吳 莎，劉建超，廖英強(qiáng)

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安710025）

碳纖維復(fù)合材料層合板壓縮性能的相關(guān)影響因素

吳 莎，劉建超，廖英強(qiáng)

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安710025）

碳纖維作為一種新型的增強(qiáng)材料，具有優(yōu)良的理化性能，已在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.由于單向碳纖維復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度較低，其在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料方面的應(yīng)用受到限制，提高其壓縮性能成為關(guān)鍵.本文綜述了影響碳纖維復(fù)合材料層合板壓縮性能的相關(guān)因素，詳細(xì)介紹了纖維彎曲、孔隙率、纖維體積分?jǐn)?shù)、樹(shù)脂性能等影響因素對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板的重要性，以及各影響因素之間的關(guān)系等，為提高碳纖維復(fù)合材料層合板壓縮性能的研究提供了參考.

碳纖維復(fù)合材料；壓縮性能；影響因素；纖維彎曲；孔隙率

碳纖維作為先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)中最常用的增強(qiáng)體之一，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、航海和風(fēng)力渦輪機(jī)等領(lǐng)域.碳纖維／環(huán)氧樹(shù)脂層壓復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度／質(zhì)量比，而且具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，一直受到極大的關(guān)注［1］.過(guò)去的幾十年里，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和韌性都得到了很大的提升，壓縮強(qiáng)度卻提升很少，而且大多數(shù)纖維增強(qiáng)聚合物基體復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度低于其拉伸強(qiáng)度，單向碳纖維／環(huán)氧層合板的壓縮強(qiáng)度僅是其拉伸強(qiáng)度的 60%左右［2－3］.因此，在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大限制因素.由于碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料常常用于各種承力構(gòu)件中，對(duì)強(qiáng)度和模量都有較高要求，其壓縮強(qiáng)度也被期望能有較大提高，并且碳纖維復(fù)合材料層合板的0°壓縮強(qiáng)度略低，容易受到多種因素的影響［4－6］.所以對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板的壓縮性能及破壞機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究很有必要，本文就碳纖維性能及其復(fù)合材料壓縮性能的影響因素等方面進(jìn)行了闡述.

1 碳纖維復(fù)合材料壓縮性能及影響因素

復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)的重要參數(shù)之一.近年來(lái)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的需求不斷增大，例如碳纖維復(fù)合材料層合板用于厚壁結(jié)構(gòu)型材.許多高強(qiáng)度碳纖維在拉伸性能上都有明顯提高，但在壓縮強(qiáng)度方面提升很小.研究人員指出［7］，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度沒(méi)有得到改善是由于高性能纖維各向異性程度的提高.高性能碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著纖維各向異性的降低而增加，壓縮強(qiáng)度的上升會(huì)受到復(fù)合材料微屈曲失效的限制.因此，高性能碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度不會(huì)有和拉伸強(qiáng)度同樣程度的提高.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮方面的研究已有很多［8－12］，尤其是通過(guò)界面處理提高其壓縮強(qiáng)度方面的探索與研究［11－12］，但是單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮性能易受到多種因素的影響，相對(duì)于其他性能，對(duì)壓縮強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)仍有所欠缺.復(fù)合材料制造過(guò)程中產(chǎn)生的各種內(nèi)部缺陷會(huì)影響其負(fù)載時(shí)的性能，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料比玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料更易受到這些缺陷的影響，預(yù)測(cè)缺陷的大小并不容易，而且預(yù)測(cè)強(qiáng)度的理論模型都是由大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得來(lái).壓縮測(cè)試方法也會(huì)影響強(qiáng)度的測(cè)定，到目前為止，對(duì)于單向碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，還沒(méi)有可靠的分析或經(jīng)驗(yàn)公式能夠提供合理預(yù)測(cè)，影響壓縮強(qiáng)度的因素也不能定量分析［13－16］.以下將對(duì)影響碳纖維復(fù)合材料層合板壓縮性能的各個(gè)因素進(jìn)行相關(guān)概述.

1.1 纖維彎曲對(duì)壓縮性能的影響

復(fù)合材料中初始纖維彎曲是影響壓縮強(qiáng)度的重要因素，在生產(chǎn)制作過(guò)程中很難控制纖維彎曲.纖維纏繞、纖維編織類(lèi)似的制造技術(shù)中都會(huì)造成復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生纖維彎曲.濕法制備材料的方式，比如手糊鋪疊和某些條件下的樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）方法會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的纖維彎曲，所以生產(chǎn)制作過(guò)程中纖維彎曲缺陷在所難免.纖維彎曲對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度會(huì)造成較大的影響.首先，纖維彎曲誘發(fā)材料壓縮時(shí)產(chǎn)生微屈曲失效；其次，纖維彎曲部分的材料軸向剛度會(huì)有所下降，這是由于纖維取向與加載方向有偏差.因此，材料內(nèi)部發(fā)生纖維彎曲與發(fā)生纖維不平行的影響情況相似，可將材料內(nèi)部纖維彎曲的平均角度看作是纖維不平行角度［13］.

Lo等［13］采用分析和半經(jīng)驗(yàn)的方法提出了一種壓縮強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性：纖維不平行確實(shí)降低了高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料的壓縮性能，而且纖維不平行角度較大的試樣其壓縮強(qiáng)度下降也較大.Davidson等［1］對(duì)含有單種缺陷的單向碳纖維薄板復(fù)合材料進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試，總體上隨著纖維不平行角度的增加壓縮強(qiáng)度有所下降.相比于其他制備方法，預(yù)浸料法制備的復(fù)合材料中纖維彎曲會(huì)較少，其性能也相對(duì)較高.較低成本的制備方法制作的碳纖維層合板臨界壓縮應(yīng)變范圍為1.0%～1.2%，而由針刺或編織的碳纖維織物通過(guò)浸漬制成的層合板，其臨界壓縮應(yīng)變范圍是 0.6%～0.8%［17］.

纖維彎曲剛度和纖維內(nèi)在壓縮強(qiáng)度對(duì)材料的壓縮強(qiáng)度很重要［18］：纖維彎曲剛度的增高易于抵抗彎曲和屈曲，可以降低材料中的纖維彎曲程度；另一方面，提高纖維模量總是以犧牲纖維壓縮強(qiáng)度為代價(jià).高模量纖維的石墨微晶有序性較高，而且微晶尺寸也較大，這可能造成纖維壓縮強(qiáng)度的下降.如果碳纖維復(fù)合材料的界面性能（厚度和模量）保持不變，那么纖維直徑越大，壓縮強(qiáng)度也越高，且受界面影響很小.因?yàn)槔w維體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，纖維體積越大，界面所占的體積越小，這就是T300碳纖維（直徑7 μm）比T700碳纖維（直徑5 μm）復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度稍大的原因［19］.Jumahat等［20］對(duì)比研究了3種碳纖維 IM7、T800和HTS40，發(fā)現(xiàn)纖維的性能對(duì)CFRP復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度有一定影響.Thompson等［21］比較了3種纖維模量不同的復(fù)合材料壓縮性能的預(yù)測(cè)值和測(cè)試值（圖1），分析表明，隨著纖維剛度的增大，其纖維平行度也在提高，而且隨著纖維模量的提高復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度也有所提高.

圖1 纖維剛度不同的3種復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度模擬值和測(cè)試值［21］Fig.1 Model results and measurements for three levels of fiber stiffness［21］

越小的初始纖維偏差角，可以使碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板越穩(wěn)定，防止微屈曲應(yīng)力的產(chǎn)生，從而能承受更大的應(yīng)力.纖維彎曲使得纖維方向與材料縱向不一致，垂直壓縮時(shí)造成基體剪切應(yīng)力明顯增大，使復(fù)合材料在較低加載應(yīng)力下就達(dá)到基體剪切穩(wěn)定的極限.因此，材料體系擁有越少的纖維彎曲，碳纖維才能更有效地承受與傳遞載荷并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，材料的壓縮性能也就越高［17，20，22－23］.

1.2 孔隙率對(duì)壓縮性能的影響

關(guān)于孔隙率對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響已有很多研究［24－25］，層壓板體積越大，在材料中發(fā)現(xiàn)孔隙的可能性也會(huì)越大.孔隙的存在會(huì)影響碳纖維復(fù)合材料層合板的表觀剛度和強(qiáng)度.除此以外，孔隙能在很大程度上減弱復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，復(fù)合材料中孔隙的存在會(huì)增加周?chē)w維的不平行度，造成局部剪切性能不同，從而改變整個(gè)基體的力學(xué)剪切性能.當(dāng)樹(shù)脂基體中孔隙率很高時(shí)，樹(shù)脂有效剛度下降而且存在應(yīng)力集中.當(dāng)孔隙存在于纖維／基體界面時(shí)，造成界面粘接較弱甚至脫粘，從而使復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度下降［13，26］.制樣方法的不同會(huì)造成孔隙率的不同，熱壓罐法制成的試樣壓縮強(qiáng)度比熱壓機(jī)法高10%.因此制樣方法的選擇也會(huì)通過(guò)影響孔隙率而決定碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料體系的整體性能［20］.

Hapke等［27］通過(guò)原位掃描電子顯微鏡對(duì)表面無(wú)缺陷并含有孔隙的CFRP試樣進(jìn)行了逐級(jí)增壓的壓縮測(cè)試，發(fā)現(xiàn)孔隙的位置、形狀和密度會(huì)影響失效的發(fā)展過(guò)程.Almeida等［28］指出如果復(fù)合材料中的孔隙率達(dá)到臨界值以上，會(huì)造成復(fù)合材料疲勞壽命顯著下降，但對(duì)靜態(tài)彎曲強(qiáng)度的影響很弱.Zhang等［29］通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，預(yù)測(cè)了含有不同孔隙率的碳纖維織物／環(huán)氧復(fù)合層合板的靜態(tài)強(qiáng)度，結(jié)果表明，層合板的壓縮強(qiáng)度隨著孔隙率的增加而下降.通過(guò)有限元模型研究顯示（圖2），復(fù)合材料孔隙率為1.5%時(shí)比0.33%提前壓縮失效，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值都表明，隨著孔隙率的增加復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).

圖2 孔隙率對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響結(jié)果對(duì)比［29］Fig.2 Finite element simulation and experimental value of compressive strength［29］

1.3 樹(shù)脂基體對(duì)壓縮性能的影響

樹(shù)脂基體對(duì)碳纖維復(fù)合材料壓縮性能的影響不容忽視，可通過(guò)臨界濕潤(rùn)表面能、固化收縮、熱收縮、機(jī)械模量和強(qiáng)度考察樹(shù)脂的基本性能［30］.對(duì)于壓縮載荷下的單向?qū)雍习鍋?lái)說(shuō)（圖3），樹(shù)脂基體接近平面應(yīng)力狀態(tài)，基體的應(yīng)力狀態(tài)是加載壓縮應(yīng)力σ1的函數(shù).基體壓縮應(yīng)變是壓縮載荷下的殘余熱應(yīng)變和機(jī)械應(yīng)變共同作用的結(jié)果，殘余應(yīng)變主要是纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的，縱向壓縮應(yīng)力使基體產(chǎn)生壓縮應(yīng)變［21］.碳纖維單向復(fù)合材料層合板在壓縮載荷作用下發(fā)生偏折的最初階段是樹(shù)脂基體在纖維之間塑形流動(dòng)，就像晶體塑形模型中的滑移面［31］.Guynn等［32］推斷出，基體支撐纖維的狀況對(duì)抵抗纖維微屈曲有很大的影響，也就是增加基體的剪切屈服強(qiáng)度和剪切正切模量可以提高抗壓應(yīng)力，防止材料提前失效，剛度越高的樹(shù)脂基體會(huì)給纖維提供越好的支撐作用，體系的剪切性能也就越高.Alexander等［33］在研究中認(rèn)為，較堅(jiān)韌的聚醚醚酮（PEEK）基體與拉伸強(qiáng)度較低的纖維制備的復(fù)合材料，在相同測(cè)試環(huán)境下的壽命更長(zhǎng).如果碳纖維復(fù)合材料的壓縮失效不是由于微屈曲，而是與增強(qiáng)體的壓縮失效有關(guān)，那樹(shù)脂剛性對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響將不太重要.對(duì)于這類(lèi)材料，增強(qiáng)纖維的抗壓縮變形能力是決定復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的重要因素.

圖3 壓縮載荷下的樹(shù)脂應(yīng)力狀態(tài)［21］Fig.3 Matrix stress state for imposed compressive stress［21］

Lo等［13］測(cè)試了高強(qiáng)度（T300）碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂模量與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著樹(shù)脂基體剛度的增加而提高，但提高速率呈下降趨勢(shì).Pinnell［34］通過(guò)4種復(fù)合材料體系的拉伸和壓縮性能測(cè)試，研究了基體對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料強(qiáng)度和失效過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)熱固性樹(shù)脂基體的剛度強(qiáng)于熱塑性樹(shù)脂基體，能夠更大程度上為試樣中的纖維提供橫向支撐，從而得到更優(yōu)異的壓縮性能.當(dāng)復(fù)合材料失效模式由纖維剪切決定時(shí)，高剛度基體能夠提供更強(qiáng)的橫向支撐.而且，基體材料對(duì)于壓縮試樣的失效模式也有很大影響，失效模式不同可能歸因于基體材料的相對(duì)剛度.但采用更高剛度的樹(shù)脂并不能使復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度大幅提高，因此，均衡的方法是所選用的高剛度樹(shù)脂在確保壓縮強(qiáng)度提高的同時(shí)，不能損害其他性能，這關(guān)系到復(fù)合材料的整體性能.

1.4 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響

纖維體積分?jǐn)?shù)越高的碳纖維復(fù)合材料壓縮性能越好，因?yàn)槭┘佑谔祭w維復(fù)合材料上的大多數(shù)載荷都由纖維來(lái)承載.纖維斷裂失效后，壓縮應(yīng)力才由樹(shù)脂基體來(lái)?yè)?dān)負(fù).也有學(xué)者將碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增大而上升的趨勢(shì)歸結(jié)于材料孔隙的降低.在復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度預(yù)測(cè)中，纖維體積分?jǐn)?shù)是最重要的參數(shù)，如果纖維體積分?jǐn)?shù)參數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)在強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式中，則其是隱含地通過(guò)復(fù)合材料剪切模量體現(xiàn)［20，32，35］.

大量的研究表明［21，35］碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì).Thompson等［21］發(fā)現(xiàn)，壓縮強(qiáng)度并不是隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的提高而一直上升.歷史數(shù)據(jù)和模擬預(yù)測(cè)都表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有一最佳纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，對(duì)應(yīng)最高的壓縮強(qiáng)度，這是因?yàn)殡S著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切的效果越來(lái)越明顯.聚酯樹(shù)脂最佳Vf＝0.50，而對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂最佳Vf＝0.65.

影響碳纖維復(fù)合材料層合板壓縮強(qiáng)度的因素很多，實(shí)際生產(chǎn)中壓縮強(qiáng)度會(huì)受到多種因素的共同作用.例如Soutis等［26］采用預(yù)浸帶方式制備碳纖維／環(huán)氧體系復(fù)合層合板，研究了不同厚度的單向復(fù)合材料試樣纖維彎曲分布（圖4）：厚度8 mm試樣（θ＝1.90°）比厚度為2 mm（θ＝0.90°）和4 mm（θ＝1.92°）試樣的纖維彎曲分布更廣，分布越廣說(shuō)明纖維平行度越差.纖維體積含量高的試樣所對(duì)應(yīng)的纖維彎曲會(huì)減少，分布較窄.

圖4 試樣厚度、纖維體積分?jǐn)?shù)與纖維彎曲之間的關(guān)系［26］Fig.4 Fibre waviness distribution for 2，4，6 and 8 mm thick unidirectional（［04］ns）specimens of the T800／924C composite system［26］

1.5 測(cè)試方法對(duì)壓縮性能的影響

碳纖維增強(qiáng)聚合物試樣的壓縮強(qiáng)度是通過(guò)壓縮載荷作用下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線獲得.壓縮測(cè)試是一項(xiàng)具有爭(zhēng)議的力學(xué)測(cè)試，由于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法很多，而且測(cè)試中環(huán)境、加載速率、標(biāo)距尺寸、夾持部位應(yīng)力集中等都會(huì)影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的失效情況，甚至?xí)档褪?qiáng)度和失效應(yīng)變［36］.魏宏艷等［37］對(duì)現(xiàn)有的壓縮試驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，給出了每個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的具體技術(shù)要求，并推薦對(duì)于0°和90°單向預(yù)浸帶材料，多向?qū)訅喊搴涂椢镌鰪?qiáng)復(fù)合材料采用ASTM D6641／D6641 M－01標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量其壓縮模量和壓縮強(qiáng)度.

壓縮載荷的加載方式主要有3種［38］：剪切加載、端部加載和混合加載.張子龍［39］通過(guò)有限元分析指出加強(qiáng)片的根部均存在應(yīng)力集中，端面加載產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小.Piggott和Harris等［40］研究了壓縮載荷加載速率和試樣標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)表明，最高加載速率下基體屈服強(qiáng)度和復(fù)合材料模量都有明顯的提升，但隨著加載速率提高多數(shù)復(fù)合材料的強(qiáng)度增幅不大；試樣標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度影響較小，但會(huì)使試樣失效模式發(fā)生改變，較長(zhǎng)試樣比短試樣更易遭受大變形而發(fā)生折曲，試樣扭折可能會(huì)造成縱向劈裂.而且，試樣失效部位只有發(fā)生在標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)其測(cè)試結(jié)果才有效，所以，用于壓縮測(cè)試的試樣長(zhǎng)度應(yīng)保持低于材料發(fā)生屈曲的最小標(biāo)距長(zhǎng)度.

復(fù)合材料的壓縮測(cè)試方法不同，結(jié)果也不同，每種測(cè)試各具特點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中會(huì)受到各種因素的影響，因此，“壓縮強(qiáng)度”只有在指定的測(cè)量方法以及相應(yīng)失效模式下才有意義.很多研究者選擇建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)壓縮強(qiáng)度，只要預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致就可以說(shuō)明問(wèn)題.測(cè)試方法選擇以材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為準(zhǔn)，或根據(jù)材料類(lèi)型和試樣尺寸確定.

2 結(jié) 論

1）纖維彎曲、孔隙率、纖維體積分?jǐn)?shù)、樹(shù)脂基體性能等因素均會(huì)影響碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度.其中，復(fù)合材料中纖維彎曲增加會(huì)造成其壓縮性能下降，纖維彎曲程度也與纖維模量、強(qiáng)度、直徑有關(guān)；降低復(fù)合材料的孔隙率能夠提高碳纖維復(fù)合材料的整體性能，制備方法對(duì)于降低材料的孔隙率至關(guān)重要；剛度較高的樹(shù)脂基體有益于提高碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度；碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度存在最佳纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)最高壓縮強(qiáng)度；就壓縮測(cè)試而言，測(cè)試方法間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的比較并不重要，最主要的是測(cè)試結(jié)果所顯示的一般趨勢(shì)是否一致.

2）碳纖維復(fù)合材料層壓板壓縮性能方面的基本機(jī)理還需深入研究；壓縮測(cè)試對(duì)試樣的要求較高，應(yīng)進(jìn)一步研究發(fā)展適合單向碳纖維復(fù)合材料的壓縮測(cè)試方法并用于性能評(píng)估.而且，材料基本性能的準(zhǔn)確表征對(duì)評(píng)估材料壓縮強(qiáng)度很有必要；針對(duì)碳纖維復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度預(yù)測(cè)方面的欠缺，應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展碳纖維復(fù)合材料壓縮實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬，分析失效演化機(jī)制，為碳纖維復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的合理評(píng)估以及影響因素的定量分析提供理論基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)：

［1］DAVIDSON P，WAAS A，YERRAMALLI C S，et al.Effect of fi ber waviness on the compressive strength of unidirectional carbon composites［C］／／53rd AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures，Structural Dynamics and Materials Conference.Honolulu，Hawaii：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2012：1－16.

［2］BUDIANSKY B，F(xiàn)LECK N A.Compressive failure of fibre composites［J］.Journal of the Mechanics＆Physics of Solids，1993，41（1）：183－211.

［3］BERBINAU P，SOUTIS C，GOUTAS P，et al.Effect of off?axis ply orientation on 0°?fibre microbuckling［J］.Composites PartA： Applied Science ＆Manufacturing，1999，30（10）：1197－1207.

［4］FLECK N A，BUDIANSKY B.Compressive failure of fibre composites due to microbuckling［C］／／Inelastic Deformation ofComposite Materials.New York：Springer，1991：235－273.

［5］SCHULTHEISZ C R，WAAS A M.Compressive failure of composites，part I：testing and micromechanical theories［J］.Progress in Aerospace Sciences，1996，32（1）：1－42.

［6］汪源龍，程小全，范舟，等.國(guó)產(chǎn)CCF300／雙馬樹(shù)脂層合板高溫拉伸與壓縮性能試驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011，28（3）：180－184.WANG Yuanlong，CHENG Xiaoquan，F(xiàn)AN Zhou，et al.Experimental study on tensile and compressive properties of domestic CCF300／ bismaleimide laminates at high temperatures［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2011，28（3）：180－184.

［7］NORITA T，KITANO A，NOGUCHI K.Compressive strength of fiber reinforced composite materials：effect of fiber properties［C］／／4th Japan?U.S.Conference on composite Materials.Washington，D C： Techomic Publishing Co.，Inc.，1998：548－557.

［8］OSTRé B，BOUVET C，MINOT C，et al.Experimen?tal analysis of CFRP laminates subjected to compres?sion after edge impact［J］.Composite Structures， 2016，152：767－778.

［9］OSTRé B，BOUVET C，MINOT C，et al.Finite element analysis of CFRP laminates subjected to compression after edge impact［J］.Composite Structures，2016，153：478－489.

［10］WAN Y，TAKAHASHI J.Tensile and compressive properties of chopped carbon fiber tapes reinforced thermoplastics with different fiber lengths and molding pressures［J］.Composites Part A：Applied Science＆Manufacturing，2016，87：271－281.

［11］JIN X，WANG W，XIAO C，et al.Improvement of coating durability， interfacial adhesion and compressive strength of UHMWPE fiber／epoxy composites through plasma pre?treatment and polypyrrole coating［J］.Composites Science ＆Technology，2016，128：169－175.

［12］XU X，WANG X，CAI Q，et al.Improvement of the compressive strength of carbon fiber／epoxy composites via microwave curing［J］.Journal of Materials Science＆Technology，2016，32（3）：226－232.

［13］LO K H，CHIM E S M.Compressive strength of unidirectional composites［J］.Journal of Reinforced Plastics＆Composites，1992，112（5）：838－896.

［14］NAIK N K，KUMAR R S.Compressive strength of unidirectional composites：evaluation and comparison of prediction models［J］.Composite Structures，1999，46（3）：299－308.

［15］SCHULTHEISZ C R，WAAS A M.Compressive failure of composites，part I：testing and micromechanical theories［J］.Progress in Aerospace Sciences，1996，32（1）：1－42.

［16］CAIRNS D S，BUNDY B C.The application of pre?cured carbon fiber／epoxy pultrusions as reinforcement in composite wind turbine blades［C］／／45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Nevada，Reno：［s.n.］，2007：821.

［17］AVERY D P，SAMBORSKY D D，MANDELL J F，et al.Compression strength of carbon fiber laminates containing flaws with fiber waviness［C］／／Proceedings of the 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Nevada，Reno：［s.n.］，2004：54－63.

［18］SWAIN R E，ELMORE J S，LESKO J J，et al.Role of fiber，matrix，and interphase in the compressive static and fatigue behavior ofpolymeric matrix composite laminates［J］.Compression Response of Composite Structures，1994，205－227.

［19］DHARAN C K H，LIN C L.Longitudinal compressive strength of continuous fiber composites［J］.Journal of Composite Materials，2007，41（11）：1389－1405.

［20］JUMAHAT A，SOUTIS C，JONES F R，et al.Fracture mechanisms and failure analysis of carbon fibre／toughened epoxy composites subjected to compressive loading［J］.Composite Structures，2010，92（2）：295－305.

［21］THOMPSON R H，JOSEPH P，DELFINO A，et al.Criticalcompressive stress for continuous fiber unidirectional composites［J］.Journal of Composite Materials，2012，46（26）：3231－3245.

［22］BERBINAU P，SOUTIS C，GUZ I A.Compressive failure of0°unidirectionalcarbon?fibre?reinforced plastic（CFRP）laminates by fibre microbuckling［J］.Composites Science＆ Technology，1999，59（9）：1451－1455.

［23］BUDIANSKY B.Micromechanics［J］.Computers＆Structures，1983，16（1／2／3／4）：3－12.

［24］OLIVIER P，COTTUA J P，F(xiàn)ERRETA B.Effects of cure cycle pressure and voids on some mechanical properties of carbon／epoxy laminates［J］.Composites，1995，26（7）：509－515.

［25］HUANG H，TALREJA R.Effects of void geometry on elastic properties of unidirectional fiber reinforced composites［J］.Composites Science＆ Technology，2005，65（13）：1964－1981.

［26］LEE J，SOUTIS C.Thickness effect on the compressive strength of T800／924C carbon fibre?epoxy laminates［J］.Composites Part A： Applied Science ＆Manufacturing，2005，36（2）：213－227.

［27］HAPKE J， GEHRIG F， HUBER N， et al.Compressive failure ofUD?CFRP containingvoid defects：In situ SEM microanalysis［J］.Composites Science＆Technology，2011，71（9）：1242－1249.

［28］ALMEIDA S F M D，NETO Z D S N.Effect of void content on the strength of composite laminates［J］.Composite Structures，1994，28（2）：139－148.

［29］ZHANG A，LU H，ZHANG D.Research on the mechanicalproperties prediction of carbon／epoxy composite laminates with different void contents［J］.Polymer Composites，2014，37（1）：14－20.

［30］ARMISTEAD J P，SNOW A W.Fiber／Matrix load transfer in cyanate resin carbon fiber systems［J］.Polymer Composites，1994，15（6）：385－392.

［31］MORAN P M，LIU X H，SHIH C F.Kink band formation and band broadening in fiber composites under compressive loading［J］.Acta Metallurgica Et Materialia，1995，43（8）：2943－2958.

［32］GUYNN E G，OCHOA O O，BRADLEY W L.A parametric study of variables that affect fiber microbuckling initiation in composite laminates：part 1 analyses［J］.Journal of Composite Materials，1992，26（11）：1594－1616.

［33］BISMARCK A，HOFMEIER M，D?RNER G.Effect of hot water immersion on the performance of carbon reinforced unidirectional poly（ether ether ketone）（PEEK）composites：stress rupture under end?loaded bending［J］.Composites Part A：Applied Science＆Manufacturing，2007，38（2）：407－426.

［34］PINNELL M F.An examination ofthe effectof composite constituentproperties on the notched?strength performanceofcomposite materials［J］.Composites Science＆ Technology，1996，56（12）：1405－1413.

［35］BOTELHO E C，? FIGIEL，REZENDE M C，et al.Mechanical behavior of carbon fiber reinforced polyamide composites［J］.Composites Science＆Technology，2003，63（13）：1843－1855.

［36］MUHAMMAD N，JUMAHAT A，HAMZAH M H，et al.Design and fabrication of compression test rig for fibre?reinforced polymercomposites［J］.Material Research Innovations，2014，18（S6）：232－235.

［37］魏宏艷，楊勝春，沈真，等.復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)方法的對(duì)比分析與研究［C］／／第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2008：790－794.

［38］楊國(guó)騰，侯麗華，于艷華.復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)方法分析［C］／／2014航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京：測(cè)控技術(shù)，2014：468－469.

［39］張子龍.復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)方法有限元分析［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1996（4）：40－45.ZHANG Zilong.FEM analysis on the compression test methodsofcomposite materials［J］.Journalof Aeronautical Materials，1996（4）：40－45.

［40］PIGGOTT M R，HARRIS B.Compression strength of carbon，glass and Kevlar－49 fibre reinforced polyester resins［J］.Journal of Materials Science，1980，15（10）：2523－2538.

（編輯 程利冬）

The influencing factors of compressive strength in carbon fiber reinforced composite laminates

WU Sha，LIU Jianchao，LIAO Yingqiang
（Xi′an Aerospace Composites Research Institution，Xi′an 710025，China）

As a new reinforcing material，carbon fiber has excellent physical and chemical properties and is widely used in many areas.The application of carbon fiber composite laminates is restricted in structural composites because of the lower compressive strength.it is important to improve compressive performance.The influencing factors of compressive strength in carbon fiber composite laminates are reviewed.The importance of fiber waviness，void content，fiber volume content，resin property to carbon fiber composite laminates and relationship of each other are discussed，providing some guides for improving the compressive strength of the carbon fiber composite laminates.

carbon fiber reinforced composite；compressive strength；influencing factors；fiber waviness；void content

TB332

A

1005－0299（2017）03－0063－06

2016－09－07.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017－04－25.

吳 莎（1992—），女，碩士研究生.

吳 莎，E?mail：1214139500＠qq.com.

10.11951／j.issn.1005－0299.20160297