復合材料中使用的材料(即纖維和樹脂體系)的選擇以及形成結構的制造工藝,對于最終復合材料工程和物理材料性能的發展至關重要。纖維通常是大多數性能的關鍵。有多種纖維可供選擇,但一般而言,最終選擇的結果歸結為成本、重量和性能。下圖顯示了幾種常見纖維類型之間的應力/應變關系。

纖維也有多種形式,即連續單向、機織布或短纖維墊,其中最有效的纖維形式(重量與性能)是連續單向,然后是機織布,最后是短纖維墊。纖維形態結構對復合材料性能的影響通過纖維體積比和相對性能來說明。
樹脂體系主要用于粘合、保護和協助纖維進行外部載荷轉移。基于混合物的簡單微觀力學規則方法,復合材料結構的兩個主要性能(軸向強度和剛度)與纖維性能和纖維體積比成正比,在設計時通常的目標是同時具有高纖維剛度和纖維體積比以提高結構效率。
在復合材料結構的制造過程中,纖維體積比取決于過量樹脂的去除。隨著纖維體積比的變化,復合材料結構的機械和物理性能會成比例發生變化。因此,為了實現特定的工程變形(以剛度為主)或承載能力(結構強度),例如,由于纖維形式而降低的相對剛度,或由于低纖維體積比而降低的強度將需要更厚的截面制成。
值得注意的是,高性能纖維通常比基體更輕,然后結合更大的整體橫截面尺寸,將使得結構更重。這也與較高的材料和勞動力成本直接相關,成本估算會在后續的文章中進一步介紹。
剛度效率指數計算公式如下,在下表中則清楚地顯示了剛度效率的影響。從表中可以看出:剛度效率指數與纖維體積分數和取向有關;在增強纖維體積分數為70%的復合材料,軸向(Axial)剛度效率指數最高,可達1.0。對于體積分數30%的復合材料,隨機取向(Random 3D)的剛度效率指數最低,僅為0.05。

制造工藝的選擇以及可供選擇的多種工藝將取決于設備可用性、成本、時間、材料選擇、產品數量等。然而,無論選擇何種工藝,復合材料性能的發展將基于鋪層、纖維取向和纖維體積比。對纖維類型、纖維形式、樹脂系統和制造工藝的選擇將決定復合材料的性能……
