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%、6.29%、6.13%、2.95%。离散系数大说明实验数据的离散程度高，平均值的代表性相对较差，这一现象在后续的失效模式分析中得到了解释:在跨厚比为 161 以及 501 时，两种碳纤维层合板的失效模式几乎相同，因此弯曲强度变化波动较小，而在各自最佳跨厚比条件下，两种碳纤维层合板均存在不同的破坏模式，因此数据离散度较高。在任何实验中，通常都要保证实验条件的一致性，但有些情况下，相同的测试条件反而不能说明问题。当跨厚比同为 321 时，T1100 碳纤维层合板的弯曲强度仅仅比 T700 碳纤维层合板高 2.61%，但这并不能说明 T1100 碳纤维复合材料的弯曲性能差。弯曲强度与破坏模式紧密相连，因为弯曲强度可能代表了试样在树脂开裂、纤维断裂和剪切分层等组合下的失效强度，测试条件不同，失效方式亦不同，不考虑破坏模式只比较实验数据的高低无任何意义，因此需要根据实验结果并结合各自破坏模式来讨论最佳的测试条件。2.2弯曲破坏模式为了能够清楚记录复合材料三点弯曲的破坏模式，ASTM D7264 对层合板的破坏类型、区域以及位置做了详细的划分，具体代码见表 4。但并不是所有破坏模式都能够表征 CFP 的弯曲强度，只有破坏发生在任意外表面，且破坏前并未出现层间破坏或者加载头与支座处的局部破坏时，才属于有效的破坏模式。表 4弯曲破坏识别代码Table 4Bending damage identification code破坏类型代码破坏区域代码破坏位置代码拉伸T加载头处A顶面T压缩C加载头之间B底面B弯曲B支座处S左侧L层间剪切S加载头和支座之间L右侧多模式M不明U中间M其他O多出不同位置V582023 年第 3 期跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响2.2.1161 跨厚比碳纤维复合材料的三点弯曲往往以上表面的压缩破坏为主，不管什么样的加载方式，基体裂纹通常都是最先产生的损伤。一般裂纹是由孔洞等地方导致的应力奇异引起的，在应力奇异以及应力集中区域，一旦应力超过了树脂基体本身的强度，便会产生基体裂纹。在跨厚比为 161 时，层合板整体弯曲挠度小，加载头处的纤维与树脂受到严重的纵向压缩载荷，因为树脂基体本身的强度较小，在施加载荷的过程中因局部应力集中使加载头处的树脂产生大量微裂纹，随着载荷的增加，部分树脂基体被压碎，而作为传递载荷的载体，缺少了树脂基体的保护，“裸露”的纤维被压断。在弯曲的过程中，上层纤维还会受到横向压缩力和剪切力，伴随着树脂基体的失效，纤维局部屈曲、弯折，形成所谓的扭结带。图 3 为两种碳纤维复合材料层合板在 16 1 跨厚比下弯曲破坏形貌图，图 4 为跨厚比为 161 时两种层合板的载荷位移曲线。图 3跨厚比为 16 1 时两种 CFP 层合板破坏形貌图Fig.3Failure morphology of two kinds of CFP laminateswith 16 1 spantothickness ratio图 4跨厚比为 16 1 时两种层合板载荷位移曲线Fig.4Loaddisplacement curves of two kinds of laminateswith 16 1 spantothickness ratio从图3 中可以看到 T700 CFP 层合板表层出现了多处明显的宏观破坏，但其侧面仅有一条主裂纹，且只破坏了 1/3，其他裂纹并没有沿纵向发展。T1100CFP 层合板出现两条明显的宏观破坏，从侧面看，两条裂纹均延伸至中间层附近，还伴随着层间分层。从图 4 所示载荷位移曲线上看，两种层合板在16 1 跨厚比条件下均为“压缩干扰型”破坏。当载荷施加至一定程度时，出现了小幅度的突降，说明此时只是试样顶部纤维的破坏，并未导致厚度方向上大面积纤维断裂，因此破坏失稳后的层合板可以继续承受载荷。但是第二次加载斜率要小于初始加载时的斜率，说明此时纤维层的受力状况发生了改变，而复合材料层合板也在载荷不断重新分配的过程中失效，因此可以判定，两种复合材料层合板在整体破坏开始之前便发生了局部损伤。两种 CFP 的 6 个试样破坏模式均为 OAT 破坏，其中 O 代表应力集中导致的表层纤维、基体压碎。因此，在跨厚比为 16 1时，两种 CFP 均为无效的破坏模式。2.2.2321 跨厚比图5 为321 跨厚比下两种层合板破坏形貌图，图6 为跨厚比为321 时两种层合板的载荷位移曲线。682023 年 3 月复合材料科学与工程图 5跨厚比为 32 1 时两种 CFP 层合板破坏形貌图Fig.5Failure morphology of two kinds of CFP laminates with32 1 spantothickness ratio图 6跨厚比为 32 1 时两种层合板载荷位移曲线Fig.6Loaddisplacement curves of two kinds of laminates with32 1 spantothickness ratio从图 5 中可以看到，由于跨距的增大，T700 碳纤维层合板的应力集中得以缓解，加载头处仅出现一条宏观裂纹且断口整齐，属于典型的上表面压缩破坏，从侧面看，破坏均发生在中间层处，未观察到层间分层。从图 6 所示载荷位移曲线上看，当达到层合板极限承载能力时，载荷突然大幅度降低，从而验证了层合板的失效是由于多层纤维断裂导致的。但T1100 碳纤维层合板的破坏模式与小跨厚比类似，在彻底失效之前就可以听到纤维断裂的声音，是由加载头纤维压碎和分层导致的失效。T700 CFP 有5 个试样为 MAM 破坏，其中第一个 M 代表横向压缩和层间剪切的组合，只有 1 个试样为 OAT 破坏。而 T1100 CFP 有 5 个试样为 OAT破坏，1 个试样为 MAM 破坏。因此，在跨厚比为 321时，T700 CFP 为有效的破坏模式，而 T1100 CFP属于无效的破坏模式。2.2.3401 跨厚比图 7 为 401 跨厚比下两种层合板破坏形貌图。当跨厚比为 401 时，两种碳纤维复合材料层合板均出现上表面压缩破坏，与 T1100 碳纤维复合材料层合板不同的是，T700 碳纤维复合材料层合板可以观察到明显的拉伸、压缩转变，随着受力形式的改变，宏观裂纹在拉伸端和压缩端的破坏角度不同，上方为压缩破坏，其端口较为整齐，下方为拉伸破坏，其端口参差不齐。而 T1100 碳纤维复合材料层合板未出现明显的拉伸、压缩转变，其破坏较为整齐，多处分层是由于纤维断裂所释放出的高能量引起的。图 7跨厚比为 40 1 时两种 CFP 层合板破坏形貌图Fig.7Failure morphology of two kinds of CFP laminateswith 40 1 spantothickness ratio在此跨厚比下，T700 CFP 均为 MAB 破坏，其中 M 代表横向拉伸、横向压缩和层间剪切的组合，T1100 碳纤维层合板 5 个试样为 MAB 破坏，M 代表横向压缩和层间剪切的组合，1 个试样为 OAT 破坏。因此，两种 CFP 均为有效的破坏模式。2.2.4501 跨厚比当跨厚比为 501 时，两种 CFP 试样均断裂为两部分，且在断裂前均未发生分层现象，属于有效的破坏模式，但是，CFP 弯曲强度依旧出现了降低的趋势。图 8 为两种 CFP 的载荷位移曲线，可以看到在跨厚比为 501 时，T700 CFP 具有明显的非线性特性，而这种非线性特性正是由于试样的大挠度变形导致的。图 8跨厚比为 50 1 时两种层合板载荷位移曲线Fig.8Loaddisplacement curves of two kinds of laminateswith 50 1 spantothickness ratio782023 年第 3 期跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响由于在确定三点弯曲的应力状态时，采用了简化的线性梁理论，其假设梁为线性材料且均为小挠度变形，因此可以忽略曲率表达式中的一阶导数平方，进而大大简化实验数据的处理。但在大挠度的情况下，忽略弯矩方程中一阶导数的平方会导致弯曲强度的计算值降低;另外挠度过大也会使层合板在支撑点处发生滑移。因此在这种情况下必须要采用修正公式进行计算:=3PL2bh21+6YL()2 4hYL2(2)其中:为弯曲强度，MPa;P 为最大载荷，N;L 为跨距，mm;b 为试样宽度，mm;h 为试样厚度，mm;Y 为中心点挠度，mm。综上所述，对于 CFP 层合板的三点弯曲实验，跨厚比的选择十分重要，既要保证发生有效的破坏模式，又要防止因中心挠度过大而造成的计算精度不准确。3结论(1)碳纤维层合板的三点弯曲性能受测试跨厚比的影响。T700 和 T1100 碳纤维复合材料弯曲强度均先随着跨厚比增大而先增大后减小。T700 碳纤维层合板在跨厚比为 321 时，弯曲强度达到最大值1 73453 MPa，T1100 碳纤维层合板在跨厚比为401 时，弯曲强度达到最大值1 94848 MPa，而在321 时只有1 77987 MPa，仅仅比 T700 碳纤维层合板高 2.61%。(2)跨厚比的选择影响碳纤维层合板三点弯曲的破坏模式。随着跨厚比的增大，由局部过载导致的加载头处纤维、基体压碎转变为上表面压缩、层间分层破坏，最后过渡为压缩、拉伸、分层三种导致的混合破坏。T700 和 T1100 碳纤维层合板分别在跨厚比为 32 1 和 40 1 时转变为有效的失效模式，并对应各自弯曲强度的突变，之后弯曲强度的降低是由于大挠度变形导致的计算误差。(3)碳纤维复合材料弯曲破坏是一个复杂的过程，既与自身性能有关又受测试方式的影响。实验中 T700 碳纤维层合板最佳的跨厚比条件为 32 1;T1100 碳纤维层合板最佳的跨厚比条件为 401。参考文献1包建文，蒋诗才，张代军 航空碳纤维树脂基复合材料的发展现状和趋势 J 科技导报，2018，36(19):5263 2 MASH G Space a special needs environmentJ einforcedPlastics，2000，44(1):2630 3高芳芳，张琼，贾琳 基于体育器材的碳纤维复合材料实践运用 J 粘接，2019，40(7):6365 4DAS T K，GHOSH P，DAS N C Preparation，development，out-comes，and application versatility of carbon fiberbased polymer com-posites:A reviewJ Advanced Composites and Hybrid Materials，2019，2(2):214233 5HSU C F，TSAI H 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