不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

李淑萍,薛繼佳,馬少華,佟 剛，張利國

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院3.遼寧通用航空研究院)

材料工程

不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

李淑萍1,3,薛繼佳1,3,馬少華2,佟 剛1,3，張利國1,3

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院3.遼寧通用航空研究院)

為了研究應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系問題，采用ASTM D3410對(duì)一系列復(fù)合材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。研究結(jié)果表明對(duì)于低性能復(fù)合材料，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，而對(duì)于高性能復(fù)合材料，應(yīng)力應(yīng)變不再呈線性關(guān)系，出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞，降低了壓縮強(qiáng)度值。針對(duì)USN46200的壓縮試驗(yàn)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，分別采取增加厚度和改變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明增加試驗(yàn)件厚度不能解決此問題，改變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)有效地解決了該問題。對(duì)于高性能的復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)建議采用ASTM D6641試驗(yàn)方法。

復(fù)合材料；壓縮性能；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

復(fù)合材料由于高的比強(qiáng)度，材料的可設(shè)計(jì)性使其在飛機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。對(duì)于工程師來說，復(fù)合材料的基本力學(xué)性能非常重要。如果這些值過低，分散性過大，工程師就不得不采用過高的安全系數(shù)，這樣就會(huì)使結(jié)構(gòu)過重，失去了先進(jìn)復(fù)合材料取得廣泛應(yīng)用的機(jī)會(huì)。很多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究。趙麗濱、張志民、沈真對(duì)復(fù)合材料力學(xué)基本參數(shù)進(jìn)行了研究[1-3]。汪源龍[4]對(duì)國產(chǎn)CCF300/雙馬樹脂層合板高溫拉伸與壓縮性能試驗(yàn)研究，采用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3410。沈薇[5]對(duì)ASTM等系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和制造出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的試驗(yàn)夾具,指出ASTM系列壓縮標(biāo)準(zhǔn)就有4個(gè)，我們應(yīng)該根據(jù)我們的國情進(jìn)行選擇。張國騰[6]對(duì)T700碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料采用GB/T3856-2005進(jìn)行了壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)。彭超義[7]對(duì)單向帶/平紋布混雜鋪層層合板采用GB/T3856-83進(jìn)行了壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)的夾具對(duì)試驗(yàn)件的厚度要求苛刻，目前已經(jīng)很少采用。華盛頓航空研究室對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了研究[8]。大多數(shù)人一般只關(guān)心壓縮強(qiáng)度，很少關(guān)心試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系問題。本文作者在這方面進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)并不是所有復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變都呈線性關(guān)系，并對(duì)此現(xiàn)象分別采用增加厚度和改變?cè)囼?yàn)方法進(jìn)行解決，結(jié)果表明改變?cè)囼?yàn)方法可有效解決該問題。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件宏觀特性介紹

試驗(yàn)件的基本材料為A、B、C、D、E五類，分別為碳纖維單向預(yù)浸料、碳纖維雙向編織預(yù)浸料、碳纖維編織布/環(huán)氧及玻璃纖維編織布/環(huán)氧，單向拉擠板。A、E兩類為高性能碳纖維復(fù)合材料，壓縮強(qiáng)度在700 MPA以上B、C、D三類低性能碳纖維復(fù)合材料，壓縮強(qiáng)度在400 MPA以下。其中碳纖維單向預(yù)浸料、碳纖維雙向編織預(yù)浸料的牌號(hào)分別為USN46200及KWC 800，兩種預(yù)浸料固化溫度曲線見圖1，升溫速率為2 ℃/min，隨爐冷卻。碳纖維編織布/環(huán)氧和玻璃纖維編織布/環(huán)氧的牌號(hào)為J4112L3及SW110C-90a。其固化工藝為模具中常溫25 ℃預(yù)固化24小時(shí)，脫模后置于固化爐中，以每小時(shí)5 ℃的升溫速率進(jìn)行升溫后固化，后固化溫度周期如下：由常溫升溫至40 ℃固化3小時(shí)，再升溫至60 ℃固化4小時(shí)，然后升溫至80 ℃固化6小時(shí)，之后隨爐自然冷卻。單向拉擠板牌號(hào)為T700SL-12K為成品，不需再加工。采用ASTM_D3410進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)件尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)制作。

表1 試驗(yàn)件的鋪層

1.2 加載與測量設(shè)備

采用SHIMADZU(島津)AG-IC電子拉力材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)。采用東華DH-3820應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變采集。

1.3 所用標(biāo)準(zhǔn)

我們采用ASTM_D3410/D3410M-03[9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)為復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)方法。通過接觸面將剪力傳遞給試驗(yàn)件。所用夾具如圖1所示。該夾具為自行研制，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

圖1 所用夾具

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

有效的破壞模式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性關(guān)系。發(fā)生失穩(wěn)破壞的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再呈線性關(guān)系，典型情況如圖2所示。

圖2 發(fā)生失穩(wěn)破壞的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

A類材料0度鋪層共進(jìn)行了21個(gè)試驗(yàn)件的測試，其中10個(gè)發(fā)生了失穩(wěn)破壞，占總數(shù)的47.6%。A類材料90度鋪層共進(jìn)行了21個(gè)試驗(yàn)件的測試，其中1個(gè)發(fā)生了失穩(wěn)破壞，占總數(shù)的4.76%。B、C、D類材料分別各進(jìn)行了21個(gè)試驗(yàn)件的測試，沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞。E類材料共進(jìn)行了21個(gè)試驗(yàn)件的測試，其中15個(gè)發(fā)生了失穩(wěn)破壞，占總數(shù)的71.4%。

2.2 壓縮破壞強(qiáng)度

表2為試驗(yàn)結(jié)果，其中剔除了發(fā)生失穩(wěn)破壞等無效數(shù)據(jù)。

表2 壓縮強(qiáng)度值

從上表可以看出當(dāng)壓縮強(qiáng)度達(dá)到700 MPa左右時(shí)，失穩(wěn)問題明顯增加。當(dāng)壓縮強(qiáng)度在400 MPa以下時(shí)，失穩(wěn)現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。

2.3 壓縮破壞形式

圖3為壓縮失穩(wěn)破壞形式。

圖3 失穩(wěn)破壞形式

從破壞形式上看，失穩(wěn)破壞有的表現(xiàn)為斷裂，有的則沒有斷裂。與壓縮破壞沒有明顯區(qū)別。

3 增加厚度和改變?cè)囼?yàn)方法防止失穩(wěn)

發(fā)生失穩(wěn)問題，可能是由于厚度選的比較小或者是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的問題。因此我們選擇了A類0°材料分別進(jìn)行增加厚度和改變?cè)囼?yàn)方法的研究。

3.1 試驗(yàn)件和標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于USN46200材料0°鋪層，我們采用增加厚度和改變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)兩種方法進(jìn)行試驗(yàn)。第一種方法是將鋪層厚度增加到3.5mm，見下表3。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還是和原來的一樣。第二種方法是厚度還是和原來的一樣，將標(biāo)準(zhǔn)改為ASTM D6641M-09[10]。ASTM D6641M-09采用端部和剪切混合加載的方式，夾具如下圖4所示。上述試驗(yàn)件各做了10個(gè)。

表3 試驗(yàn)件和標(biāo)準(zhǔn)

圖4 ASTMD6641夾具

3.2 結(jié)果和分析

試驗(yàn)結(jié)果如下表4。

表4 壓縮強(qiáng)度值

3.2.1 厚度的影響

從表4可以看出，改變厚度對(duì)于預(yù)防失穩(wěn)沒有效果。表4中的值為平均值，10個(gè)試驗(yàn)件中有9個(gè)存在失穩(wěn)問題。造成這樣結(jié)果的一個(gè)原因可能是ASTM D3410M-2005公式(1)有些誤差，即使厚度按照該公式選取，還是發(fā)生了失穩(wěn)問題。另外一個(gè)原因可能是加載方式的問題，由于是剪切加載，可能是兩側(cè)的力不能完全一致，導(dǎo)致失穩(wěn)問題的發(fā)生。

3.2.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的影響

改變?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改善失穩(wěn)情況顯著。10個(gè)試驗(yàn)件中沒有發(fā)生失穩(wěn)問題，并且得到的強(qiáng)度值也大得多。這可能與加載方式有關(guān)，ASTM D6641M-09采用端部和剪切混合加載的方式，有效地防止了失穩(wěn)的發(fā)生，得到的強(qiáng)度值也高。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于高性能的復(fù)合材料，ASTM3410試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)易失穩(wěn)，得到的破壞強(qiáng)度值也低，增加厚度的效果不明顯。

(2)對(duì)于高性能的復(fù)合材料，ASTM6641試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不易失穩(wěn)，得到的破壞強(qiáng)度值更高，比較適合采用。

[1]趙麗濱，秦田亮，李嘉璽.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元分析的材料參數(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) ,2010,36(7):789-793.

[2]張志民.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1993:30-32.

[3]沈真，楊勝春.飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的力學(xué)性能要求[J].材料工程，2007(增刊 1)：248-252.

[4]汪源龍，程小全，范舟.國產(chǎn)CCF300/雙馬樹脂層合板高溫拉伸與壓縮性能試驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2011,28(3):180-184.

[5]沈薇，楊勝春，沈真.復(fù)合材料力學(xué)性能表征標(biāo)準(zhǔn)化研究新進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2009(S1):25-29.

[6]張國騰，陳蔚崗，楊波.T700碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究纖維[J].復(fù)合材料,2009,49(2):49-52.

[7]DOT/FAA/AR-00/26 Office of Aviation Research Washington,D.C.20591 Verificationof the CombinedLoadCompression(CLC)TestMethod August,2000.http://www.pactl.com/down/oad/FAA.pdf

[8]彭超義，肖加余，曾竟成.單向帶/平紋布混雜鋪層層合板極限強(qiáng)度研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2008,23(3).

[9]ASTM Standard D3410-03(2008),“Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading,” ASTM International(W.Conshohocken,Pa.),2008(first issued in 1975).

[10]ASTM Standard D6641-09,“Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression(CLC)Test Fixture,” ASTM International(W.Conshohocken,Pa.),2009(first issued in 2001).

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

Theeffectsofdifferentteststandardsonthecompressivestrengthofcompositematerials

LI Shu-ping1,3,XUE Ji-jia1,3,MA Shao-hua2,TONG Gang1,3,ZHANG Li-guo1,3

(1.Liaoning Key Laboratory of General Aviation,Shenyang Aerospace University; 2.College of Electromechanical Engineering,Shenyang Aerospace University;3.Liaoning General Aviation Academy,Shenyang 110136)

In order to studythestress-strainrelationship,ASTM 3410 is applied forthecompressive tests ofa series ofcomposite materials.The results show that inlow performance composites,there is a linear relationship betweenstress and strain,but inhigh performance composites,the stress-strain relationship is not linear,leading to unstable failure and lowervalues of compressive strength.The results of the experiments toprevent the unstable failureof CompositeUSN46200 show that addingthe thickness of the materials is invalidbutthat changing the test standardis effective.ASTM D6641 is proposedforcompressive testsofhigh performance composites.

composite material;compressive properties;test standard

2014-05-03

遼寧省科學(xué)技術(shù)廳工業(yè)攻關(guān)及成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2012220013)

李淑萍(1968-)，女，河北河間人，副教授，主要研究方向：飛行器設(shè)計(jì)，E-mail:lsp@sau.edu.cn。

2095-1248(2014)04-0055-04

TB121

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.011