CFRP vs GFRP：纤维增强复合材料的拉伸强度分析

1. 引言：为什么拉伸强度如此重要

拉伸强度和弹性模量是评估结构性能的两个关键指标。在航空航天、汽车工业、工业机械、储能设备以及耐压结构等众多应用领域中，复合材料的可靠性高度依赖于纤维类型、纤维方向以及增强层数。

本研究重点分析采用碳纤维与玻璃纤维制成的复合材料在 ISO-527 标准下的拉伸力学表现。研究结果为理解层数如何直接影响复合材料的拉伸强度和刚度提供了重要参考。

2. 研究方法：ISO-527 拉伸测试标准

所有拉伸测试均依据 ISO-527 试样标准进行，以确保测试数据的准确性和一致性。研究评估了两类复合材料：

• 连续增强型碳纤维层压板
• 使用短切毡（CSM）制成的玻璃纤维复合材料

所有样品均采用树脂基体并按 10:1 催化剂比例制备，以确保固化充分并模拟工业生产条件。

3. 关键发现：层数决定强度表现

3.1 双层碳纤维：最高力学性能表现

研究表明，含有两层碳纤维的复合材料试样表现出最卓越的力学性能：

• 拉伸强度：100.76 MPa
• 最大应变：1.76%（低值，表明刚度高）
• 弹性模量：5708.4 MPa

结果显示，增加增强层数显著提升材料的刚度、承载能力和整体拉伸性能。

3.2 单层碳纤维：最低拉伸强度

含单层碳纤维的试样表现出最低的力学性能：

• 拉伸强度：19.877 MPa

这一结果凸显了单层结构设计的局限性，并证明增强不足会显著降低力学表现。

3.3 碳纤维 vs 玻璃纤维：差异没有预期大

既有研究指出，对于单层材料而言，碳纤维与玻璃纤维的拉伸强度差异可能并不显著。然而本研究证明，决定性能的关键在于层数配置而非纤维类型，它直接影响：

• 拉伸强度
• 弹性模量
• 刚度
• 载荷分布能力

4. 讨论：为什么层数配置如此关键

多层碳纤维复合材料之所以表现出更优的力学性能，主要归功于以下增强机制：

• 纤维–基体界面之间高效载荷传递
• 在拉伸作用下的抗变形能力
• 结构稳定性强，层间脱粘风险低
• 弹性模量随层数增加而显著提升

这些特性使多层碳纤维复合材料非常适合作为对高模量、高强度、高耐久性有要求的工程结构材料。

5. 结论：双层碳纤维是最佳结构选择

ISO-527 拉伸测试结果表明，双层碳纤维层压板在拉伸强度与刚度方面表现最佳。其综合性能全面优于单层碳纤维与玻璃纤维复合材料。

对于需要轻量化、高强度、高尺寸稳定性的工程应用——尤其是在性能要求极高的工业环境中——双层碳纤维复合材料无疑是最佳材料选择。