混杂纤维复合材料层合板拉伸性能研究.pdf

第44卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 3-9 59 0(2 0 2 3)0 3-0 0 7 9-0 6大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023混杂纤维复合材料层合板拉伸性能研究石姗姗,王蒙恩，吕航宇,程功（大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连116 0 2 8摘要：针对复合材料层合板易分层的缺陷，以碳纤维层合板为研究对象，利用Kevlar短纤维进行层间性能优化,研究其拉伸性能。首先，制备混杂纤维复合材料层合板并分别将Kevlar短纤维置于外层（1、7层）和内层（3、5层）的层间；其次，通过准静态拉伸试验测量各组拉伸强度及弹性模量；最后，结合数字图像相关技术进行混杂前后应变变化和破坏模态的对比分析。试验结果发现：在外层（1、7 层)或内层（3、5层)的层间加Kevlar短纤维对拉伸性能的影响较小；碳纤维层合板混杂前后的拉伸断裂方式均为纤维断裂;DIC处理结果显示，试件在应变最大区域内发生断裂。关键词：层合板；碳纤维；芳纶纤维；拉伸性能；DIC文献标识码：ADOI:10.13291/ki.djdxac.2023.03.014碳纤维复合材料因其优异的比强度、比刚度特性在工程领域中应用广泛 1-3。但复合材料层合板在制备工艺上采用树脂等胶膜黏结而成，层间性能薄弱，在外力的作用下易发生由分层诱导的基体开裂等失效模式 4。因此,针对复合材料的层间性能问题呕待改善。近年来,国内外学者采用了不同的混杂方式及材料对复合材料层合板的层间性能进行优化和分析。复合材料层合板混杂方式种类繁多 5,研究及应用的主要形式集中于层间混杂、层内混杂方式。莫正才等 6 研究了不同长度、不同面密度等情况下的短切苎麻纤维层间混杂对碳纤维复合材料层合板层间断裂性能、弯曲性能及拉伸性能的影响;王春红等 7 以苎麻纤维和玻璃纤维为增强体,并与聚丙烯纤维一起混合，研究了不同含量的苎麻纤维和玻璃纤维对复合材料力学性能的影响;Dong等 8 研究了不同混杂比和体积分数的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的拉伸性能；赵立杰等 9 研究了碳-芳纶纤维和碳-碳纤维复合材料层合板的拉伸和压缩性能；Shi等 10 发现在树脂界面加人Kevlar短纤维不但可以增强界面韧性,加强结构的承载能力，而且对结构的质量影响还较小。目前对Kevlar短纤维增韧的研究多以三点弯曲及面内压缩 1-13 为主,但对拉伸载荷下的性能研究较少。本文以碳纤维层合板为研究对象，利用Kev-lar短纤维对层合板层间性能进行优化,采用层间混杂的方式分别在外层（1、7 层）和内层（3、5层）铺设Kevlar短纤维，进行准静态拉伸试验，并利用数字图像相关技术对比分析混杂前后的拉伸性能和破坏模态的变化。1试件制备及试验方法1.1 试验设计本试验制备的混杂纤维层合板由8 层斜纹编织碳纤维布铺设，铺层顺序为（0/9 0）8，共设计3种方案见表1。未混杂组（A组）无层间混杂，为对照组;外层混杂组（B组)在1、7 层碳纤维布的层间置人Kevlar 短纤维;内层混杂组（C组）在3、5层的层间置人Kevlar短纤维。1.2试件制备本试验采用的碳纤维斜纹编织布由神鹰复合材料科技有限公司提供，面密度为2 0 0 g/m。将其裁剪成2 50 mm250mm的尺寸以便固定在模收稿日期:2 0 2 2-0 2-0 9基金项目：国家自然科学基金资助项目（117 0 2 0 48）第一作者：石姗姗（19 8 6 一），女，副教授。E-mail:通信作者：王蒙恩（19 9 9），男，硕士研究生。E-mail:80具中。树脂基体是由LY5288环氧树脂与HY5289固化剂按照10 0：2 3的质量比均匀混合而成。芳纶纤维为美国杜邦公司生产的Kevlar组别铺层设计示意图试件编号组别铺层设计示意图试件编号A1B1A2外层未混杂组A3(A组)A4A5注：实线表示碳纤维，虚线表示Kevlar短纤维。名称密度/(kg/m)碳纤维1400Kevlar 491450将Kevlar 纤维裁剪成单根长度为6 mm15的短纤维束,长度标准差控制在0.5mm,之后将短纤维束放入搅拌机中点动搅拌40 50 s，获得均匀分散的絮状Kevlar短纤维。将0.8 g絮状短纤絮状短纤维大连交通大学学报49（即凯夫拉纤维）。碳纤维和芳纶纤维的基本性能见表2 14表1混杂纤维层合板的设计B2混杂组B3(B组)B4B5表2 纤维的基本性能模量/GPa比模量/(10 Nm/kg)2300.1641250.083第44卷组别铺层设计示意图试件编号C1内层C2混杂组C3(C组)C4C5强度/MPa比强度/(10 Nm/kg)4 0002.85735002.333维放人2 0 L水中并充分打散搅拌，待Kevlar短纤维分布均匀后打捞,并置于阴?处晾干。按需重复操作，最终铺设得到面密度为12 g/m15的Kevlar短纤维薄膜，制备流程见图1。伸长率/%1.4 1.82.510mmKevlar纤维材料备好后,准备若干硅油纸,将材料与工具放置在硅油纸上面,以避免粉尘等杂质对试验的影响。将调配好的树脂基体均匀浸润在每层碳纤维布上，并把涂抹均匀的碳纤维布放置在恒定低温的冷藏箱中,以减缓树脂基体受温度的影响。按照方案设计进行组装，并置人2 50 mmx250mm的金属模具中。将模具放入热压机中，采用热压固化的方式制备层合板。热压固化过程共分为四个阶段，第一阶段先将模具从室温加热至50；第二阶段保持50 并恒温30 min；第三阶段将模具升温至80；第四阶段保持8 0 并恒温30 min。加热结束后，待冷却至室温后即可脱模。1.3试验方法在岛津电子式万能试验机ACS-X中进行常温准静态拉伸试验。试验参考ASTMD3039/Kevlar短纤维水图1Kevlar短纤维薄膜制备流程D3039M标准 16 ,拉伸速率设定为1mm/min,当试件加载至断裂时停止试验，并在拉伸过程中采用引伸计以提高测量物体变形程度的精度。为了减少试验误差，避免偶然性，每组共制备5个试件,各组测试结果均取平均值,并计算标准差。拉伸试件尺寸设计见图2。25.0-130.0-45.0-220.0-220.0-图2 拉伸试件尺寸设计图Kevlar短纤维薄膜第3期1.4 DIC 技术数字图像相关（Digital ImageCorrelation，DIC)技术是从物体表面上随机分布的具有一定灰度的特征点（散斑)中读取并采集变形信息,并根据特征点变形前后的统计相关性来计算位移和变形量,是一种非接触式的用于全场形状、变形、运动高精度测量的方法 17-2 0 ，又称为数字散斑相关法。在拉伸过程中，为获取各个试件不同时刻的应变情况，采用配套的摄影装置进行拍摄记录，试验中的拍摄时间间隔设置为2 s/张。试验结束后，将各组拍摄的图像导人软件进行全场位移和应变分析,处理得到了主应变方向的应变变化图。拉伸试件散斑拍摄见图3。图3散斑拍摄2试验结果分析2.1混杂纤维层合板拉伸性能图4为各组试件典型拉伸断裂形貌，对比图4可直观看出,各组试件断裂方式基本一致,均为纤维断裂；各组试件在拉伸载荷加载过程中无明显变化,直至载荷接近拉伸极限强度时,听见纤维拉伸断裂声,之后在达到极限后试件突然断裂。ABC图4各组试件典型拉伸断裂形貌图5为各组试件的应力-应变曲线，从图5可以看出,试件在断裂前应力-应变均呈现线性关系。从宏观表现形式来看，各组拉伸过程中的现象基本一致,表明两层Kevlar短纤维的层间混杂并未对碳纤维层合板产生显著影响。石姗姗，等：混杂纤维复合材料层合板拉伸性能研究A3600A4A54002000.000800B1600B3B4B540020000.00080060040010 mm2000.000图5各组试件的应力-应变曲线拉伸试验结束后，将各组拉伸强度和弹性模量取平均值并计算标准差，结果见图6、图7。800600F400F200未混杂组外层混杂组内层混杂组组别图6 各组拉伸强度对比图86040F20F未混杂组外层混杂组内层混杂组组别图7 各组弹性模量对比图818000.005应变：(a)未混杂组0.0050.010应变：（b）外层混杂组C50.005应变：（c）内层混杂组0.0100.0100.0150.0150.01582横向对比各组试验结果，在外层（1、7 层）和内层（3、5层）的层间加人Kevlar短纤维影响较小，即各组试件的拉伸强度及弹性模量出现了小幅改变。从表2 中可见,Kevlar纤维的延展率显著高于碳纤维，但层间混杂效果并未体现这一特性。从各组试验的拉伸断裂结果来看，各组试件皆产生纤维断裂,并未发生层间分层,Kevlar短纤维无法发挥作用。但混杂组中加入Kevlar短纤维，会使拉伸载荷受到了一定程度的分散,从而对70.0000大连交通大学学报拉伸性能产生一定的影响。2.2 DIC 结果分析DIC处理结果见图8、图9、图10。沿主应变（拉伸)方向对比三图，可观察到各组不同时刻主应变的变化规律相似。随着拉伸位移的增大,应变逐渐趋于均匀化,其中浅白色区域（应变较大区域)逐渐下移并集中。随着载荷的加载，在应变最大区域内出现微小裂纹并随后发生断裂。0.0025400.010100第44卷70.017800.0023670.0021950.0020230.0010500.016770.015050.001330.01160t-62 s0011050.0046770.0043550.0040330.0037100.00300.0030050.0027430.002420t-122 s图8 未混杂组典型试件不同时刻主应变图0053200:0094190.0087370.060.003750.00640.0120.0053010.004650t-242 s0.0113500.016370.0152750.0140120.0127500.0114870.0102250.009620.00700t=362 s0.0195000.0009840.000030.0007410.0006200.0004990.0003780:0002560.000135t-218s图9 外层(1、7 层）混杂组典型试件不同时刻主应变图70.00130570.0042400.0047270.0041350.0005420.0029500.0023570.0017650.0011720.000580t-278s0.0100440.0087380.0074310.0061250.0048190.0005120.002060.00900t-338s0.0090500.0172250.0149500.0126750:0104000.0081250.0058500.0035750.001300t-398s0.0196000.0012220.0010800.00380.000950.00530.006100.0003680022-218 s图10 内层（3、5层）混杂组典型试件不同时刻主应变图0.0039030.035650.0032280.000900.0025520.0022150.0018770.001540t=278 s0.0064190.0075070.0067560.0059250.0060040.0042620.000431.002600(-338s0.0176000.0157000.0138000.0119000.010000.0081000:00620004300t-398 s第3期各组DIC 结果的不同之处在于拉伸过程中的黑色区域(应变较小区域)范围。其中,未混杂组的应变较小区域在断裂前集中于顶端的一部分，而外层（1、7 层）混杂组、内层（3、5层）混杂组的应变较小区域在断裂前集中于上半段部分。可见混杂组中加入的Kevlar短纤维使应变较小区域的分布出现了扩散。应变较小区域的扩大，使得断裂区域的应变更加集中，从而对混杂组的拉伸性能产生了影响。3结论（1）加入Kevlar短纤维对碳纤维层合板的拉伸性能影响较小。在外层（1、7 层）和内层（3、5层)的层间加入Kevlar短纤维后，拉伸强度和弹性模量均出现小幅下降，但总体影响较小。（2）碳纤维层合板混杂前后的拉伸断裂方式均为纤维断裂。各组拉伸试验结果显示其均呈现脆性断裂特征。（3）D I C结果显示，各组试件的拉伸断裂区域集中于应变最大区域。各组拉伸过程中，随着载荷的加载,应变均趋于均匀化且逐渐集中,在到达极限后，试件在应变较大区域内发生断裂。参考文献：1肖守讷,江兰馨，蒋维，等.复合材料在轨道交通车辆中的应用与展望 J交通运输工程学报，2 0 2 1，2 1(1):154-176.2谢素明,张高威，程亚军.碳纤维复合材料车体结构强度仿真分析与结构优化 J大连交通大学学报，2021,42(4):23-27.3汤海武，田清文，石姗姗，等.纤维增强复合材料地铁司机室外罩仿真分析 J.大连交通大学学报，2 0 2 0，41(6):46-50.4CHEN JF,MOROZOV E V,SHANKAR K.Simulatingprogressive failure of composite laminates including in-ply and delamination damage effects J.CompositesPart A,2014,61:185-200.5史卫华，张佐光，李建玲.混杂纤维复合材料的静态力学性能（I)J.新型碳材料，19 9 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strain changes and failure modesbefore and after the hybrid were compared and analyzed by digital image correlation technology.The resultsshow that the addition of the short aramid fibers in the outer layer(layer 1 and 7)or inner layer(layer 3 and5)has little effect on the tensile properties,and the tensile fracture mode of the carbon fiber laminates beforeand after mixing is fiber fracture.The results of DIC treatment show that the specimen breaks in the region ofmaximum strain.Keywords:laminate;carbon fiber;aramid fiber;tensile properties;DIC下期待发表文章摘要预报预折叠蜂窝结构吸能特性仿真研究牛旭，卢嘉茗，陈秉智,秦睿贤2（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116 0 2 8；2.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连116028)摘要：通过引入周期性预折叠单元，提出一种新型蜂窝结构。建立了新型蜂窝结构有限元模型，采用显式动力学软件LS-DYNA对结构进行轴向压缩模拟,获得结构压缩响应与变形模式。结果表明：与传统结构相比，优化后的新型蜂窝结构其初始峰值力（PCF）下降2 4.9%，比吸能（SEA）提高12.6%，平均压溃力效率(CFE)提升40.9%,将周期性预折叠单元引人蜂窝结构中可有效改善传统蜂窝结构耐撞性能。