朱靈恩,史立秋,高 澤

(1.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;2.浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著汽車與航空工業(yè)的發(fā)展,材料在逐步輕量化的同時(shí),還需具備更好的機(jī)械及熱性能。目前,復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于上述產(chǎn)業(yè),具有高強(qiáng)度、高模量、高延展性及低成本的優(yōu)點(diǎn)。相較于其他復(fù)合材料,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在某些方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能,此外由于生態(tài)災(zāi)害和石油資源的枯竭,以及復(fù)合系統(tǒng)的可用性等基本問題[1-2],人們非常需要從現(xiàn)有投入中獲得最大的優(yōu)化效益,因此碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料引起了人們的關(guān)注。

碳纖維復(fù)合材料[3]由碳纖維、樹脂和金屬等材料經(jīng)過復(fù)合成型的結(jié)構(gòu)材料,其層壓板的主要失效模式包括基體和纖維斷裂、剝落等[4]。Hynes等[5]采用不同的纖維金屬層合板(FMLs)堆疊順序,以純碳復(fù)合材料為基準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后其抗沖擊性能、抗拉強(qiáng)度、抗彎性能、微觀結(jié)構(gòu)演變和表面成分均有所提高。Ma等[6]通過使用真空滲透熱壓成型工藝制備了五組不同分層方法的玄武巖/碳纖維混雜增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。觀察其微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料滲透效果良好,基體在纖維中分布均勻,彎曲斷口形貌也比較理想。Walsh等[7]研究探討了膨脹軟木作為碳纖維面板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)核心材料的使用情況,采用全侵徹和部分侵徹低速?zèng)_擊試驗(yàn)完成了對(duì)復(fù)合材料抗損傷性能的測(cè)定。結(jié)果表明,膨脹軟木對(duì)聲學(xué)、阻尼和抗沖擊損傷等方面的性能有很大改善。Kant等[8]提出了一種新的標(biāo)準(zhǔn),即極限應(yīng)力,通過浸漬絲束法表征碳纖維的機(jī)械性能,描述了該方法及其與實(shí)際單碳纖維機(jī)械性能的潛在聯(lián)系,并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了初步演示。譚偉等[9]在高低溫老化環(huán)境中研究CFRP 層間力學(xué)性能的失效行為,進(jìn)行了彎曲、層間拉伸以及剪切試驗(yàn),選取3種老化環(huán)境進(jìn)行不同時(shí)間的老化試驗(yàn),結(jié)果表明,老化會(huì)導(dǎo)致基體和纖維絲之間的界面結(jié)合力顯著下降,但是低溫老化對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能沒有顯著的影響。張永久等[10]研究了復(fù)合材料泡沫夾層板受到法向沖擊后的局部損傷特征及對(duì)彎曲強(qiáng)度剛度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合材料泡沫夾層板的彎曲承載能力隨著沖擊損傷的不斷加深而顯著降低。劉雨曦[11]利用非藥式水下沖擊波加載裝置對(duì)不同密度的碳纖維復(fù)合材料夾層板進(jìn)行水下沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,密度越大,PVC芯層越容易受到?jīng)_擊,與5A06鋁合金夾層板相比較,碳纖維復(fù)合材料夾層板具有更好的水下沖擊性能。Ahmad等[12]研究在低速?zèng)_擊載荷作用下,單向CFRP復(fù)合材料板抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)前,將單向纖維(UD)試樣浸泡在80 ℃的水中進(jìn)行吸濕。試驗(yàn)結(jié)果表明,含水率對(duì)復(fù)合材料的抗沖擊性能起副作用,降低了復(fù)合材料的抗沖擊性能。李承高等[13]采用加速試驗(yàn)法,在蒸餾水的環(huán)境下對(duì) CFRP混雜復(fù)合材料桿體的界面剪切性能以及水吸收長(zhǎng)期演化規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,浸泡在蒸餾水環(huán)境下,各個(gè)界面剪切強(qiáng)度下降, 這是因?yàn)闃渲w發(fā)生水解及纖維/樹脂脫黏。Manders等[14]研究了單向碳/玻璃纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能,并研究了在低混雜比下預(yù)測(cè)混雜復(fù)合材料極限失效強(qiáng)度的失效模式。Javier等[15]通過試驗(yàn)和計(jì)算研究了完全淹沒的碳纖維復(fù)合材料板在長(zhǎng)期暴露于鹽水環(huán)境下的水下爆炸響應(yīng),利用爆炸沖擊值模擬(DYSMAS)程序?qū)θ詈蠚W拉-拉格朗日流體(UID)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。數(shù)值模擬結(jié)果表明,全淹沒復(fù)合材料板的位移是由UID位移和炸藥形成的氣泡大小驅(qū)動(dòng)的,而不是由炸藥產(chǎn)生的峰值壓力驅(qū)動(dòng)的。在壓力過程和板的變形方面,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同切割方向及有無(wú)夾層兩個(gè)變量對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生的影響研究較少。本研究通過試驗(yàn),觀察復(fù)合材料的拉伸斷裂形貌、碳纖維的表面形貌以及基體的開裂和分層現(xiàn)象,對(duì)其進(jìn)行了比較并得出相應(yīng)結(jié)論。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用材料的性能參數(shù)如表1所示。其中,碳纖維為復(fù)材易購(gòu)科技有限公司生產(chǎn)的200 g-3 K的斜紋碳纖維布,基體為GEL2手糊環(huán)氧樹脂,密度為1.150 g/cm3。閉孔PVC泡沫板夾心材料具有極好的強(qiáng)度重量比、隔熱、阻燃(自熄)、不易被腐蝕、耐沖擊和耐疲勞性能等優(yōu)點(diǎn),其密度為0.075 g/cm3。

表1 材料的特性

1.2 手糊濕法成型工藝

試驗(yàn)前,將3 K碳纖維布、PVC泡沫夾心板切割成試驗(yàn)所需要的尺寸。通過真空壓縮成型工藝制備碳纖維復(fù)合材料的步驟如下:1) 將GEL2環(huán)氧樹脂和固化劑按10∶3的質(zhì)量比混合成固化混合溶液;2) 在模具工作面上鋪上真空袋、脫模布,將剪裁好的碳纖維布平鋪到模具工作面上;3) 使用刷子將固化混合溶液緩慢攤鋪在碳纖維布的表面,順著碳纖維織物的徑向涂刷固化混合溶液,沿著一定的方向從中間向兩頭刷,將氣泡排出;4) 根據(jù)碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)要求,將碳纖維增強(qiáng)材料(織物)和樹脂膠液交替鋪層在涂好脫模劑的模具上;5) 不斷重復(fù)上述操作直到達(dá)到設(shè)計(jì)所需的厚度;6) 根據(jù)PVC泡沫夾層碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)要求,將碳纖維增強(qiáng)材料(織物)和PVC泡沫通過樹脂膠液黏結(jié)鋪層在涂好脫模劑的模具上;7) 在最后一層碳纖維布上鋪上滲透氈、透氣氈、脫模布;8) 在真空袋以及密封膠形成密閉的環(huán)境下,通過PVC管與真空泵連接進(jìn)行抽真空固化成型;9) 抽真空固化24 h后停止加壓并脫模,取出制備的復(fù)合材料;10) 將制備的復(fù)合材料切割成所需要的試樣尺寸;11) 重復(fù)上述步驟,分別獲得碳纖維復(fù)合材料、PVC泡沫夾層碳纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)材料。用該工藝制備碳纖維復(fù)合材料的過程如圖1所示。

圖1 手糊濕法成型工藝流程圖

2 力學(xué)性能測(cè)試

采用英斯特朗/美國(guó)34TM-50 kN高精度電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試,根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB /T 1447—2005),沿試樣軸向勻速施加靜載拉伸載荷,直到試樣斷裂或達(dá)到預(yù)定的伸長(zhǎng)。在整個(gè)過程中,都需測(cè)量施加在試樣上的載荷和試樣的伸長(zhǎng)量。為了研究不同夾層和切割方向?qū)μ祭w維復(fù)合材料拉伸性能的影響,將真空固化成形的碳纖維復(fù)合材料通過數(shù)控機(jī)床(CNC)加工沿橫坐標(biāo)0°和縱坐標(biāo)90°兩個(gè)方向切割,得到拉伸測(cè)試試樣,拉伸試樣的尺寸和制備好的拉伸試樣如圖2所示,試樣厚度由實(shí)際工藝下固化成形的試樣決定。

圖2 拉伸試樣示意圖(單位:mm)

各組試樣不同夾層和不同切割方向的復(fù)合材料拉伸曲線如圖3和圖4所示。圖3為試件力-位移曲線,圖4為試件平均極限載荷,從圖中的拉伸曲線可以看到,不同試樣的拉伸性能具有明顯差異。碳纖維PVC泡沫夾層板的拉伸模量和強(qiáng)度主要取決于PVC泡沫材料,呈現(xiàn)脆性斷裂狀態(tài);切割方向?yàn)?°和90°的碳纖維復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度取決于碳纖維和樹脂基體的屬性,纖維為主要負(fù)載, 拉伸曲線呈脆性斷裂的特性。各試樣拉伸斷裂情況如圖5所示。

圖3 不同試樣的力-位移曲線

圖4 試件平均極限載荷

圖5 各試樣拉伸斷裂正面和側(cè)面

圖5(a)中從左到右依次為碳纖維PVC泡沫夾層板、0°切割方向試樣、90°切割方向試樣。從圖5中觀察到,碳纖維PVC泡沫夾層板試樣拉伸失效主要模式為PVC泡沫夾層的斷裂,碳纖維和PVC泡沫板存在脫黏現(xiàn)象,以及碳纖維的斷裂和少量的纖維拔出。0°和90°切割方向試樣的拉伸失效主要模式為樹脂基體的破壞,主要表現(xiàn)為基體開裂和分層現(xiàn)象,以及大量的纖維拔出和斷裂。

碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度σt可表示為

σt=P(bd)

(1)

式(1)中:σt為拉伸強(qiáng)度,MPa;P為材料沿著拉伸方向的最大載荷,N;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。不同夾層和不同方向的碳纖維板的拉伸強(qiáng)度如表2所示。

表2 碳纖維夾層板拉伸強(qiáng)度

3 仿真模擬

在本研究中,對(duì)切割方向?yàn)?°和90°的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸仿真模擬,以驗(yàn)證從拉伸試驗(yàn)中獲得的試驗(yàn)結(jié)果。有限元分析軟件(ABAQUS)已被用作分析工具來(lái)執(zhí)行模擬過程,在ABAQUS的零件模塊中創(chuàng)建與拉伸試樣尺寸相似的模型,所需拉伸試樣的尺寸如圖2所示,目的是找出拉伸試驗(yàn)期間試樣中的應(yīng)力變化,然后將這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。首先,按照所需尺寸進(jìn)行建模,碳纖維復(fù)合材料建模如圖6所示;其次,在Abaqus屬性模塊中輸入碳纖維的屬性值,CFRP的鋪層視圖見圖7。

圖6 碳纖維復(fù)合材料建模

圖7 復(fù)合材料鋪層視圖

圖8顯示了切割方向?yàn)?°和90°試樣的應(yīng)力情況。圖中可以清楚地看到,施加在試樣中心的應(yīng)力非常高,Abaqus數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相接近。對(duì)于切割方向?yàn)?°和90°的模型,通過數(shù)值模擬獲得的拉伸強(qiáng)度最大值分別約為592.4 MPa和267.9 MPa。

圖8 不同切割方向試樣的應(yīng)力

4 結(jié) 論

筆者采用手糊濕法成型工藝制備了不同夾層和不同切割方向的碳纖維復(fù)合材料。通過電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,得到如下結(jié)論:

1) 不同的夾層碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能有明顯的差異,碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PVC泡沫夾層板碳纖維復(fù)合材料,相比之下,碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能更好。

2) 兩種不同切割方向的碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果表明,切割方向?yàn)?°的碳纖維復(fù)合材料試樣的拉伸性能要好于切割方向?yàn)?0°的試樣。

3) 通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合,由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可得切割方向?yàn)?°的拉伸性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于切割方向?yàn)?0°的復(fù)合材料。