復合材料結構設計時的主要強度類型分析

核心提示：通過將特定的樹脂和增強劑結合在一起，可以定制配方并滿足任何應用所需的強度要求。例如，可以通過調整樹脂和增強材料的比例，或

通過將特定的樹脂和增強劑結合在一起，可以定制配方并滿足任何應用所需的強度要求。例如，可以通過調整樹脂和增強材料的比例，或將纖維調整到一個方向或多個方向。

由于復合材料具有各向異性特征，這意味著材料特性會根據增強纖維的位置和層數而變化。這也提供了工程上的靈活性，因此設計人員可以定制終產品的屬性。影響結構設計的強度類型主要有四種：比強度，抗張強度，抗剪強度和抗壓強度。

比強度

材料的強度重量比（也稱為其比強度）是強度與重量的比值，即材料的強度除以其密度所提供的強度。

復合材料領域的工程師正日益尋求具有高比強度的材料。一些材料如鋼非常堅固但沉重。其他材料可能又輕又結實，例如竹竿。復合材料可以設計成既堅固又輕巧。由于復合材料具有很高的強度重量比，因此復合材料成為飛機和汽車等對重量重要的應用的搶手材料。

拉伸強度

拉伸強度是指材料在斷裂、變形或以其他方式失效時可以承受的應力量。而抗張強度的一種衡量標準是抗彎強度，即材料或結構承受彎曲的能力。拉伸強度和彎曲強度是工程師和設計師的重要測量指標。想象一下如何在不知道承受多大壓力的情況下能夠建造橋面甲板嗎？

拉伸強度因材料而異，單位為兆帕（MPa）。例如，它取決于纖維取向和其他設計因素，鋼的極限抗拉強度范圍為400至690MPa，而碳纖維增強的聚合物復合材料的極限強度為1,200至2,410MPa。

剪切強度

剪切強度描述了當層間移動或滑動時材料對應變的抵抗能力。重要的是要知道在破壞之前材料可以承受的大剪切應力（或每單位面積的力）。這樣，工程師和設計人員就可以知道結構可以支撐的重量或負載量，以及在不同方向施加力時結構可能發生的情況。

復合材料的剪切強度會根據配方和設計而變化，在設計復合材料時可使剪切應力在一個平面內，橫向于該平面或整個層（層間）定向。有幾種控制剪切特性的方法，包括纖維取向、層序、所用纖維的類型和體積、芯材的類型和密度等等。

抗壓強度

抗壓（壓縮）強度表示材料在受壓壓縮或壓平時的性能。有些材料達到抗壓強度極限時會破裂或斷裂，而另一些材料會永久變形。

混凝土和陶瓷等材料通常具有較高的抗壓強度，但具有較低的抗拉強度。相反，復合材料通常具有比壓縮強度更高的拉伸強度。壓縮加載的復合材料可能會彎曲、扭結或擠壓。因此，評估針對特定應用選擇的特定纖維和樹脂組合的壓縮載荷并相應地調整配方非常重要。