高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究_孙闪闪.pdf

玻璃纤维2023 年 第 3 期 7技术研究中图法分类号：TQ342+.742 文献标识码：A高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*孙闪闪，文治天，冯冠铭，李 俊，方允伟，郝郑涛，陈建明（南京国材检测有限公司，南京210012）摘 要：通过对T800碳纤维（单向）增强塑料在-50200 范围内不同温度下0方向和90方向拉伸性能、0方向和90方向压缩性能的测试，分析了温度对拉伸性能和压缩性能的影响，得到了T800碳纤维增强塑料的拉伸性能和压缩性能随温度的变化规律。结果表明：T800碳纤维增强塑料在-50 和-40 下0拉伸强度和0压缩强度均有相应提高，0拉伸弹性模量和0压缩弹性模量变化不明显；当测试温度达到150200 时，0拉伸性能和0压缩性能下降较为显著；90拉伸性能和90压缩性能在-50200 范围内随温度的升高呈现直线下降趋势。关键词：高低温；碳纤维；力学性能；复合材料EffectsofHighandLowTemperatureonMechanicalPropertiesofCarbonFiberReinforcedPlastics*SunShanshan,WenZhitian,FengGuanming,LiJun,FangYunwei,HaoZhengtao,ChenJianming(NanjingGuoCaiTestingCo.,Ltd.,Nanjing210012)Abstract:The mechanical properties of T800 carbon fiber reinforced plastics,such as 0 and 90 tensile properties and compressive properties were tested at different test temperatures ranging from-50 to 200.The influence of temperature on tensile and compressive properties was analyzed.The dependancy of tensile and compressive properties of T800 carbon fiber reinforced plastics on temperature was obtained.The results showed that at-50 and-40 ,the 0 tensile strength and 0 compressive strength of T800 carbon fiber reinforced plastics increased correspondingly,but the 0 tensile modulus of elasticity and 0 compressive modulus of elasticity did not change significantly.When the test temperature reached 150200 ,the 0 tensile and compressive properties decreased significantly,while the 90 tensile and compressive properties showed a straight downward trend with the increase of temperature in the range of-50200 .Key words:high and low temperature;carbon fiber;mechanical properties;composite material0 前言碳纤维由腈纶和粘胶纤维作为原料，经高温氧化碳化而成，是一种含碳量在90%以上的特种纤维。碳纤维的拉伸强度为2 0007 000 MPa，拉伸弹基金项目：高性能纤维及复合材料原创技术策源地（2021YCJS02）收稿日期：2022-12-09修回日期：2023-02-28作者简介：孙闪闪（1989），男，工程师。主要从事增强纤维及复合材料测试及标准化研究。孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.001玻璃纤维2023 年 第 3 期 8技术研究性模量为200700 GPa，密度约为1.52.0 g/cm3，比铝轻，同体积下质量不到钢的四分之一，强度是铁的20倍1。作为增强材料与树脂复合制成碳纤维增强塑料（CFRP），具有重量轻、比强度高、比刚度高、加工成型方便、热稳定性能、抗疲劳性能和减振性能好等优点，已被广泛应用于航空航天2，3、航海、风力发电、汽车、化工、纺织、电子电气、压力容器、建筑、体育休闲等领域，在近几年更是得到了飞速发展。碳纤维等高性能纤维作为国家重点优先发展的关键材料，是我国经济发展和国防建设不可或缺的战略性材料。CFRP在工程应用中，不可避免地受到严寒、酷暑等周围环境的影响，其力学性能主要取决于纤维性能、树脂性能、树脂和纤维界面结合力，在严寒或酷暑的环境中纤维的性能、树脂的性能以及树脂和纤维界面的结合力均会出现不同变化，使CFRP的力学性能也呈现不同的变化。不少学者在高低温老化对碳纤维增强复合材料力学性能的影响方面做了研究，比如陈明等4对碳纤维环氧树脂T300/AG80复合材料进行了高温强度测试分析和数值模拟研究，罗健等5针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响进行了研究，冯消冰 等6针对湿热环境、高低温环境和腐蚀环境对碳纤维复合材料的影响及防护措施进行了研究。本文将对T800碳纤维增强塑料在-50、-40、23、70、120、150 和200 温度下分别进行0拉伸性能、90拉伸性能、0压缩性能和90压缩性能测试和分析研究。1 实验部分1.1 原材料T800碳纤维增强塑料，纱线沿0方向铺制的单向板材。拉伸试样，依据标准GB/T3354-2014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法制备，0拉伸试样尺寸为250 mm12.5 mm1 mm，粘 贴50 mm长 的 加 强 片；90拉 伸 试 样 尺 寸 为175 mm25 mm2 mm，不粘贴加强片。压缩试样，依据标准ASTM D6641/D6641M-16采用复合加载压缩（CLC）试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的标准试验方法制 备，0压 缩 试 样 和 90压 缩 试 样 尺 寸 均 为140 mm13 mm2 mm，粘贴加强片，加强片长度63.5 mm，试样工作段长度13 mm。1.2 设备仪器电子强力试验机，INSTRON 3382，美国英斯特朗公司生产。量程：100kN，精度：0.5级；高低温试验箱，美国英斯特朗公司生产。工作温度范围：-70 350。1.3 实验方案根据测试温度（-50、-40、23、70、120、150 和200）和测试性能（0拉伸性能、90拉伸性能、0压缩性能和90压缩性能）将设计28组试验，每组试验有效数据个数均为5个，并计算每组试验的平均值、变异系数以及高低温试验的性能保持率，其中性能保持率是指该性能测试的平均值与23温度下该性能测试平均值的百分比。具体设计试验矩阵如表1所示。表1 CFRP高低温性能设计实验矩阵有效数据个数 0 拉伸强度0 拉伸弹性模量90 拉伸强度90 拉伸弹性模量0 压缩强度0 压缩弹性模量90 压缩强度90 压缩弹性模量-50 55555555-40 5555555523 5555555570 55555555120 55555555150 55555555200 55555555孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*玻璃纤维2023 年 第 3 期 9技术研究孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*拉伸性能、压缩性能分别依据标准GB/T3354-2014、ASTM D6641/D6641M-16进行测试。在进行测试前，安装好夹具并置于环境箱中预热到所需的测试温度；再将试样安装在夹具中，关上环境箱，待温度达到测试温度时开始计时，保温510 min后开始测试。实验结束后计算强度和弹性模量，并检查试样失效模式，剔除破坏模式不可接受的 数据。2 实验结果分析2.1 温度对CFRP 0拉伸性能的影响CFRP 0拉伸性能测试，在实验过程中，当载荷加载到一定程度时，试样表面和边缘少量纤维出现剥离散丝破坏，持续施加载荷，试样呈现瞬时整体散丝爆炸破坏，试样失效，纤维强度均能得到充分发挥。CFRP 0拉伸性能在不同温度下的实验结果如表2所示，0拉伸强度和弹性模量随温度的变化如图1所示。表2 0拉伸性能实验测试结果-50-40 23 70 120 150 200 0 拉伸强度平均值/MPa2530252724292425245824092084变异系数/%2.852.522.402.091.492.623.59性能保持率/%104.1104.0100.099.8101.299.185.80 拉伸弹性模量平均值/GPa158.5158.3154.6154.9156.8152.4146.1变异系数/%1.571.181.561.451.251.962.40性能保持率/%102.5102.4100.0100.2101.498.494.5a.0拉伸强度随温度变化曲线图b.0拉伸弹性模量随温度变化曲线图图1 0拉伸强度和弹性模量随温度的变化曲线图分析测试结果可知，温度由23 降低至-40 和-50 时CFRP 0拉伸强度性能保持率分别为104.0%和104.1%，0拉伸弹性模量性能保持率分别为102.4%和102.5%，表明在低温测试条件下0拉伸强度略有提高，0拉伸弹性模量变化不超过3%，变化不明显，这主要是由于基体树脂的膨胀系数大于碳纤维的膨胀系数使碳纤维在低温环境下会受到树脂的夹紧力，即增加了基体与纤维的结合度，形成了强界面，提高了界面的相容性7，8，使纤维间的载荷传递更紧密，进而提高了低温测试环境下0拉伸强度，而0拉伸弹性模量主要由纤维的弹性模量决定，低温对纤维弹性模量影响不大，故0拉伸弹性模量变化不大。温度由23 升高至70、120、150 和200 时CFRP 0拉 伸 强 度 性 能 保 持 率 分 别 为99.8%、101.2%、99.1%和85.8%，0拉伸弹性模量性能保持率分别为100.2%、101.4%、98.4%和94.5%，表明在一定测试温度范围内0拉伸性能基本保持不变，当温度超过150 时，随温度的升高0拉伸强度和0拉伸弹性模量均有明显降低，这主要是由于CFRP 0拉伸性能主要取决于纤维的性能，基体树脂主要起到玻璃纤维2023 年 第 3 期 10技术研究在纤维间传递应力的作用，基体的粘接力和弹性模量是影响基体传递应力的重要因素9，在一定温度范围内，纤维的性能、基体树脂的性能以及纤维和基体界面间的粘接性能受温度影响变化不大；当温度升高至一定温度后，纤维强度明显降低、基体的模量变小使基体树脂软化明显、基体的粘接力降低使基体树脂和纤维间的结合力下降，从而使CFRP 0拉伸强度和0拉伸弹性模量均出现明显降低。2.2 温度对CFRP 0压缩性能的影响CFRP 0压缩性能测试，在实验过程中，当载荷加载到最大载荷时，试样呈现瞬时复杂破坏或劈裂破坏失效模式。CFRP 0压缩性能在不同温度下的试验结果如表3所示，0压缩强度和弹性模量随温度的变化如图2所示。表3 0压缩性能实验测试结果-50-40 23 70 120 150 200 0 压缩强度平均值/MPa151714871402141212021105954变异系数/%2.422.763.252.243.643.096.33性能保持率/%108.2106.0100.0100.785.778.868.00 压缩弹性模量平均值/GPa137.9138.2139.8139.0137.4134.7126.4变异系数/%0.851.201.020.811.411.932.01性能保持率/%98.698.9100.099.498.396.390.4a.0压缩强度随温度变化曲线图b.0压缩弹性模量随温度变化曲线图图2 0压缩强度和弹性模量随温度的变化曲线图分析测试结果可知，温度由23 降低至-40 和-50 时CFRP 0压缩强度性能保持率分别为106.0%和108.2%，0压缩弹性模量性能保持率分别为98.9%和98.6%，表明在低温测试条件下0压缩强度明显提高，0压缩弹性模量变化不超过3%，变化不明显，这主要是由于在低温测试环境下碳纤维和基体树脂的粘接力增加，在压缩过程中，纤维屈曲阻力增大6，从而明显提高了压缩强度，而0压缩弹性模量同0拉伸弹性模量一样主要由纤维的弹性模量决定，低温对纤维弹性模量影响不大，故0压缩弹性模量也变化不大。温度由23 升高至70、120、150 和200 时CFRP 0压缩强度性能保持率分别为100.7%、85.7%、78.8%和68.0%，0压缩弹性模量性能保持率分别为99.4%、98.3%、96.3%和90.4%，表明在一定测试温度范围内0压缩性能基本保持不变，当温度达到120 时0压缩强度开始出现大幅度降低，当温度达到200 后0压缩弹性模量开始出现明显降低，这主要是由于在一定温度范围内，纤维的性能、基体树脂的性能和纤维屈曲阻力受温度影响变化不大；而当温度升高至一定温度后，纤维强度降低、基体模量变小，随着温度的升高，碳纤维和基孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*玻璃纤维2023 年 第 3 期 11技术研究体树脂间界面的内应力增加，界面间粘接力明显降低，在压缩过程中，纤维屈曲阻力明显减弱，从而明显降低了0压缩强度和0压缩弹性模量。2.3 温度对CFRP 90拉伸性能的影响CFRP 90拉伸性能测试，在实验过程中，当载荷加载到最大时，试样呈现工作段中间部位横向断裂，试样失效。CFRP 90拉伸性能在不同温度下的实验结果如表4所示，90拉伸强度和弹性模量随温度的变化如图3所示。表4 90拉伸性能实验测试结果-50-40 23 70 120 150 200 90 拉伸强度平均值/MPa73.4171.4355.5453.7437.0835.3920.90变异系数/%3.484.154.803.708.877.1310.11性能保持率/%132.2128.6100.096.866.863.737.690 拉伸弹性模量平均值/GPa9.489.388.768.667.827.366.24变异系数/%1.391.221.481.541.911.595.84性能保持率/%108.2107.0100.098.889.384.071.2a.90拉伸强度随温度变化曲线图b.90拉伸弹性模量随温度变化曲线图图3 90拉伸强度和弹性模量随温度的变化曲线图分析测试结果可知，温度由23 降低至-40 和-50 时CFRP 90拉伸强度性能保持率分别为128.6%和132.2%，90拉伸弹性模量性能保持率分别为107.0%和108.2%；温度由23 升高至70、120、150 和200 高温时CFRP 90拉伸强度性能保持率分别为96.8%、66.8%、63.7%和37.6%，90拉伸弹性模量性能保持率分别为98.8%、89.3%、84.0%和71.2%。表明温度由-50 至23，再升高至200，90拉伸强度和弹性模量均随着温度的升高而呈现大幅度降低状态，90拉伸强度相较90拉伸弹性模量随温度的变化而变化更加明显。这主要是由于90拉伸性能的主要取决于基体树脂的性能，温度对树脂性能影响较大，在低温环境下，树脂收缩，伸长率降低，脆性增加，使CFRP 90拉伸强度和弹性模量较23 下有大幅度提高；在高温环境下，树脂内部分子运动能力增强，使树脂的韧性增强，使CFRP 90拉伸强度和弹性模量随温度的升高呈现直线下降趋势；基体树脂的强度比弹性模量受温度变化的影响更大。2.4 温度对CFRP 90压缩性能的影响CFRP 90压缩性能测试，在实验过程中，当载荷加载到最大时，试样呈现工作段部位厚度方向剪切破坏，试样失效。CFRP 90压缩性能在不同温度下的试验结果如表5所示，90压缩强度和弹性模量随温度的变化如图4所示。孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*玻璃纤维2023 年 第 3 期 12技术研究表5 90压缩性能实验测试结果-50-40 23 70 120 150 200 90 压缩强度平均值/MPa290.7279.1241.9235.2155.6119.3103.7变异系数/%2.911.403.231.695.565.244.63性能保持率/%120.1115.4100.097.264.349.342.990 压缩弹性模量平均值/GPa10.7910.669.839.668.738.097.18变异系数/%1.521.461.641.303.002.653.68性能保持率/%109.8108.5100.098.388.882.373.0a.90压缩强度随温度变化曲线图b.90压缩弹性模量随温度变化曲线图图4 90压缩强度和弹性模量随温度的变化曲线图分析测试结果可知，温度由23 降低至-40 和-50 时CFRP 90压缩强度性能保持率分别为115.4%和120.1%，90压缩弹性模量性能保持率分别为108.5%和109.8%；温度由23 升高至70、120、150 和200 高温时CFRP 90压缩强度性能保持率分别为97.2%、64.3%、49.3%和42.9%，90压缩弹性模量性能保持率分别为98.3%、88.8%、82.3%和73.0%。表明温度由-50 至23，再升高至200，90压缩强度和弹性模量均随着温度的升高而呈现大幅度降低状态，90压缩强度相较90压缩弹性模量随温度的变化而变化更加明显，同90拉伸性能随测试温度的变化规律类似。这主要是由于90压缩性能同90拉伸性能一样主要取决于基体树脂的性能，温度对树脂性能影响较大。0拉伸强度、0压缩强度、90拉伸强度和90压缩强度性能保持率随温度变化曲线如图5所示。0拉伸弹性模量、0压缩弹性模量、90拉伸弹性模量和90压缩弹性模量性能保持率随温度变化曲线如图6所示。分析图5和图6中曲线可知，90拉伸性能和90压缩性能在-50200 范围内随温度的变化性能保持率波动基本一致，比0拉伸性能和0压缩性能随温度的变化波动大。这主要是由于90拉伸性能和90压缩性能主要取决于基体树脂的性能，而树脂性能受温度的影响较大，0拉伸性能和0压缩性能主要取决于纤维的性能、压缩时纤维的屈曲阻力以及碳纤维和基体树脂间的粘接力，而在温度达到一定温度后纤维的性能才受温度的影响变大。图5 CFRP强度性能保持率随温度的变化曲线图孙闪闪，等：高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*玻璃纤维2023 年 第 3 期 13技术研究图6 CFRP弹性模量性能保持率随温度的变化曲线图3 结论（1）由于碳纤维和基体树脂的膨胀系数存在差异的缘故，在-40 和-50 下，0拉伸强度略有提高，而0拉伸弹性模量主要由纤维的弹性模量决定，故变化不明显。在高温测试条件下，当温度低于150 时0拉伸性能基本保持不变，当温度达到150200 时，由于纤维强度降低、基体树脂软化和基体的粘接力下降，使0拉伸强度和弹性模量均明显降低。（2）在-40 和-50 下，由于碳纤维和基体树脂的粘接力增加以及纤维屈曲阻力的增大，使0压缩强度明显提高，而0压缩弹性模量主要由纤维模量决定，故变化不明显。在高温测试条件下，当温度低于120 时0压缩性能基本保持不变，当温度达到120200 时，由于碳纤维和基体树脂间界面内应力的增加、界面间粘接力的降低，纤维屈曲阻力的减弱，明显降低了0压缩强度和弹性模量。（3）由于在低温环境状态下，基体树脂收缩，伸长率降低，脆性增加，在高温环境状态下，树脂内部分子运动能力增强，树脂的韧性增强，而90拉伸性能和90压缩性能主要取决于基体树脂的性能，使CFRP 90拉伸性能和90压缩性能均在-50200 范围内随温度的升高呈现出直线下降的趋势。（4）90拉伸性能和90压缩性能受温度变化的影响基本一致，比0拉伸性能和0压缩性能受温度变化的影响大。参考文献：1孙闪闪，文治天，瞿晓吉，等.碳纤维直径测定方法的研究J.玻璃纤维，2021（6）：31-36.2杨智勇，张东，顾春晖，等.国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料研究及应用进展 J.复合材料学报，2022，39.3邢离英，李亚锋，陈祥宝.先进复合材料在航空装备发展中的地位与作用 J.复合材料学报，2022，39.4陈明，龙连春，陈众迎，等.复合材料高温强度测试分析及数值模拟 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