掌握热固性复合材料拉伸强度的力学原理

了解热固性复合材料的拉伸强度对于工程师、设计师和材料科学家来说至关重要，因为他们希望制造出坚固可靠的产品。这些复合材料以其刚性和高耐热性、耐化学降解性和耐磨性而闻名，是航空航天、汽车、建筑和电子等行业的基础。

拉伸强度是一种重要的机械性能，用于衡量材料承受张力的能力，是决定热固性复合材料在负载下的性能和耐久性的关键因素。

无论您是经验丰富的专业人士还是初入该领域的新手，深入了解拉伸强度都会增强您创新和自信解决工程挑战的能力。

什么是抗拉强度？

抗拉强度是材料在“失效”前（即材料断裂或永久变形）在拉伸或拉扯过程中能够承受的最大应力。抗拉强度是一项需要评估的重要机械性能，因为它表明材料抵抗拉力的能力。

请记住，涉及拉力和拉伸力的抗拉强度与涉及推力或挤压力的抗压强度不同。

如何确定拉伸强度

材料的抗拉强度是通过施加拉伸载荷（将材料拉伸或拉开的力）并测量其断裂或屈服点来确定的。拉伸载荷的计算方法是将最大载荷除以样品的原始横截面积，抗拉强度的单位通常为兆帕 (MPa) 或磅/平方英寸 (psi)。

材料表现出三种不同类型的抗拉强度：

• 屈服强度是材料在不发生永久变形的情况下所能承受的最大应力
• 极限抗拉强度是材料在断裂前能承受的最大应力
• 断裂强度是实际断裂点的应力。

热固性复合材料的拉伸强度

与金属、非增强聚合物和陶瓷等其他材料类别相比，热固性复合材料通常具有非常高的抗拉强度。

• 未增强的热固性聚合物（如环氧树脂和聚酯）具有中等拉伸强度，范围为 60-120 MPa（8,702-17,404 PSI）。但是，当使用碳纤维、玻璃纤维或芳纶等高强度纤维进行增强时，热固性复合材料的拉伸强度会高出一个数量级。
• 玻璃纤维增​​强热固性复合材料 (GFRP) 的拉伸强度通常在 500-900 MPa (72,519-130,534 PSI) 范围内（环氧树脂基质）以及 300-600 MPa (43,511-87,023 PSI) 范围内（聚酯基质）。
• 碳纤维增强热固性复合材料（CFRP）可以实现非常高的拉伸强度，从标准模量纤维的 600 MPa（87,023 PSI）到环氧树脂基质中的中高模量碳纤维的 1500-2000 MPa（217,557-290,075 PSI）。
• 芳纶（Kevlar）纤维增强热固性复合材料的抗拉强度约为 1000-1500 MPa（145,038-217,557 PSI）。
• 相比之下，铝合金等常见金属材料的抗拉强度为 300-600 MPa（43,511-87,023 PSI），而高强度钢的抗拉强度约为 700-1600 MPa（101,526-232,061 PSI）。因此，高性能热固性复合材料的抗拉强度可以达到或超过大多数金属材料的水平，同时重量却要轻得多。
• 陶瓷材料通常很脆，抗拉强度较低，通常低于 300 MPa (43,511 PSI)。

热固性复合材料：更坚固、更持久

纤维增强热固性复合材料的高拉伸强度源于增强纤维与聚合物基质之间的强粘合性，从而实现高效的应力传递。优化纤维类型、取向和体积分数可进一步增强其拉伸性能。热固性复合材料重量轻且比强度高，因此对于需要高拉伸性能的重量关键型结构应用具有吸引力。