跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响_王一超.pdf

复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.012跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响王一超，李鹏*，周菊萍(北京化工大学 材料科学与工程学院，北京100029)摘要:本文分别以日本东丽 T700SC、T1100G 碳纤维为增强体，自制树脂体系为基体，采用模压工艺制备了单向碳纤维复合材料层合板。分别研究了两种复合材料层合板在跨厚比为 16 1、32 1、40 1、50 1 时三点弯曲强度的变化规律，并着重分析了对应的弯曲破坏模式。结果表明:T700、T1100 碳纤维复合材料的三点弯曲最佳跨厚比分别为 32 1 和 40 1，对应的破坏模式均为上表面压缩和分层破坏。在 32 1 的标准跨厚比下，T1100 碳纤维复合材料层合板的弯曲强度为1 77987 MPa，仅比T700 碳纤维复合材料层合板高 2.61%。关键词:复合材料;跨厚比;三点弯曲;破坏模式中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03008306Influence of spantothickness ratio on the threepoint bending behavior of carbon fiber compositesWANG Yichao，LI Peng*，ZHOU Juping(School of Materials Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract:Herein，we have utilized T700SC and T1100G carbon fibers from Toray(Japan)as reinforcementand selfprepared resin system as matrix to fabricate the unidirectional carbon fiber composite laminates throughmolding method The variation of threepoint bending strength of two kinds of composite laminates containing differ-ent spantothickness ratios of 161，321，401 and 501 was studied respectively Meanwhile the bending fail-ure modes of the corresponding composite laminates are analyzed Our results indicate that at the spantothicknessratios of 321 and 401，both T700 and T1100 carbon fiber composites achieve the highest bending strength，withthe common failure modes of the upper surface compression and delamination At the standard spantothickness ra-tio of 321，the bending strength of T1100 carbon fiber composites is up to 1 77987 MPa，only 2.61%higher thanthat of T700 compositesKey words:composite materials;spantothickness ratio;threepoint bending;failure mode收稿日期:20220214作者简介:王一超(1997)，男，硕士研究生，主要从事碳纤维复合材料制备及工艺方面的研究。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，。基于碳纤维复合材料高模量、高强度等优势，航天工业和国防部门早已将其应用于军事飞机零件、卫星部件以及其他轻量化承力结构12。另外，从其巨大的下游市场潜能来看，建筑、交通等领域已经开始应用碳纤维复合材料34。与传统金属材料不同的是，碳纤维复合材料的设计灵活性更强，因此影响其性能的因素也更多，如纤维与树脂的结合性、预浸料铺层顺序、纤维混杂方式等510。作为承力结构材料，在产品应用过程中，必定会受众多外力的影响，弯曲便是其中之一。现有的研究更多是关注复合材料在受到横向压缩载荷后产生的屈曲行为，而实际当中，如飞机机翼等受力主要是以弯曲为主，而且分析由弯曲引起的压缩等行为要更为复杂。特别是在受力结构的设计中，弯曲性能是一项重要的指标。三点弯曲作为测试复合材料弯曲性能的一种最常规、最主要方法，被广泛应用于复合材料质量检测11。层合板在与压头接触的一侧受到压应力，另一侧受到拉应力，内部则由压缩逐渐过渡为拉伸，同时存在层间剪切力，因此复合材料弯曲通常发生多种失效模式。弯曲性能与破坏模式紧密相连，不考虑破坏形式而只谈弯曲性能没有实际意义1213。当跨厚比较大时，层间剪切力可以忽略，压缩力或者拉伸力是导致其破坏的主要因素14;当跨厚比较小382023 年第 3 期跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响时，剪切力不可以忽略，因此在不同的跨厚比条件下测试的三点弯曲试样的破坏模式和弯曲强度有显著的差别15。杨国腾等 16 对三点弯曲的影响因素进行了探究，对比了跨厚比为 161 和 321 时层合板的弯曲性能，实验结果指出，碳纤维复合材料最佳的跨厚比条件为 321。acz 等17 探究了单向复合材料弯曲性能与跨厚比的关系，实验记录了单向碳纤维复合材料三点弯曲强度及模量在 5 种不同跨厚比条件下的变化情况，结果表明随着跨厚比(L/h)的增大，单向复合材料的破坏模式由剪切分层向压缩和拉伸转变。Carbajal 等18 采用热压法制备了不同厚度的复合材料层合板，并分别采用不同的跨距进行三点弯曲实验，其实验结果表明三点弯曲的最大应力随着厚度的增加而减小，随着跨距增大先增大后减小，强度差异值为 1%，但是模量并没有明显的变化。osensaft等19 比较了玻璃纤维、凯夫拉纤维和碳纤维这 3 种纤维复合材料在不同跨厚比条件下三点弯曲强度和模量的差异。结果显示与玻璃纤维和凯夫拉纤维复合材料不同的是，碳纤维复合材料弯曲强度随跨厚比变化有一个明显的失效过渡点。在文献所提到的弯曲测试以及企业标准中，多数都是在 321 的跨厚比条件下进行的，然而不同碳纤维复合材料性能各异，特别是对于一些高性能的碳纤维而言，相同测试条件下导致的破坏模式可能千差万别。而评价一种复合材料弯曲性能的优劣，相同的破坏模式是前提，尤其在依靠基础力学性能设计产品的情况下，更要探究材料的最佳测试标准。为此，实验采用两种不同性能碳纤维，在 4 种不同跨厚比条件下，通过宏观力学测试以及微观形貌分析等方式探究跨厚比条件与弯曲强度、破坏模式之间的关系，并确定实验中碳纤维复合材料层合板各自有效的跨厚比条件，为碳纤维复合材料弯曲测试提供一些有价值的参考信息。1实验方法1.1主要原材料碳纤维采用日本 Toray 公司的 T700SC、T1100G，纤维性能见表 1。树脂体系采用国内某复合材料有限公司量产型号，模量为 3.65 GPa，密度为 1.2 g cm3。固化剂为双氰胺(DICY)，深圳佳迪达有限公司。促进剂为有机脲类促进剂 U500，东莞市豪圣塑胶原料有限公司。表 1碳纤维性能Table 1Carbon fiber properties碳纤维种类密度/(g cm3)延伸率/%拉伸强度/GPa弹性模量/GPaT700SC18021490230T1100G179207003241.2层合板制备采用溶剂法制备单向碳纤维预浸料，预浸料FAW(单位面积预浸料中纤维的质量)为 170 g m2，C(单位面积预浸料中树脂的百分含量)为 35%，单层预浸料理论厚度为 0.17 mm，预浸料厚度根据公式(1)计算:=FAWf+FAWC(1 C)m(1)其中:f为纤维密度;m为树脂基体密度。采用模压法制备单向碳纤维复合材料，根据模具厚度设计层合板贴合层数为 13 层，铺层角度为0。将贴合完成的预成型体放入已经预热且表面涂敷有离型剂的模具中成型，具体成型工艺见图 1，成型后层合板厚度为(20.05)mm。图 1层合板成型工艺Fig.1Laminate forming process1.3测试和表征根据 ASTM D726415 标准，采用砂轮切割机将层合板切割成标准尺寸试样，其中试样长度为跨距的 1.2 倍，4 种不同跨距下的标准试样尺寸见表 2。利用美特斯 E44 万能材料试验机，对所制备试样进行三点弯曲测试。跨厚比分别选择 16 1、32 1、401 和 501，其中 32 1 为标准跨厚比，加载头和支座半径的尺寸均为 5 mm，加载速率为 2 mmmin1。每种跨厚比条件下测试样条不少于 6 个，并记录其破坏模式。采用奥林巴斯 BX60M 观察复合材料层合板弯曲破坏形貌。482023 年 3 月复合材料科学与工程表 2试样尺寸Table 2Specimen size测试跨距/mm试样长度/mm试样宽度/mm试样厚度/mm32384051301200564768051301200580960051301200510012005130120052结果分析2.1弯曲强度两种碳纤维复合材料层合板三点弯曲实验结果见表 3，变化趋势见图 2。由图 2 可以明显看出，两种层合板的弯曲强度在不同的测试跨厚比条件下有着很大变化。跨厚比为 161 时，两种碳纤维复合材料层合板的弯曲强度均为最小值，其中 T700 CFP层合板的弯曲强度只有1 57344 MPa，而当跨厚比增加为 32 1 时，强度达到了1 73453 MPa，比最小值提高了 10.24%。T1100 CFP 层合板在跨厚比为161 时弯曲强度为1 63926 MPa，在测试标准推荐的321 跨厚比下，其强度也仅仅为1 77987 MPa，而当跨厚比为 401 时，其弯曲强度达到最大值1 94848MPa，较最小值提高了 18.86%，可见跨厚比的变化对 T1100 碳纤维复合材料的影响更加明显。表 3碳纤维层合板弯曲性能实验结果Table 3Experimental results of bending performanceof carbon fiber laminates跨厚比纤维种类弯曲强度/MPa方差离散系数/%16 1T700SC1 573443 56554416T1100G1 639261 1823823432 1T700SC1 734534 80865437T1100G1 779872 2245062940 1T700SC1 704001 29368236T1100G1 948483 6779861350 1T700SC1 6751866314188T1100G1 932792 445261295图 2弯曲强度变化图Fig.2Diagram of bending strength change虽然跨厚比变化对两者弯曲强度的影响程度不同，但总体变化趋势相似，均为随跨厚比的增加而增大，达到最高值后出现小幅度减小，这与 osensaft等19 的研究结果相吻合，即出现了一个弯曲强度转折点。单从实验结果来看，T700 和 T1100 碳纤维复合材料最佳的跨厚比条件分别为 32 1 和 40 1，但此时各自对应的离散系数均相对较大，其中 T700 碳纤维层合板在四种跨厚比条件下的离散系数分别为4.16%、4.37%、2.36%、1.88%;T1100 碳纤维层合板在四种跨厚比条件下的离散系数分别为 234%、6.2