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      拼接與搭接鋪層對復(fù)合材料性能影響研究

      2019-05-30 11:26:28李澄
      山東工業(yè)技術(shù) 2019年12期
      關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料

      摘 要:為了解拼接和搭接鋪層對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的影響,設(shè)計了7組不同的拼接和搭接鋪層試驗件,根據(jù)ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)設(shè)計鋪層時,應(yīng)以拼接鋪層為主,對厚度無嚴(yán)格要求的區(qū)域,可采用搭接鋪層。

      關(guān)鍵詞:拼接;搭接;碳纖維復(fù)合材料

      DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.011

      0 引言

      碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)越的比強(qiáng)度、比剛度和可設(shè)計性,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶工程、建筑工程、機(jī)械制造等不同領(lǐng)域,尤其是在航空航天飛行器上得到廣泛應(yīng)用,并逐漸由次承力構(gòu)件發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)[1-2]。當(dāng)前大部分的先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品都是由預(yù)浸料鋪迭后固化而成的。預(yù)浸料成型工藝主要有熱壓罐技術(shù)與非熱壓罐技術(shù),由于熱壓罐預(yù)浸料成型費(fèi)用昂貴,所以非熱壓罐技術(shù)得到了很大的發(fā)展[3-4]。由于很多結(jié)構(gòu)件外形復(fù)雜,在進(jìn)行預(yù)浸料鋪迭時,需要對預(yù)浸料進(jìn)行裁剪,之后再進(jìn)行鋪迭,在處理鋪迭縫一般采用的就是拼接與搭接鋪層,這樣必然會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文碳纖維織物預(yù)浸料鋪迭角度出發(fā),探討拼接與搭接鋪層對碳纖維復(fù)合材料性能的影響[6-8]。

      1 試驗過程與方法

      1.1 試樣制備

      本試驗的試驗材料為某國產(chǎn)T300織物預(yù)浸料。采用非熱壓罐預(yù)浸料成型技術(shù)中的OOA工藝對織物預(yù)浸料進(jìn)行鋪貼,固化制備試驗件。試驗件共分為7組,一組典型鋪層形式試驗件、三組不同拼接鋪層形式試驗件和三組不同搭接鋪層形式試驗件,試驗件為250mm,寬為25mm,厚為2mm的典型層合板,碳纖維織物預(yù)浸料鋪層形式為[(0,90)/(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90) /(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90)]。

      1.2 試驗方法

      采用ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn),通過萬能試驗機(jī)對試驗件進(jìn)行拉伸試驗,試驗件兩端固定在試驗機(jī)夾具上,試驗時需對每個試驗件進(jìn)行應(yīng)變測量。為了減小試驗誤差,對每組試驗進(jìn)行6次試驗,對比多次試驗數(shù)據(jù),尋找普遍規(guī)律。

      2 試驗結(jié)果與討論

      2.1 典型鋪層形式試驗

      典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預(yù)浸料鋪設(shè)而成,此組試驗為6根試驗件,試驗數(shù)據(jù)見下表2.1所示。

      根據(jù)ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn),對表中破壞模式說明:LAB為試驗件夾持段破壞、LWB為試驗件過渡段破壞、LGM為試驗件中部破壞。破壞形式見圖2.1-2.3所示。從此組試驗破壞模式可以看出,由于典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預(yù)浸料鋪設(shè)而成,破壞位置隨機(jī)。

      2.2 拼接鋪層形式試驗

      拼接鋪層共分三組試驗,鋪層形式為[(0,90)/(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90) /(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90)],第一組試驗件在第五層進(jìn)行斷開拼接鋪層,拼接縫位置在試驗件的正中間,第二組試驗件在第三層和第五層進(jìn)行斷開拼接鋪層,第五層拼接在試驗件正中間,第三層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm,第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進(jìn)行斷開拼接鋪層。拼接位置如下圖2.4所示。第五層拼接在試驗件正中間,第三層與第七層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm,分別在第五層拼接縫的兩側(cè)。如下圖所示。

      試驗數(shù)據(jù)見表2.2-2.4所示。

      把這三組拼接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對比,見下表2.5所示。

      從表2.5可得,拼接鋪層會降低試驗件的力學(xué)性能,且隨著拼接層數(shù)的增加,試驗件的最大破壞載荷與最大應(yīng)變逐漸變小;從破壞模式來看,試驗全部在試驗件中間位置破壞。

      2.3 搭接鋪層形式試驗

      搭接試驗件共分三組試驗件,鋪層形式為[(0,90)/(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90) /(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/ (0,90)],第一組試驗件在第五層進(jìn)行斷開搭接鋪層,搭接縫位置在試驗件的正中間,第二組試驗件在第三層和第五層進(jìn)行斷開搭接鋪層,第五層搭接在試驗件正中間,第三層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm,第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進(jìn)行斷開搭接鋪層,第五層搭接在試驗件正中間,第三層與第七層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm,分別在第五層搭接縫的兩側(cè)。搭接位置如下圖2.5所示。

      試驗件數(shù)據(jù)表2.6-2.8所示。

      把這三組搭接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值對比,見下表2.9所示。

      從表2.9中可知,搭接鋪層也會降低試驗件的力學(xué)性能,但隨著拼接層數(shù)的增加,試驗件的力學(xué)性能下降無規(guī)律且力學(xué)性能下降不明顯。從破壞模式來看,第一組試驗都是在試驗件中間破壞,其他兩組試驗件破壞位置也像典型鋪層試驗件一樣隨機(jī)出現(xiàn)在試驗件的各個區(qū)域。

      3 結(jié)語

      根據(jù)上述研究可以得出以下結(jié)論:

      (1)拼接與搭接試驗件相比典型試驗件力學(xué)性能會有所下降。

      (2)從拼接試驗件數(shù)據(jù)可以看出,力學(xué)性能下降值在可接受范圍內(nèi),故實際鋪層時主要以拼接為主。

      (3)拼接試驗件隨著拼接縫數(shù)量的增加,力學(xué)性能也逐漸下降。所以碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用拼接鋪層時,在結(jié)構(gòu)件的一定區(qū)域內(nèi),應(yīng)盡可能的使拼接縫相互遠(yuǎn)離,使拼接縫產(chǎn)生的缺陷不相互影響。

      (4)搭接試驗件的力學(xué)性能優(yōu)于拼接試驗件,但搭接鋪層會使鋪層區(qū)的厚度增加且不厚度不均勻,在對厚度沒有嚴(yán)格要求的區(qū)域可采用。

      參考文獻(xiàn):

      [1]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報,2007,24

      (01):1-12.

      [2]唐見茂.碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].航天器環(huán)境工程,2010(03):269-280.

      [3]周宇,樊孟金,尚呈元,凌輝,孫宏杰.OoA成型T800/607復(fù)合材料制備及性能[J].宇航材料工藝,2017(03):57-60.

      [4]陳帥金,徐辰,吳國慶,李國明等.非熱壓罐預(yù)浸料制備及成型工藝研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2017(03):90-95.

      [5]陳丁丁,王曼漪,新川和夫等.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料拼接結(jié)構(gòu)拉伸性能[J].復(fù)合材料學(xué)報,2017,34(11):2473-2478.

      [6]陳光偉,王富有,張國利,陳利.階梯型對接層合板復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗研究[J].材料工程,2009(S2):182-185.

      [7]李亮,賈普榮,矯桂瓊.單向拼接復(fù)合材料層合板的抗拉強(qiáng)度研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2013,35(06):795-798.

      [8]梁恒亮,舒衛(wèi)國,宋旻鍵,張勇,王振蘇.搭接長度對玻璃鋼復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響[J].航空制造技術(shù),2009(S1):158-160+164.

      作者簡介:李澄(1988-),男,江蘇丹陽人,碩士,助教,研究方向:復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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