制成的，这样层合板的拉伸强度在每个平面方向上都是相同的。通常，准各向同性板是使用碳纤维织物制成的，其铺层方向为0°、90°、+45°和-45°，其中至少12.5%的铺层在这四个方向上。0°、60°和120°定向单向层也可以达到准各向同性性能。层合板可能是准各向同性的，这似乎不遵循规则。例如，如上所述0°/-45°/+45°/90°层压板是准各向同性的，但是，如果每一层的方向与其原始方向的角度相同（例如，+60°），则层压板保持各向同性。层压板的+60º重新定向可形成60º/15º/-75º/-30º层压板。除定向角外，性能优异的CFRP层压板还遵循其他设计要求，如叠层必须对称；此外，每个层压板通常含有相同的纤维树脂比、相同的层厚、相同的碳纤维类型和几何结构。在典型的准各向同性碳纤维板中，该板必须至少包含4层，并且各个层必须包含相同的刚度和厚度。此外，纤维的取向必须是平衡和对称的。除了共同提供准各向同性特性外，不同方向的纤维还提供特定强度：0°层：提供轴向强度和刚度，非常适合承受轴向载荷的梁和柱等结构。+/-45°层：提供抗剪、抗扭强度和刚度，这是扭力轴和抗剪腹板（如工字梁）的理想选择。90°层：提供横向强度和刚度，非常适合于形成巩固层，使所有层保持在一起并在压力容器中提供强度。若不使用准各向同性叠层，可以降低碳纤维板的制造成本。如果仅使用0°和90°碳纤维层来构建层合板，则层合板沿45°对角线将变弱，与准各向同性碳纤维板相比，离轴弯曲和拉伸的挠度高出50%。因此，在大多数应用领域，0°/90°的板材是非常有效的。然而，如果需要沿45°轴方向的刚度，准各向同性碳纤维板将提供优越的性能。准各向同性碳纤维板可以由具有适当层压方向的单向或编织层制备，以形成在所有方向上具有强度的刚性材料。刚开始理解各向同性特性似乎很困难，但是，由于设计合理的准各向同性层压板可以使板材在所有方向上具有出色的强度和刚度，因此在选择碳纤维制造商时，该制造商须要具有丰富的CFRP层压板制造经验，并且具备设计和制造所需板材结构和性能的技能和知识。尤其是当设计高度依赖于材料的强度和刚度时，选择一家经验丰富而且有能力的CFRP制造商尤为重要。
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