第 9 部分 纤维增强树脂中的取向

内容

1.什么是纤维增强树脂？

2. 纤维增强树脂的取向性如何？

3. 什么是取向张量？

4. 纤维取向结果格式

5.总结

什么是纤维增强树脂？

纤维增强树脂是含有玻璃纤维等增强材料以提高树脂的机械强度并赋予其功能的材料。可混合的纤维增强材料有多种，例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维和天然矿物，混合的类型和数量可根据用途、成本和环境性能进行选择。

[纤维增强材料示例]

■ 玻璃纤维（GF）

含有GF的树脂具有优异的强度和抗压强度以及改善的尺寸稳定性。
用途示例：汽车保险杠和门板、船体、高尔夫球杆和钓鱼竿等体育用品等。

■ 碳纤维（CF）

含有CF的树脂重量轻，机械强度高，刚性高。滑动性和耐磨性也优异。由于具有导电性，因此可用于需要电气性能的场合。
用途示例：汽车、航空航天、建筑材料、体育用品等。

■ 芳纶纤维（AF）

含有 AF 的树脂重量轻、强度高、耐用性好。它们具有较高的抗冲击性、韧性和耐磨性。它们的热膨胀系数也非常低。然而，与 GF 和其他材料相比，它们是一种非常昂贵的增强材料。
用途示例：防弹头盔、军车装甲等防弹装备、汽车结构件、自行车车架、网球拍等。

■ 天然矿物质

当采用水合硅酸镁纤维（海泡石）、硅酸钙纤维（硅灰石）等天然矿物作为增强材料时，就成为耐热性、耐磨性等优异的树脂。与GF相比，由于其长径比较小，因此尺寸稳定性优异。
用途示例：餐具、办公设备、汽车部件等。

什么是纤维增强树脂取向？

由于增强材料是纤维状的，因此在注塑时会发生取向，从而影响材料特性。取向是指纤维沿某一方向排列。非增强材料具有与方向无关的材料特性，这称为各向同性，而根据方向而变化的材料特性称为各向异性。一般来说，含有纤维增强材料的树脂往往表现出明显的各向异性。下面显示了一个例子。

• 机械强度：强度和刚度随方向变化而发生显著变化
• 翘曲：纤维受到约束，造成收缩和翘曲的各向异性。
• 热导率：纤维的热导率与树脂不同，因此热导率会根据取向而变化。

 

因此，方向对材料特性有很大影响，所以当使用纤维增强树脂时，从设计阶段了解方向非常重要。

在树脂注射成型分析中，可以分析纤维的取向。纤维取向受成型条件、材料行为以及纤维长宽比和浓度的影响。如果没有适当考虑树脂中纤维的行为，取向预测将远离现实，因此需要检查分析输入条件。

什么是取向张量？

取向张量是一种概率分布，表示纤维在三维坐标系中的取向程度。对于指定的轴，该值越接近 1，则纤维沿该轴排列的程度越高，三个轴值的总和为 1。换句话说，纤维取向张量具有方向和比例的信息。

在形状简单的薄板中，纤维在流动方向上的取向性很强。随着板变厚，纤维在表层中倾向于沿流动方向取向，但在中间层中，它们倾向于垂直于流动方向或随机取向，如图 1 所示。这样，可以使用取向张量来表示局部取向分布，但这需要精确的流动模式。

纤维取向结果格式

纤维取向以每个部件的取向张量的形式输出。如上所述，为了准确预测部件的强度，必须考虑纤维取向。

■ 使用平板的示例

图2为平板的分析结果与实际测量值的对比。如图2上图所示，在板材的表层（正面和背面），纤维主要沿流动方向（X轴方向）排列，而在中间层（板材厚度中心），纤维主要沿垂直于流动的方向（Y轴方向）排列，导致表层和中间层的纤维取向分布不同。
此外，掌握实际成型品与分析结果的吻合程度，对提高预测精度也很重要。在这些验证中，如果纤维的长宽比或含量发生变化，结果也会发生变化。利用材料数据对目标材料进行分析很重要。

以下是如何使用纤维取向结果的具体示例：

■ 翘曲分析示例

纤维取向在翘曲分析中也很重要。计算每个部件因取向而产生的树脂收缩的各向异性，并根据结果计算翘曲状态。这些都内置在注塑成型分析软件中，因此在使用纤维增强树脂时，需要检查纤维取向引起的翘曲程度以及规格是否存在问题。解决翘曲的有效方法之一是通过改变浇口位置等来改变填充模式。

■ 用于结构分析

根据纤维的取向，强度和刚性会呈现各向异性。纤维增强树脂中，纤维排列方向的增强效果较大。由于纤维的流动方向与垂直于流动方向的方向的物性存在差异，因此，在设计阶段，只要确保在特别需要强度的方向上获得强度和刚性，便可充分利用增强纤维的特性。

在实际成型品中，将树脂注塑成型分析输出的各部位的取向张量映射到结构分析模型上，使用结构分析用的材料数据进行分析。具体来说，如图3所示，对注塑成型得到的平板以不同角度切下的试验片进行强度试验，根据与取向张量的相关性，生成结构分析用的材料数据。从而使结构分析更接近实际成型品的行为，并用于设计。

概括

含有纤维增强材料的树脂的物理性质会根据纤维取向而变化。虽然使用纤维增强材料可以提高强度和刚度，并通过替代金属来减轻重量，但也会引起翘曲等问题。因此，设计师和材料选择人员需要了解纤维增强材料的特性，并使用树脂注塑分析来提前预测并采取措施，从而提高设计质量。

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