國(guó)產(chǎn)炭纖維CCF300與T300炭纖維復(fù)合材料剪切載荷下的失效模式研究

張勇波，傅惠民

（北京航空航天大學(xué) 小樣本技術(shù)研究中心，北京100191）

國(guó)產(chǎn)炭纖維CCF300與T300炭纖維復(fù)合材料剪切載荷下的失效模式研究

張勇波，傅惠民

（北京航空航天大學(xué) 小樣本技術(shù)研究中心，北京100191）

對(duì)國(guó)產(chǎn)炭纖維與T300炭纖維復(fù)合材料層合板在常溫干態(tài)、常溫濕態(tài)、高溫干態(tài)與高溫濕態(tài)四種環(huán)境條件下進(jìn)行了短梁剪切實(shí)驗(yàn)。采用宏觀和微觀相結(jié)合的方法，對(duì)其剪切性能、失效模式與損傷機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：界面性能是影響纖維樹脂基復(fù)合材料剪切性能與失效模式最為重要的因素，而國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料在界面性能的控制上還有待改進(jìn)。因此，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料要進(jìn)一步推廣應(yīng)用，還需進(jìn)一步改善其界面性能，尤其是高溫高濕條件下的界面性能。

CCF300；復(fù)合材料；失效模式；宏觀形貌

炭纖維是一種高性能的纖維材料［1］，炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以高比強(qiáng)、高比模、耐熱性高、耐輻射、耐磨以及性能可設(shè)計(jì)等許多優(yōu)點(diǎn)在航空、航天、兵器、艦船和汽車等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用［2－8］。但是目前，全球炭纖維生產(chǎn)被國(guó)外少數(shù)幾個(gè)企業(yè)高度壟斷。在技術(shù)和產(chǎn)品出口方面分別采取嚴(yán)密封鎖和嚴(yán)格限制的措施。國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域所用的炭纖維，除極少量燒蝕所用炭纖維是國(guó)產(chǎn)的以外，耗量大的結(jié)構(gòu)用炭纖維全部依賴進(jìn)口［9］。為解決各個(gè)方面長(zhǎng)期受制于人的現(xiàn)狀，必須研制自己的高性能炭纖維。而本工作正是針對(duì)某國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料展開研究，對(duì)其復(fù)合材料層合板與T300炭纖維復(fù)合材料層合板同時(shí)進(jìn)行短梁剪切實(shí)驗(yàn)，通過(guò)各種環(huán)境條件下的性能數(shù)據(jù)比較，以及失效模式、損傷機(jī)理的對(duì)比分析，研究國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料存在的不足，為國(guó)產(chǎn)炭纖維性能的進(jìn)一步改進(jìn)提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

炭纖維復(fù)合材料層合板在剪切載荷下的失效模式研究已很多，盧天健［10］等研究了環(huán)氧復(fù)合材料基體對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響。吳人潔［11，12］等研究了基體、界面對(duì)單向?qū)雍习迕鎯?nèi)剪切強(qiáng)度的影響。上述研究基本認(rèn)為界面強(qiáng)度的高低是決定剪切強(qiáng)度大小的最主要因素。但是，以往的研究往往針對(duì)的都是某一種纖維與某一種樹脂基體，缺乏對(duì)比分析。所以本工作以多種纖維多種樹脂基體復(fù)合材料的剪切實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種環(huán)境條件下的宏觀斷口與微觀形貌對(duì)比分析，對(duì)炭纖維、上漿劑以及界面性能進(jìn)行了較為全面的剖析。從而找出制約國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料剪切性能的因素，為其進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

炭纖維為CCF300和T300炭纖維；兩種上漿劑（分別表示為A，B）；樹脂為QY8911。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

濕熱老化環(huán)境箱：SH050A型，用于產(chǎn)生濕熱環(huán)境；疲勞試驗(yàn)機(jī)：INSTRON 1332，試件的力學(xué)性能測(cè)試；掃描電鏡：JSM－35CF型，用于試件斷口的微觀觀察；應(yīng)變計(jì)：常溫應(yīng)變計(jì)BA120－2AA（11）和高溫應(yīng)變計(jì)BA120－2AA 150，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量。

1.3 試樣制備

將炭纖維制成預(yù)成型體，用熱壓罐在185℃下固化2h，200℃下加熱3h后處理得到炭纖維體積分?jǐn)?shù)為60%的復(fù)合材料板。制備得到三種復(fù)合材料：CCF300／QY8911（A 上 漿 劑）、CCF300／QY8911（B 上 漿 劑）、T300／QY8911（上漿劑未知）；分別進(jìn)行層間剪切實(shí)驗(yàn)，鋪層順序?yàn)椋?］25，尺寸為18mm×6mm×3mm。

1.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求

分別在四個(gè)環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：室溫干態(tài)條件：溫度（23±3）℃，濕度（50±5）%RH；室溫濕態(tài)條件：溫度（23±3）℃，實(shí)驗(yàn)件在（82±2）℃水里浸泡168h；高溫干態(tài)條件：溫度（130±3）℃；高溫濕態(tài)條件：溫度（130±3）℃，實(shí)驗(yàn)件在（82±2）℃水里浸泡168h。

1.5 力學(xué)性能的測(cè)定

按照ASTM D2344聚合物基復(fù)合材料及其層合板短梁剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，并觀察測(cè)定后的試樣破壞模式。

1.6 觀察試樣斷口形貌

將上述剪切實(shí)驗(yàn)后的試件斷口切下，噴金處理后，通過(guò)JSM35CF型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料剪切性能對(duì)比分析

圖1是國(guó)產(chǎn)炭纖維CCF300／QY8911（A上漿劑）、CCF300／QY8911（B上漿劑）與T300／QY8911三種復(fù)合材料在常溫干態(tài)、常溫濕態(tài)、高溫干態(tài)及高溫濕態(tài)四種環(huán)境條件下的層間剪切強(qiáng)度比值。從性能數(shù)據(jù)來(lái)看，常溫干態(tài)條件下，各復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度均值差別不大，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的層間剪切性能與T300復(fù)合材料相當(dāng)。在常溫濕態(tài)條件下，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度與T300復(fù)合材料的比值沒(méi)有發(fā)生較大的改變，表明各復(fù)合材料受濕度的影響相同。但是，在高溫干態(tài)條件下可以看到，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料與T300炭纖維復(fù)合材料相比，層間剪切強(qiáng)度差距明顯加大。由于層間強(qiáng)度一部分依賴于基體的剪切強(qiáng)度，另一部分依賴于界面的抗剪切能力，如果在基體性能相同的情況下，表明國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的界面抗剪切能力受到高溫的影響較為嚴(yán)重。同時(shí)，還可以看到，在高溫濕態(tài)條件下，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料兩種上漿劑呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，A上漿劑復(fù)合材料與T300復(fù)合材料剪切性能的比值下降到80%以下，而B上漿劑的復(fù)合材料仍然保持了較高的比值。表明A上漿劑的國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的界面抗剪切能力受高溫高濕的雙重作用下降較為嚴(yán)重，需對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 不同環(huán)境條件下復(fù)合材料短梁剪切強(qiáng)度比值Fig.1 Short－beam shear strength ratio of composites under varied environmental conditions

2.2 常溫干態(tài)條件下復(fù)合材料失效模式對(duì)比分析

由于層間剪切強(qiáng)度反映了不同鋪層間的抗剪能力，它不僅與基體的剪切強(qiáng)度有關(guān)，而且在較大程度上受纖維與基體之間界面的剪切強(qiáng)度影響。短梁剪切實(shí)驗(yàn)的宏觀失效模式主要有三種：（1）單層或多層的剪切破壞。在較為理想的剪切狀態(tài)下只發(fā)生中間層的剪切破壞，而多數(shù)情況下為多個(gè)層的剪切破壞（圖2）；（2）加載點(diǎn)應(yīng)力集中壓縮屈曲破壞或加載點(diǎn)對(duì)側(cè)由于拉伸應(yīng)力達(dá)到拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)拉伸斷裂；（3）非彈性變形。但是第二種與第三種在短梁剪切實(shí)驗(yàn)中都是不可接受的失效模式。從微觀來(lái)看，若復(fù)合材料界面強(qiáng)度較高，基體強(qiáng)度較低，則層間剪切破壞面斷面的主要特征是基體本身的內(nèi)聚破壞，樹脂呈典型的“鋸齒”狀，齒面朝同一方向傾斜，樹脂塊站立方向與纖維軸向垂直，同時(shí)橫斷面斷口整齊，纖維拔出較短，且上面粘附較多的樹脂；若基體強(qiáng)度較高，而界面強(qiáng)度較低時(shí)，層間剪切破壞面斷面的主要特征則是纖維和基體間的界面脫粘，分層表面看不到齒狀樹脂塊，但可以看到大量的裸露纖維和不規(guī)則的樹脂殘塊，同時(shí)橫斷面參差不齊，有較多的纖維拔出，留下較多的孔洞，且拔出纖維較長(zhǎng)，表面光滑?？梢?jiàn)，在一定程度上正是由于基體強(qiáng)度和界面的結(jié)合狀態(tài)決定了復(fù)合材料的破壞形式。

圖2 短梁剪切條件下單向復(fù)合材料的失效模式Fig.2 The failure mode of unidirectional composites subjected to short－beam shear strength

圖3是常溫干態(tài)條件下各復(fù)合材料橫斷面的SEM照片。圖3（a）為CCF300／QY8911（A上漿劑）復(fù)合材料的斷面，可以看到其斷口不齊，因纖維拔出而留下的孔洞較多，且纖維拔出長(zhǎng)度較長(zhǎng)，表面光滑，表明該復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度不高。圖3（b）中的CCF300／QY8911（B上漿劑）復(fù)合材料的斷口也較為混亂，可以看到大量拔出的光滑纖維以及因纖維拔出而留下的孔洞，表明該復(fù)合材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度也不高。圖3（c）為T300／QY8911復(fù)合材料的橫斷面照片，可以看到，斷口較為平整，且拔出纖維較短，與前面兩種復(fù)合材料差別較大，表明其具有較高的界面性能。因此，通過(guò)比較可知，在常溫干態(tài)條件下，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的失效模式與T300復(fù)合材料不同。

圖3 復(fù)合材料常溫干態(tài)條件下的橫斷面SEM照片（a）CCF300／QY8911－A；（b）CCF300／QY8911－B；（c）T300／QY8911Fig.3 The fracture surface of composites under 23℃dry condition（a）CCF300／QY8911－A；（b）CCF300／QY8911－B；（c）T300／QY8911

2.3 濕態(tài)條件下復(fù)合材料失效模式對(duì)比分析

濕態(tài)環(huán)境下炭纖維復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)可誘發(fā)變形、內(nèi)應(yīng)力、損傷、開裂等而使層間剪切強(qiáng)度降低，水從纖維與樹脂的界面以及層間向內(nèi)擴(kuò)散，從而引起樹脂的溶脹，但是纖維則部分約束了溶脹。所以，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，而且水分會(huì)使基體柔化，從而對(duì)層間剪切強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。同樣，由于纖維與基體熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫條件下必然會(huì)在界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而影響層間剪切強(qiáng)度。因此，如果是在高溫和高濕的雙重作用下，復(fù)合材料的界面將受到更為嚴(yán)重的影響，進(jìn)而使得層間剪切強(qiáng)度更加依賴于界面的性能。試件的橫向剖面也能較為準(zhǔn)確地反映復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度信息。文獻(xiàn)［12］中描述了界面黏結(jié)強(qiáng)度的不同對(duì)于復(fù)合材料損傷過(guò)程的影響。通常情況下?lián)p傷的起始方式有兩種：一種為基體開裂，另一種為界面脫粘。而主要發(fā)生哪種損傷起始，主要取決于界面的黏結(jié)強(qiáng)度與基體開裂強(qiáng)度的相對(duì)大小。

圖4 基體開裂示意圖Fig.4 Illustration of matrix crack

當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度大于基體開裂強(qiáng)度時(shí)，則損傷的起始方式為基體開裂，如圖4所示。圖中τ表示切應(yīng)力，σc，max表示最大壓縮應(yīng)力，σt，max表示最大拉伸應(yīng)力，在純剪切條件下，基體承受的主應(yīng)力方向與纖維軸向成45°夾角，因此基體裂紋的開裂角度也為45°。圖5為觀察到的某復(fù)合材料中實(shí)際的基體裂紋開裂角度及裂紋形貌，可知與理論分析較為符合。同時(shí)，隨著載荷的增加，基體裂紋也逐漸增加，最后各個(gè)裂紋之間相互連通，進(jìn)而造成試件的最終破壞。但是在這個(gè)過(guò)程中，隨著界面黏結(jié)強(qiáng)度的相對(duì)強(qiáng)弱不同，裂紋的連通方式也有所不同（圖6）。當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較低時(shí)，裂紋會(huì)沿著界面擴(kuò)展，進(jìn)而將各個(gè)基體裂紋連通，此時(shí)在橫向剖面觀察到的將是呈凸?fàn)畹募羟衅茐幕w，其底部與纖維垂直，而頭部呈現(xiàn)彎曲的塑性變形（圖6（b））；而當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較高時(shí)，在基體裂紋之間產(chǎn)生新的裂紋，以非自相似的形式將各個(gè)基體裂紋連通，進(jìn)而產(chǎn)生“齒”狀基體，齒面朝同一方向傾斜，樹脂塊站立方向與纖維軸向垂直，而且越細(xì)的“齒”狀基體表明纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度越高（圖6（a））。

圖5 基體開裂的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of matrix crack

上述為界面黏結(jié)強(qiáng)度大于基體開裂強(qiáng)度時(shí)的損傷起始及裂紋擴(kuò)展方式。而當(dāng)黏結(jié)強(qiáng)度小于基體開裂強(qiáng)度時(shí)，則損傷的起始方式通常為界面脫粘。此時(shí)裂紋沿界面擴(kuò)展，將纖維與基體剝離，則可以觀察到較多的光滑纖維，而基體受三向應(yīng)力剪切變形，出現(xiàn)較多的碎脂。但是大多數(shù)情況下，某種復(fù)合材料的層間剪切破壞并非單純的上述某一種形式，而通常為上述兩種損傷形式的組合，只是可以通過(guò)觀察哪一種形式占主導(dǎo)來(lái)判斷該復(fù)合材料的界面黏結(jié)狀態(tài)。

圖6 裂紋連通方式示意圖（a）齒狀裂紋；（b）凹凸?fàn)盍鸭yFig.6 Illustration of connect mode of crack（a）dentiform mode of crack connecting；（b）concavo－convex mode of crack connecting

圖7是國(guó)產(chǎn)炭纖維CCF300／QY8911（A上漿劑）、CCF300／QY8911（B上漿劑）與 T300／QY8911三種復(fù)合材料常溫濕態(tài)條件下斷口的SEM照片。從圖7（a）中可以看到，纖維與基體界面受侵蝕較為嚴(yán)重，纖維與基體剝離非常明顯，因此其損傷的特征為纖維與基體脫粘，同時(shí)可以觀察到纖維與基體剝離后，表面光滑，黏結(jié)的樹脂較少，基體剪切破壞呈現(xiàn)塑性變形，但沒(méi)有明顯“鋸齒”狀。因此可以判斷，該復(fù)合材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度較低，低于基體的開裂強(qiáng)度，主要的損傷形式為界面脫粘。圖7（b）中，CCF300／QY8911（B上漿劑）復(fù)合材料界面受侵蝕的狀態(tài)也較為明顯，可以看到大量的碎基，雖然沒(méi)有觀察到單根的纖維完全從基體中剝離出來(lái)，但是界面脫粘破壞的特征也較為明顯，因此表明該復(fù)合材料也具有較低的界面性能，其損傷形式也主要為界面脫粘。圖7（c）為T300／QY8911復(fù)合材料，可以看到，其破壞剖面較為整齊，纖維與基體界面受侵蝕程度較輕，仍然保持了較好的黏結(jié)狀態(tài)。同時(shí)，整個(gè)基體呈現(xiàn)密集的“鋸齒”狀，這與前面的理論分析較為吻合。表明該復(fù)合材料具有較好的界面性能，其界面黏結(jié)強(qiáng)度大于基體的開裂強(qiáng)度，其破壞特征主要為基體的剪切破壞。

通過(guò)三種復(fù)合材料常溫濕態(tài)條件下的橫向剖面SEM照片可以看出，CCF300／QY8911（A，B上漿劑）兩種復(fù)合材料具有較弱的界面性能，黏結(jié)強(qiáng)度低于基體的開裂強(qiáng)度；T300／QY8911復(fù)合材料則具有較好的界面性能，黏結(jié)強(qiáng)度高于基體的開裂強(qiáng)度。因此，建議CCF300／QY8911（A，B上漿劑）兩種復(fù)合材料改善其常溫濕態(tài)條件下的界面性能。

3 結(jié)論

（1）從性能數(shù)據(jù)上來(lái)看，國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的剪切性能基本與T300復(fù)合材料接近，但是在高溫高濕條件下的剪切性能有一定差距。

（2）對(duì)復(fù)合材料剪切失效模式與損傷機(jī)理影響較大的因素為纖維與基體的界面性能，界面強(qiáng)度與基體強(qiáng)度的相對(duì)高低直接決定了裂紋的擴(kuò)展方式。

（3）A，B兩種上漿劑對(duì)于復(fù)合材料失效模式的影響較小，但A上漿劑抗高溫高濕性能比B上漿劑稍差。

（4）國(guó)產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料要得到更為廣泛的應(yīng)用，還需改善其界面性能，特別是高溫高濕條件下的界面性能。

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Failure Mode Research on CCF300and T300Carbon Fiber Composites Subjected to Short－beam Shear Load

ZHANG Yong－bo，F(xiàn)U Hui－min
（Research Center of Small Sample Technology，Beihang University，Beijing 100191，China）

The short－beam shear test was conducted on the CCF300and T300carbon fiber composite laminate under the condition of 23℃dry，23℃ wet，130℃dry and 130℃ wet.The macroshape conjunctions with the SEM image were employed for the analysis and comparison on the shear failure mode and damage mechanism of these two kinds of carbon fiber composite.The results show that the interface strength is the most important property affecting the shear strength and failure mode of carbon fiber composite.However，CCF300carbon fiber composite shows lower property on the interface strength.Therefore，if the CCF300carbon fiber composite want to get more widely application on the structures，it need to improve its interface strength，especially the strength that under the condition of high temperature and wet.

CCF300；composite；failure mode；macroshape

V258

A

1001－4381（2012）08－0055－05

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011M500221）

2011－07－01；

2012－01－06

張勇波（1984—），男，博士后，主要從事復(fù)合材料的失效分析、航空航天類產(chǎn)品可靠性分析及加速壽命實(shí)驗(yàn)研究，聯(lián)系地址：北京航空航天大學(xué)固體力學(xué)研究所 C928（100191），E－mail：zhang19840504＠163.com