单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能_周菊萍.pdf

单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.018单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能周菊萍，李鹏*，王一超(北京化工大学 材料科学与工程学院，北京100029)摘要:本文采用模压成型工艺，使用日本东丽公司 T1100GC 和 M55J 两种碳纤维预浸料制备了一系列单向混杂碳纤维复合材料(HCFP)层合板，通过改变 HCFP 的混杂比和铺层方式，研究了不同 HCFP 在三点弯曲载荷作用下的力学性能，并使用光学显微镜观察 HCFP 的破坏形貌，分析其失效模式。研究表明:单一 T1100GC 和单一 M55J 碳纤维复合材料均发生压缩破坏，B 型混杂结构 HCFP 则以中间层的剪切破坏为主，C 型混杂结构 HCFP 的破坏模式与混杂比有关。无论何种混杂结构的铺层方式，混杂比为 47.1%的 HCFP 均表现出最优的弯曲性能，其中以 M55J 碳纤维作为芯层的 C 型混杂 HCFP 的弯曲强度最高，为2 0527 MPa，其破坏模式表现为整体破坏;以 T1100GC 碳纤维作为芯层的 C 型混杂 HCFP 的弯曲弹性模量最高，为 310.5 GPa，其破坏模式表现为分层破坏。关键词:混杂复合材料;碳纤维;弯曲性能;破坏模式中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03011208Mechanical properties of unidirectional hybrid carbon fiber reinforcedcomposites under threepoint bending loadZHOU Juping，LI Peng*，WANG Yichao(School of Materials Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract:We have adopted T1100GC together with M55J carbon fibers as prepregs to fabricate a series of theunidirectional hybrid carbon fiber reinforced composite(HCFP)laminates via molding method By changing thehybrid ratio and layup methods of HCFP，the bending properties of HCFP have been investigated via threepointbending test，and optical microscope has been utilized to analyze their failure mode under bending loads Our resultsindicate that both pristine T1100GC and M55J carbon fiber composites suffer from compression failure The destro-ying of type B hybrid structures in HCFP is mainly due to shearing failure in the middle layer，the failure mode ofthe HCFP in type C is related to the hybrid ratio HCFP with the hybrid ratio of 47.1%exhibits the best bendingproperties regardless of layup methods The flexural strength of HCFP with M55J carbon fiber in the middle layerreaches the highest value of 2 0527 MPa，and its failure mode is overall failure In addition，the flexural elasticitymodulus of HCFP with T1100GC carbon fiber in the middle layer reaches the highest value of 310.5 GPa，and itsfailure mode is delamination failureKey words:hybrid composites;carbon fiber;bending properties;failure mode收稿日期:20220214作者简介:周菊萍(1997)，女，硕士研究生，主要从事碳纤维增强树脂基复合材料方面的研究。通讯作者:李鹏(1967)，男，博士，副教授，主要从事纤维增强树脂基复合材料方面的研究，。碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、密度低、抗疲劳、抗冲击等优异的综合性能以及良好的加工性能和结构的可设计性等优势，在航空航天、交通、能源、运动休闲等领域的应用越来越广泛13。如今各应用领域对碳纤维复合材料的性能要求越来越高，使其需要在具备高强度的同时兼具高模量，而单一类型的碳纤维复合材料很难同时满足高强度和高模量的要求。因此，为了改善复合材料的性能并同时降低复材产品成本，将不同类型的纤维进行混杂设计的研究得到了广泛关注46。混杂纤维增强复合材料(Hybrid Fiber einforcedPlastics，HFP)由一种树脂基体和两种或多种纤维2112023 年 3 月复合材料科学与工程组成。HFP 比非混杂纤维增强复合材料有更多的设计自由度，其设计目的通常是减轻其中一种纤维的缺点，同时保留另一种纤维的优点78。HFP 可以导致协同效应，产生这两种纤维增强复合材料都不具有的性质9。尽管 HFP 很有吸引力，但它们在材料选择方面要比传统的单纤维型复合材料面临更多的挑战1011。HFP 的纤维元素变量多、可设计性强，也就意味着 HFP 在承受载荷时形变复杂，性能影响因素也更多。Diao 等12 将 T700SC 与 IM7 两种碳纤维通过气流分散技术进行分散，制备了层内混杂碳纤维增强尼龙复合材料，考察了层合板的拉伸性能。结果显示:混杂复合材料的破坏模式从脆性破坏转为延展破坏，初始模量与预测值一致，拉伸强度和断裂延伸率的实测值稍低于按照混杂效应计算的理论值。Montagnier 等13 采用高强度碳纤维和高模量碳纤维混杂制造了复合材料直升飞机尾旋翼传动轴。研究表明:为了获得最大扭矩抗力，需要使用45高强度(HS)碳纤维/环氧树脂铺层;为了获得最大化的轴向刚度，需要使用高模量碳纤维(HM)/环氧树脂铺层;为了获得最大的屈曲扭矩，90高模量碳纤维(HM)/环氧树脂需要远离轴的中间面。复合材料在三点弯曲测试过程中，受力情况相比于在纯拉伸压缩等条件下要复杂得多，三点弯曲测试是一个相当重要的评价复合材料性能的方法 1415。Serna Moreno 等16 研究了碳纤维复合材料弯曲性能的影响因素，得出结论:中性层的位置与材料的压缩模量与拉伸模量的比值有关。碳纤维复合材料在产生弯曲变形时，中性层受到的剪切应力最大，跨厚比影响着材料的破坏模式。Dong 等1718 采用玻璃纤维和碳纤维制备了玻璃纤维/碳纤维混杂纤维增强复合材料，研究了其弯曲性能。研究发现:当复合材料中碳纤维的体积分数 Vfc和玻璃纤维的体积分数Vfg均为 50%时，弯曲强度的混杂效应达到最大，与纯碳纤维复合材料和纯玻璃纤维复合材料相比，HFP 的弯曲强度分别增加了 43.46%和 85.57%。为了提高碳纤维复合材料的弯曲性能，满足实际应用的需求，基于 HFP 能够实现材料设计和结构设计的统一性，本文对不同类型的碳纤维复合材料进行了混杂设计研究。采用 T1100GC 与 M55J 碳纤维预浸料制备了一系列 HCFP，针对铺层方式和混杂比两个变量，系统地研究了 HCFP 的弯曲性能及其失效模式和混杂机理。1实验材料及方法1.1实验材料本实验采用日本东丽公司的商用碳纤维/环氧树脂预浸料，预浸料参数见表 1。表 1碳纤维/环氧树脂预浸料参数Table 1Parameters of carbon fiber/epoxy prepreg预浸料型号碳纤维类型FAW/(g m2)C/Wf%碳纤维密度/(g cm3)预浸料厚度/mm纤维体积含量/(cm3 m2)P17043G10 T1100GC693317900663856P12056F13M55J7535191007839271.2铺层设计(1)层数设计。按照成型弯曲试样模具厚度(2+0.2)mm 计算每种混杂所需要的预浸料层数;为避免孔隙等缺陷的产生，碳纤维预浸料预制片厚度大于成型模具厚度 0.2 mm。具体如表 2 所示。表 2混杂纤维增强复合材料的铺层设计Table 2Laminate design of hybrid fiber reinforced composites混杂比M/%M55层数T1100层数铺层1铺层2铺层3铺层4100280 CM14S754248 CM12CT4SCM4CT2CM4CT1CM4CT1SCT12CM4S CT2CM4CT1CM4CT1CM4S4711416 CM7CT8SCM3CT3CM2CT3CM2CT2SCT8CM7S CT3CM3CT3CM2CT2CM2S239826CM4CT13SCM2CT5CM1CT4CM1CT4SCT4CM13S CT5CM2CT4CM1CT4CM1S0034 CT17S注:C 表示碳纤维;上标 T 和 M 分别表示 T1100GC 碳纤维复合材料和 M55J 碳纤维复合材料;下标 n(如 12、4、14 等)表示碳纤维层数;下标S 表示层合板对称铺层。3112023 年第 3 期单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能(2)混杂比。纤维混杂程度用混杂比计算，本文中为 M55J 碳纤维在混杂纤维复合材料中的体积含量比。(3)计算方法。具体参照式(1):M=CMVMCMVM+CTVT(1)其中:CM、CT分别为 M55J 碳纤维和 T1100GC 碳纤维预浸料层数;VM、VT分别为 M55J 碳纤维和 T1100GC碳纤维预浸料的纤维体积含量。(4)铺层方式设计。HFP 根据纤维混杂的方式不同可以分为层内混杂和层间混杂19，本文主要研究了对称的层间混杂方式。按照纤维的排布不同，层间混杂方式又可以分为 B 型混杂结构和 C 型混杂结构20。B 型混杂结构为两种纤维层交替排列;C 型混杂结构是以一种纤维作为面层，另一种纤维作为芯层的结构。铺层1 和铺层2 为 M55J 碳纤维在外层，其中铺层1 芯层为 T1100GC 碳纤维;铺层2 按 M55J、T1100GC、M55J 碳纤维依次排布。铺层1 与铺层2 的主要区别为层间混杂的碳纤维的分散程度不一样，铺层2 的高强碳纤维与高模碳纤维的分散程度高于铺层1。铺层3 与铺层4 为T1100GC 碳纤维在外层。四种铺层方式示意图如图1 所示，其中铺层1 和铺层3 为 C 型混杂结构，铺层2 和铺层4 为 B 型混杂结构。图 1HCFP 层合板铺层示意图Fig.1Schematic diagram of HCFP laminates laying1.3HCFP 层合板的制备将两种单向碳纤维复合材料预浸料裁剪为 20cm13 cm 的尺寸，在 25、30%H 的室内环境下，按照表 2 中的混杂比和铺层方式手工贴合，将贴合完成的预浸料预制片放入已经预热的模具中，按照图 2 所示工艺成型。图 2碳纤维复合材料成型控制程序Fig.2Carbon fi