纖維／織物增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板彎曲性能及破壞機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

田 亮，羅 宇，梁 嫄，汪 海

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240）

在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造中，復(fù)合材料多制成層壓板結(jié)構(gòu)。層壓板的彎曲強(qiáng)度是設(shè)計(jì)所關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)，NASA（美國國家航空航天局）把彎曲性能作為檢驗(yàn)復(fù)合材料原材料性能的重要指標(biāo)之一，因此對其彎曲強(qiáng)度進(jìn)行研究具有重要的意義[1－3]。

Seung-Chul Lee等[4]研究了鋪層順序及鋪層角對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能的影響，指出準(zhǔn)各向同性鋪層比正交鋪層具有更大的承載能力。N.V.De Carvalho等[5]通過四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了兩種不同類型的二維編織結(jié)構(gòu)（斜紋和緞紋）層壓板的壓縮破壞機(jī)理，指出編織結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)形對破壞的起始位置和影響區(qū)域有重要影響。V.L.Tagarielli等[6]通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料泡沫夾心梁的初始破壞模式、后屈服變形機(jī)理以及梁的極限強(qiáng)度。N.Carbajal等[7]研究了不同跨度和試樣厚度對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料彎曲性能的影響。J.P.Nunes等[8]研究了樹脂基各向異性復(fù)合材料圓盤在三點(diǎn)加載條件下的彎曲性能，指出纖維鋪層角、鋪層順序、表面狀態(tài)和模壓溫度對彎曲性能有較大的影響。S.Sánchez-Sáez等[9]研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層合板在3種溫度（20、－60、－150℃）下的動態(tài)和靜態(tài)彎曲強(qiáng)度，指出動態(tài)測試下的彎曲強(qiáng)度低于靜態(tài)測試下的強(qiáng)度。周少榮等[10]研究了室溫及高溫條件下跨厚比對C／C復(fù)合材料層合板彎曲性能的影響，研究表明溫度對C／C復(fù)合材料層合板的臨界跨厚比的影響較小。韓帥、李嘉祿、王波等[11－14]針對不同類型的三維編織復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了影響彎曲性能的各種因素。賈麗霞、宋艷江等[15－17]分別研究了溫度對不同類型聚合物基復(fù)合材料彎曲性能的影響。王林山、孫樂等[18－21]分別考察了制備工藝和不同的浸滲體（浸滲銅，浸滲銅、鋁及抗氧化涂層）對C／C復(fù)合材料彎曲性能的影響。

上述研究多是針對某一特定類型的復(fù)合材料，而對不同增強(qiáng)方式的復(fù)合材料彎曲性能的對比實(shí)驗(yàn)研究卻少見報(bào)道，對我國企業(yè)自主研發(fā)生產(chǎn)的復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究還很不充分，一定程度上制約了國產(chǎn)復(fù)合材料研發(fā)及工藝水平的進(jìn)一步提升。本文基于ASTM D7264（聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法）[22]，對江蘇恒神有限公司生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)和織物增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板的彎曲性能進(jìn)行了研究，并分析了增強(qiáng)方式對彎曲性能以及破壞機(jī)理的影響，得到了一系列有價值的實(shí)驗(yàn)成果，為國產(chǎn)復(fù)合材料力學(xué)性能的進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和試件

實(shí)驗(yàn)材料采用江蘇恒神公司自主生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)和織物增強(qiáng)單向?qū)訅喊?，采用手工鋪層、真空保?0 min、熱壓罐固化成型工藝生產(chǎn)。試樣代號和材料體系的部分性能參數(shù)見表1（表中[0]14表示0°方向鋪14層，k＝1000，S表示緞紋，T表示斜紋）。纖維增強(qiáng)層壓板包括4種：F-1和F-2具有相同的樹脂型號HRM，含量均為36%，但纖維類型不同，F(xiàn)-1的纖維型號為HF10A，每束纖維絲數(shù)為12000，F(xiàn)-2的纖維型號為T700，每束纖維絲數(shù)為24000；F-3和F-4樹脂型號為HRE，含量為35%，F(xiàn)-3的纖維型號和每束絲數(shù)等同于F-1，F(xiàn)-4的纖維型號和每束絲數(shù)等同于F-2?？椢镌鰪?qiáng)層壓板包括3種：W-1和 W-2具有相同的樹脂類型HRM，含量為42%，W-1為5枚2飛緯面緞紋編織結(jié)構(gòu)（見圖1），單層質(zhì)量面密度為285g／m2；W-2和W-3均為2×2斜紋編織結(jié)構(gòu)（見圖2），單層質(zhì)量面密度均為200g／m2。W-1和 W-2與F-1具有相同的樹脂和纖維類型，但增強(qiáng)方式不同。

圖1 緞紋編織結(jié)構(gòu)

圖2 2×2斜紋編織結(jié)構(gòu)

表1 復(fù)合材料性能參數(shù)（來自生產(chǎn)商）

根據(jù)ASTM D7264標(biāo)準(zhǔn)加工試驗(yàn)件，采用水潤滑的金剛石刀具從制備好的預(yù)浸料層壓板上切割下符合尺寸要求的試件，并用不同等級的砂布打磨邊緣。纖維增強(qiáng)層壓板制備的樣板厚度為3.92mm，編織增強(qiáng)層壓板制備的樣板厚度為4mm。標(biāo)準(zhǔn)試件寬度為13 mm，至少應(yīng)為2個單胞，標(biāo)準(zhǔn)的跨距與厚度比為32∶1，試件長度約超出跨距20%。纖維增強(qiáng)和織物增強(qiáng)的層壓板試樣見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)件

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)采用上海交通大學(xué)民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室的MTS CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)，力傳感器為10 kN，正式實(shí)驗(yàn)之前試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)過校準(zhǔn)。位移傳感器為瑞士產(chǎn)SYLVAC電子位移傳感器，量程為13mm，精度為0.001mm。夾具采用自行設(shè)計(jì)加工的三點(diǎn)彎曲夾具，按照ASTM D7264標(biāo)準(zhǔn)要求，加載頭和支座具有直徑為6.00mm的圓柱接觸面，表面粗糙度和硬度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。將電子位移傳感器置于試件跨距中央下方，電子觸頭接觸試件跨距中點(diǎn)，用于采集試件在受載彎曲變形時的位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為2Hz。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置見圖4。

圖4 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

彎曲性能測試采用三點(diǎn)彎曲法，按照ASTM D7264實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整支撐跨距與試件厚度比32∶1，將試件居中放在支座上，保證試件兩端與兩側(cè)支座中心線等距。電子位移傳感器觸頭與試件底面中央接觸，并固定在合適的位置，正式實(shí)驗(yàn)前將位移值清零。試驗(yàn)機(jī)采用位移控制方式，加載速度為1mm／s，連續(xù)加載直到試件破壞，位移傳感器自動記錄試樣彎曲變形數(shù)據(jù)，載荷－位移曲線及載荷－撓度曲線由MTS操作軟件自動記錄并繪制。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，室溫為20℃，相對濕度為42%。試驗(yàn)件共7批次，每批次為6件。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.1 彎曲應(yīng)力σ計(jì)算

式中，P為實(shí)驗(yàn)載荷值（N）；L為支持跨距（mm）；b為試件寬度（mm）；h為試件厚度（mm）。

由試件破壞前的最大載荷值即可得彎曲強(qiáng)度值。

1.3.2 根據(jù)測量的撓度值計(jì)算對應(yīng)的應(yīng)變ε

式中δ為跨中撓度值（mm）。

1.3.3 彎曲彈性模量計(jì)算

弦線彎曲模量是應(yīng)力范圍和相應(yīng)應(yīng)變范圍比值。推薦應(yīng)變范圍是0.002，起點(diǎn)為0.001，終點(diǎn)是0.003。弦線彎曲模量Ef的計(jì)算如下：

式中，Δσ為適當(dāng)應(yīng)變范圍內(nèi)2個應(yīng)變點(diǎn)之間彎曲應(yīng)力之差（MPa）；Δε為適當(dāng)應(yīng)變范圍內(nèi)2個應(yīng)變點(diǎn)之間應(yīng)變之差（名義取0.002）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彎曲強(qiáng)度和彎曲模量比較

由式（1）—式（3）對不同批次試樣測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到纖維增強(qiáng)層壓板和織物增強(qiáng)層壓板的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量對比分別見圖5和圖6。圖中CV表示偏差相對值。

圖5 彎曲強(qiáng)度比較

圖6 彎曲模量比較

由圖5可看出，不管樹脂和纖維類型如何，纖維增強(qiáng)層壓板彎曲強(qiáng)度明顯大于織物增強(qiáng)層壓板彎曲強(qiáng)度（對比F組和W組數(shù)據(jù)可知），說明增強(qiáng)方式對材料彎曲強(qiáng)度有顯著影響。F-1和F-2具有相同的樹脂類型和不同的纖維類型，但彎曲強(qiáng)度基本相同，這表明相同樹脂和增強(qiáng)方式條件下，纖維HF10A的增強(qiáng)效果基本等同于纖維T700。F-3和F-4表現(xiàn)出與之類似的趨勢。F-1彎曲強(qiáng)度大于F-3彎曲強(qiáng)度，說明在相同類型纖維條件下，HRM樹脂的增強(qiáng)效果要好于HRE樹脂。同樣F-2和F-4的對比也證明了這一點(diǎn)。對于織物的增強(qiáng)層壓板，W-1和 W-2的彎曲強(qiáng)度基本類似，說明在相同樹脂和纖維類型下，緞紋和斜紋形式對材料彎曲強(qiáng)度影響不大。W-1和 W-2的彎曲強(qiáng)度值大于W-3，說明樹脂HRM增強(qiáng)效果好于樹脂HRG。由圖6可看出，纖維增強(qiáng)層壓板彎曲模量遠(yuǎn)大于織物增強(qiáng)層壓板，但在相同增強(qiáng)方式下卻表現(xiàn)出與彎曲強(qiáng)度相反的趨勢。對比F-1和F-3以及F-2和F-4發(fā)現(xiàn)，在相同纖維類型條件下，樹脂HRE對彎曲模量的增強(qiáng)效果要好于樹脂HRM。總體看來，不同的增強(qiáng)方式對于彎曲模量的影響要大于對彎曲強(qiáng)度的影響。

2.2 載荷響應(yīng)曲線

在實(shí)驗(yàn)過程中，載荷－撓度曲線和載荷－位移曲線分別由電子位移傳感器和MTS電子萬能試驗(yàn)機(jī)力傳感器系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)并記錄。纖維增強(qiáng)層壓板和織物增強(qiáng)層壓板的彎曲撓度／位移受載響應(yīng)曲線分別見圖7和圖8。

圖7 載荷－撓度曲線

圖8 載荷－位移曲線

纖維增強(qiáng)層壓板和織物增強(qiáng)層壓板的載荷－撓度及載荷－位移曲線的變化趨勢基本類似。由曲線變化趨勢可知，試件在彎曲變形過程中，試驗(yàn)機(jī)壓頭勻速壓下，試件跨中撓度增大，載荷呈線性增加，不同增強(qiáng)方式的材料在破壞前均呈線彈性。達(dá)到破壞載荷后，纖維增強(qiáng)試件載荷呈階梯狀下降，并伴隨有連續(xù)劈啪的響聲，加載到一定程度，載荷下降緩慢，呈現(xiàn)“假塑性”特征。這是由于材料逐層破壞，具有一定的后續(xù)承載能力?？椢镌鰪?qiáng)層壓板達(dá)到破壞載荷后，試件呈脆性斷裂，載荷直線下降，斷口貫穿試件厚度方向。由F-1和F-2，F(xiàn)-3和F-4比較發(fā)現(xiàn)，纖維 HF10A增強(qiáng)性能基本等同于纖維 T700；由F-1和F-3，F(xiàn)-2和F-4比較發(fā)現(xiàn)，HRM樹脂層壓板相比HRE樹脂層壓板具有更大的變形能力。對于織物增強(qiáng)層壓板，W-2試件具有最大的變形能力和承載能力，與 W-1對比發(fā)現(xiàn)，在樹脂和纖維類型相同的情況下，斜紋織物增強(qiáng)比緞紋織物增強(qiáng)層壓板具有更大的變形能力和承載能力。比較W-2和W-3發(fā)現(xiàn)，同樣纖維和增強(qiáng)方式下，樹脂HRM的增強(qiáng)效果優(yōu)于樹脂HRG?？傮w來看，不論樹脂和纖維類型，織物增強(qiáng)層壓板相比纖維增強(qiáng)層壓板具有更大的彎曲變形能力，但其承載能力較低。

2.3 試件破壞情況

復(fù)合材料受彎曲載荷作用時，既有壓縮應(yīng)力，又有拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，材料內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)還存在有擠壓應(yīng)力，除增強(qiáng)纖維承受載荷外，樹脂基體也承受纖維之間的剪應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜?？椢镌鰪?qiáng)方式層壓板由于纖維束之間相互交織，其編織結(jié)構(gòu)的不同使得層壓板的彎曲下的應(yīng)力分布更為復(fù)雜。圖9給出了纖維增強(qiáng)層壓板和織物增強(qiáng)層壓板受彎曲載荷的典型破壞模式。從圖中可看出，不同增強(qiáng)方式的試件上表面中部均受到加載頭的集中載荷作用，表層纖維因受到壓應(yīng)力作用產(chǎn)生局部微屈曲變形甚至斷裂。但由于增強(qiáng)方式的不同，這兩種類型的層壓板呈現(xiàn)出不同的破壞模式，纖維增強(qiáng)方式層壓板在表面形成微裂紋后，同時裂紋沿厚度方面向兩端擴(kuò)展形成局部分層，這是由于材料的樹脂基體受到較大的壓應(yīng)力使得纖維和基體界面發(fā)生脫粘造成分層，由于應(yīng)力分布不均勻，靠近中性面附近應(yīng)力較小，而上下兩面應(yīng)力較大，各層呈逐層破壞，這在載荷－位移曲線上表現(xiàn)為階梯狀，材料并不是瞬時破壞，而是呈現(xiàn)出一定的后承載能力。在試件的底面，由于受到拉應(yīng)力的作用，纖維發(fā)生斷裂，形成毛刺狀的形貌，纖維斷裂伴隨著與基體界面的脫粘，在靠近下表面的區(qū)域也會發(fā)生分層現(xiàn)象。同時由于層壓板僅在縱向有纖維分布，在橫向沒有增強(qiáng)纖維，在受壓載荷下，纖維和樹脂由于粘接不均勻，會向兩自由面發(fā)生“擠出”現(xiàn)象，從而形成凸起，這也使得材料更易產(chǎn)生分層現(xiàn)象。對于織物增強(qiáng)形式的層壓板，持續(xù)加載直到極限值，材料各層同時破壞，斷口較平齊，破壞過程中沒有明顯的分層現(xiàn)象，材料表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂，載荷呈直線下降，無后續(xù)承載能力，沒有纖維和樹脂受擠壓而形成的“凸起”現(xiàn)象。這是因?yàn)榭椢镌鰪?qiáng)形式的層合板在橫向存在與縱向相互交織分布的纖維束，在彎曲載荷作用下，橫向和縱向纖維均受到彎曲、壓縮、拉伸等應(yīng)力作用，并且纖維之間由于相互交織存在剪切作用力，應(yīng)力分布相比纖維增強(qiáng)層壓板要復(fù)雜得多，纖維和基體更易發(fā)生斷裂，使得對于相同類型的樹脂和纖維（通過試件 W-1，W-2與F-1的對比），織物增強(qiáng)層壓板相比纖維增強(qiáng)層壓板具有較低的承載能力。

圖9 各試件破壞形式

3 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)可知，纖維、樹脂和增強(qiáng)方式均對材料的彎曲性能有較大的影響。兩種增強(qiáng)形式的層壓板在破壞前均呈線彈性特征，但由于增強(qiáng)方式的不同材料呈現(xiàn)出不同的破壞模式。該研究結(jié)果可用于質(zhì)量控制和材料體系的篩選，同時也為國產(chǎn)復(fù)合材料的破壞模式研究和相關(guān)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

（2）織物增強(qiáng)復(fù)合材料與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，具有更大的彎曲變形能力，但其彎曲強(qiáng)度較小。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，F(xiàn)-1和F-2，F(xiàn)-3和F-4的受載時響應(yīng)曲線類似，說明同類型、同含量樹脂下，T700和HF10纖維的增強(qiáng)效果基本相同?？椢镌鰪?qiáng)層壓板W-2與 W-1相比，具有更大的變形能力和受載能力，說明相同類型樹脂和纖維下，斜紋織物增強(qiáng)比緞紋織物增強(qiáng)具有更大的變形能力，但其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量卻基本類似。通過對比W-1，W-2和F-1發(fā)現(xiàn)，相同樹脂和纖維類型條件下，纖維增強(qiáng)層壓板相比織物增強(qiáng)層壓板具有更大的承載能力，這表明不同的增強(qiáng)方式對于材料的彎曲性能有重要影響。

（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板彎曲破壞具有明顯的分層現(xiàn)象并有纖維和樹脂的“擠出”現(xiàn)象，呈逐層破壞，載荷曲線呈階梯下降狀，單層破壞后材料仍有一定的受載能力?？椢镌鰪?qiáng)復(fù)合材料呈明顯的脆斷模式，載荷加到極限值各層基本同時破壞，沒有后續(xù)承載能力，載荷曲線呈直線狀下降，斷口貫穿整個厚度方向，斷口較平齊。

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