碳纖維複合材料結構設計要點

昨天跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維複合材料代替傳統金屬材料，尤其在製造重要的結構部件中的思路。發現需要考慮的因素太多，以致無法確定主次先後。今天就列一個清單，細數碳纖維複合材料結構部件的設計要點。

內容所有涉及的複合材料結構一般是指碳纖維預浸料鋪層結構。

既然是結構部件，那麼設計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。

如何確定部件的使用載荷，不會超出部件的能力極限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限，就是碳纖維複合材料結構設計者需要考慮的問題。

通過合理的搭配纖維和樹脂，優化纖維排布，用最少的材料，滿足設計需求，體現了複合材料設計者精湛的技巧。不過決定複合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。

所以，設計者在設計碳纖維複合材料結構部件時，需要考慮三個層級結構的力學性能。

由基體和增強材料複合而成的單層材料，其力學性能決定於組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區的性能。

由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定於單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列) 。

最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定於層合體的力學性能和結構幾何。

除了強度與剛度要求，設計者還需考慮複合材料部件的失穩，尤其是對一些細長桿結構，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對於一些框架結構部件，如果鋪層不均勻，也會產生翹曲失穩，所以在製造過程中尤其注意。最好採用對稱鋪層，以防變形不均勻。

一般情況下，在部件沒有達到極限載荷之下，不允許產生失穩現象。但是如果對於一些特殊要求，可以產生失穩現象，那麼設計過程中，要考慮失穩過程不會因此影響極限載荷。

鋪層結構是碳纖維複合材料結構設計的關鍵，如何把單層結構的優異性能傳遞到複合材料結構部件上，鋪層結構起到承上啟下的作用。關於複合材料鋪層應注意以下幾點：

1. 樹脂是碳纖維複合材料力學性能的短板，所以盡量避免將載荷直接加到層間或者樹脂之間。也就是說，0°、±45°、90°的纖維都要有，否則載荷會將部件從沒有纖維排布的方向撕裂。

2. 為了防止層合板邊緣開裂，盡量避免重複單一方向的鋪層，設計時最多不超過5層。

3. 為了防止最外層鋪層的剝離，在部件的主載荷方向，應鋪放±45°纖維，而不能鋪放0°和90°纖維。另外，避免最外層鋪層間斷或不完整。

4. 若使用非對稱鋪層，每層因同方向上熱膨脹係數不同會出現翹曲，因此，一般要採用對稱鋪層。

5. 當增加補強鋪層時，每層階梯最少要3.8-6.4mm，附加鋪層也應盡量採用對稱鋪層。

連接

碳纖維複合材料部件開發過程中，不太可能都採用整體成型技術，需要進行部件與部件之間的連接的，則需要對連接形式進行設計。

一般來講，碳纖維複合材料部件的連接有三種形式：機械連接、膠結連接、混合連接。機械連接適用於連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結主要是利用粘結劑將零件連接成不可拆分的整體。

混合連接是膠結和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗衝擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。疲勞與衝擊損傷

複合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、衝擊損傷等因素。大多數情況下，衝擊損傷在結構設計中覆蓋了疲勞問題。

疲勞

一般情況下，複合材料的拉伸疲勞優於金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩定，比金屬開裂擴展的慢。對複合材料必須注意受衝擊後的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：

1. 缺口，尖角

2. 截面突變

3. 突起

4. 極端的偏心載荷

5. 螺栓連接接頭

6. 快速擺動

衝擊損傷

對於碳纖維複合材料結構，一般應將CAI強度（衝擊後壓縮強度）作為設計參數之一。飛機上確定損傷容限就是這麼考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷範圍，如果超出這個限度，損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維複合材料的衝擊損傷容限必須在可檢測到的範圍內，作為設計參數之一加以考慮。

即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結構不發生CAI強度的下降。改善衝擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。