CFRP在不同應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

黃靚　張懷安　肖巖　朱德舉

摘 要：采用真空輔助樹脂灌注成型工藝（VARI）制備了CFRP，利用MTS液壓伺服高速機(jī)對(duì)CFRP試件在4種應(yīng)變率（25，50，100和200 s-1）和6種溫度（-25，0，25，50，75和100 ℃）下進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同溫度（室溫25 ℃）下，除200 s-1應(yīng)變率下的韌性外，拉伸強(qiáng)度和韌性隨著應(yīng)變率的提高而明顯增大.在相同應(yīng)變率（25 s-1）下，與室溫相比，隨著溫度的升高或降低，CFRP的拉伸強(qiáng)度和韌性都將降低.試件破壞形態(tài)在不同應(yīng)變率下并沒有明顯區(qū)別，但在不同溫度下有所改變.最后，通過Weibull分析，研究了拉伸強(qiáng)度在不同條件下的變化規(guī)律.

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；應(yīng)變率；溫度；應(yīng)力應(yīng)變；韌性

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0090-08

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有比強(qiáng)度高，可塑性好，比模量高等優(yōu)點(diǎn)，在眾多FRP中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)良的性能在土木工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2].因?yàn)槎喾N原因，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料難免會(huì)受到?jīng)_擊荷載作用，比如爆炸、地震、汽車撞擊、強(qiáng)風(fēng)荷載等等[3]，伴隨著爆炸和撞擊，常常會(huì)形成高溫環(huán)境.此外，由于工程所在環(huán)境各不相同，導(dǎo)致復(fù)合材料工作的溫度范圍也較大.因此，研究CFRP在動(dòng)載和多種溫度下的力學(xué)性能對(duì)于工程應(yīng)用具有重要意義.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于測(cè)試材料動(dòng)態(tài)性能的方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).目前試驗(yàn)研究中主要采用以下方法：霍普金森桿（SHPB）、落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機(jī)[4-5].測(cè)試方法的選擇取決于測(cè)試試件應(yīng)變率所在的區(qū)間.SHPB主要用于測(cè)試材料在高應(yīng)變率下的性能.Amos等[6]研究了CFRP在靜載和應(yīng)變率為400～600 s-1下的力學(xué)性能，結(jié)果顯示隨著應(yīng)變率的增大，材料剛度隨之變大，但對(duì)強(qiáng)度影響不明顯.Naik等[7]測(cè)試了CFRP在140～400 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能.落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機(jī)主要測(cè)試材料在1～200 s-1中應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能[8-10].Adams等[11]通過沖擊方法研究碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在靜載到25 s-1應(yīng)變率下的拉伸力學(xué)性能.Shokrieh等[12]研究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)變率為0.001～100 s-1的力學(xué)性能.Zhu等[13]測(cè)試了水泥基復(fù)合材料在靜載和中應(yīng)變率下的力學(xué)性能.AI-Zubaidy等[14]測(cè)試了CFRP在靜載到應(yīng)變率為87.4 s-1的力學(xué)性能.但是關(guān)于CFRP在中應(yīng)變率下的力學(xué)性能研究還相對(duì)較少，而且動(dòng)態(tài)測(cè)試比較困難，根據(jù)學(xué)者之前得到的結(jié)論，CFRP的強(qiáng)度在動(dòng)載下有的升高，有的下降[15].因此，有必要進(jìn)行更多的CFRP在中應(yīng)變率下的試驗(yàn)，為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ).

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)性能有所不同，這是因?yàn)闇囟葘?duì)于環(huán)氧樹脂膠體和纖維的力學(xué)性能有影響，而且膠體和纖維的熱膨脹系數(shù)不同也會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力從而影響復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度.Im等[16]研究了不同層數(shù)的CFRP板材在高低溫下的沖擊性能.Suvarna等[17]進(jìn)行了CFRP在30～90 ℃的低速?zèng)_擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn). Hong等[18]測(cè)試了CFRP在-75～75 ℃的沖擊力學(xué)性能.Rio等[15]通過霍普金森桿研究了兩種角度（0°，90°）的CFRP在室溫和低溫下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，低溫對(duì)軸向強(qiáng)度的影響不顯著.但是有關(guān)CFRP在高低溫下的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究卻鮮有報(bào)道，因此，有必要進(jìn)行CFRP在高低溫下的試驗(yàn)，更全面地分析CFRP的力學(xué)性能.

本文研究單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)變率為25～200 s-1和溫度為-25～100 ℃的力學(xué)性能，通過分析試件強(qiáng)度和韌性的變化研究應(yīng)變率和溫度對(duì)其力學(xué)性能的影響.同時(shí)，試驗(yàn)采用高速相機(jī)記錄試件破壞過程，研究應(yīng)變率和溫度對(duì)試件破壞模式的影響，從而為CFRP的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試樣制備

選用湖南固特邦公司生產(chǎn)的JN-C3P改性環(huán)氧膠粘劑和單向碳纖維布，每束碳纖維含碳纖維絲12 k，為了保證單向碳纖維布的整體性，纖維束長(zhǎng)度方向每隔5 mm有一條橫向定位白線.使用真空輔助樹脂灌注成型工藝（VARI）制備試件，得到的CFRP中碳纖維體積含量為30.7%.通過定制的鋁模具，可以一次成型50 cm×80 cm×0.55 mm的單層CFRP板材.再根據(jù)試樣大小進(jìn)行剪裁.試樣要包含盡量多的碳纖維束以反映真實(shí)的CFRP力學(xué)性能，但考慮試驗(yàn)儀器夾具大小的限制，因此試樣尺寸設(shè)計(jì)寬度為22 mm，約8束碳纖維束，標(biāo)距長(zhǎng)度25 mm，總長(zhǎng)105 mm，兩端使用相同的環(huán)氧樹脂粘貼40 cm×22 cm×0.3 mm的鋁片，如圖1（a）所示.防止試件加持處發(fā)生應(yīng)力集中，造成試件端部破壞.在顯微鏡下觀察試樣橫截面，如圖1（b）所示，由圖1（b）可以看出，碳纖維絲都被環(huán)氧樹脂浸透，沒有氣泡存在，所以可以更加真實(shí)地得到CFRP的力學(xué)性能.

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)在美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的MTS液壓伺服高速機(jī)上完成，試驗(yàn)裝置如圖2所示.

儀器最大量程為200 kN，加載速度最高可達(dá)14 m/s，通過調(diào)節(jié)閥門，可以控制加載速度.試驗(yàn)前先調(diào)節(jié)閥門，測(cè)試?yán)焖俣葹轭A(yù)定速度后，再安裝試

件，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試.夾具為不銹鋼制成，通過楔形塊可以有效夾緊試件，避免試件在測(cè)試過程中發(fā)生滑移.環(huán)境箱采用電阻絲加熱和液氮制冷，工作溫度為-60～200 ℃，環(huán)境箱內(nèi)置風(fēng)扇，可使箱內(nèi)溫度均勻變化.本試驗(yàn)選取25，50，100和200 s-1 4種應(yīng)變率和-25，0，25，50，75和100 ℃ 6種溫度進(jìn)行測(cè)試.同時(shí)使用Phantom高速相機(jī)，采用20 000幀/s的頻率記錄試件破壞過程.

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能的影響

CFRP的應(yīng)變率分別為25，50，100和200 s-1下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示.應(yīng)變率分別為25，50，100 s-1的試驗(yàn)組各重復(fù)8個(gè)試樣，應(yīng)變率為200 s-1的試驗(yàn)組重復(fù)5個(gè)試樣.高應(yīng)變荷載作用下，纖維內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波以及反射應(yīng)力波，以達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài).圖3是在荷載施加到試樣的初始時(shí)刻開始記錄，直到試樣拉斷結(jié)束.

在材料動(dòng)態(tài)測(cè)試中，很難達(dá)到類似靜載的應(yīng)力平衡，而是動(dòng)態(tài)的應(yīng)力平衡.使用霍普金森桿進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，判斷應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡的準(zhǔn)則是荷載脈沖在試件內(nèi)部反復(fù)傳遞3次以上.美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）標(biāo)準(zhǔn)建議至少在試件測(cè)試區(qū)域內(nèi)有10次以上的彈性反射波才能被認(rèn)為是應(yīng)力平衡.根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，試件達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡所需時(shí)間為：

因?yàn)槭芰^程中試樣的反作用力會(huì)降低加載速率，使試樣實(shí)際應(yīng)變率低于初始應(yīng)變率[3]，圖3中所標(biāo)識(shí)的是每個(gè)試樣的實(shí)際應(yīng)變率（并非測(cè)試編號(hào)），為了方便對(duì)比分析，文中采用初始應(yīng)變率.部分試件實(shí)際應(yīng)變率明顯過低，予以舍去.每個(gè)試件的尺寸在3個(gè)位置用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，取平均值計(jì)算試件截面面積從而計(jì)算試件應(yīng)力值.由圖3可知，應(yīng)變率越大，試件應(yīng)力應(yīng)變曲線的離散性越高.應(yīng)變率分別為25 s-1和50 s-1下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似，在經(jīng)歷初始線彈性階段后，纖維束逐漸斷裂，引起應(yīng)力在到達(dá)峰值前產(chǎn)生較大波動(dòng)，隨后完全斷裂，應(yīng)力立刻降為零.但在較高應(yīng)變率100 s-1和200 s-1情況下，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本保持線性上升至峰值，應(yīng)力波動(dòng)區(qū)域明顯減小或消失；峰值后應(yīng)力快速下降直至試件徹底破壞.

根據(jù)不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得到CFRP力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng).圖4給出了試件的拉伸強(qiáng)度和韌性與應(yīng)變率的關(guān)系.總體來說，各個(gè)參數(shù)隨著應(yīng)變率的增加而增加.應(yīng)變率為25，50，100，200 s-1對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度分別為874±73，907±71，985±139和1 114±108 MPa，拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變率基本呈線性關(guān)系，從25 s-1到200 s-1，拉伸強(qiáng)度增幅達(dá)到27.5%.應(yīng)變率分別為25，50，100和200 s-1所對(duì)應(yīng)的韌性分別為35.79±8.51，41.43±5.7，47.49±13.7和43.74±10.6 MPa，應(yīng)變率由25 s-1到100 s-1其韌性基本呈線性上升，增幅達(dá)到32.7%，但應(yīng)變率從100 s-1到200 s-1其韌性并無增加，反而有7.9%的下降.

2.2 溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

CFRP在6種不同溫度（-25，0，25，50，75和100 ℃）下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，所有溫度試驗(yàn)均在25 s-1應(yīng)變率下進(jìn)行，每種溫度測(cè)試了8個(gè)試樣，由圖5可知，試驗(yàn)重復(fù)率較好.圖6給出了CFRP拉伸強(qiáng)度和韌性與溫度的關(guān)系.在溫度分別為-25，0，25，50和75 ℃下其拉伸強(qiáng)度分別為846±61，832±27，874±73，861±65和850±91 MPa，增減幅度在5%以內(nèi)，可見在此溫度范圍內(nèi)對(duì)CFRP的強(qiáng)度影響不顯著，但升溫至100 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度降低為651±78 MPa，較之常溫（25 ℃）下降幅度為25.5%，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂膠體達(dá)到玻璃化溫度，軟化后剛度和強(qiáng)度下降顯著.相比拉伸強(qiáng)度，韌性對(duì)溫度較為敏感，相比常溫下的韌性，升溫或降溫都會(huì)造成韌性的下降.在溫度分別為-25，0，25，50，75和100 ℃下其韌性分別為25.35±5.63，31.1±7.07，35.79±8.51，25.95±5.13，27.31±9.01和21.62±5.22 MPa，與常溫相比，分別下降了29.2%，13.1%，27.5%，23.7%和39.6%.韌性隨溫度下降而下降是因?yàn)镃FRP在低溫下變脆，變形能力降低，從而承擔(dān)能量的能力減弱.對(duì)于溫度升高的情況，在溫度未達(dá)到100 ℃之前，韌性下降的幅度基本維持不變，到100 ℃時(shí)，幅度增大較多.這是因?yàn)镃FRP試件受熱軟化，在高溫下最大應(yīng)變相比常溫減小32%左右，但強(qiáng)度變化幅度不大，因而韌性降低幅度相似，但在100 ℃下強(qiáng)度降低幅度較大，同時(shí)應(yīng)變減小，所以韌性降低較多.

2.3 應(yīng)變率和溫度對(duì)破壞形態(tài)的影響

圖7給出了CFRP試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)圖.由圖7可知，試件破壞并沒有一個(gè)整體的斷裂截面，每根纖維束的斷面并不相同，但同一根纖維束斷裂在同一截面.纖維束斷面多在纖維布的定位白線處，這是因?yàn)樵嚰捎肰ARI工藝成型，試件整體厚度一致，但由于定位白線的存在，導(dǎo)致該處的膠體較其余地方偏薄，形成一個(gè)相對(duì)薄弱的地方，導(dǎo)致斷裂容易在該處發(fā)生.定位白線處的膠體在測(cè)試后可以觀察到有輕微的剝離現(xiàn)象，可以說明在測(cè)試過程中，應(yīng)力容易在此處集中.試件斷裂面并未呈現(xiàn)出纖維拉斷的特性，因?yàn)槊扛w維絲都在環(huán)氧樹脂膠體內(nèi)均勻分布，因此斷裂時(shí)更多呈現(xiàn)膠體斷裂特性，斷裂面比較平整.圖8是使用高速相機(jī)記錄的試件在4種應(yīng)變率下的破壞過程，從中可以看出，破壞過程并沒有顯著區(qū)別.因?yàn)樵嚰?、安裝試件偏差和儀器偏差等諸多因素，試件所有纖維束很難同時(shí)斷裂，試件破壞時(shí)，CFRP可能會(huì)分裂為幾根纖維束后再分別斷裂.觀察破壞后試件圖，4種應(yīng)變率的破壞形態(tài)也基本相似，這與AI-Zubaidy等[14]的發(fā)現(xiàn)一致.

圖9給出了試件在6種溫度下的破壞形態(tài)圖，從圖中可以看出，試件破壞截面基本在試件中間.和不同應(yīng)變率下破壞形態(tài)相似，破壞面不是同一個(gè)截面，而是由不同纖維束破壞截面組成，但這種現(xiàn)象隨著溫度的升高而減弱，在100 ℃情況下，破壞面基本為一個(gè)整體，纖維束的散落現(xiàn)象基本消失.這是因?yàn)槟z體軟化，使得試件的脆性降低.同樣地，隨著溫度升高，在定位白線處的膠體輕微剝離現(xiàn)象也隨之減弱，在100 ℃的情況下已經(jīng)基本消失.

3 Weibull 分析

因?yàn)樘祭w維表面缺陷分布的不確定性，其強(qiáng)度不可避免地呈現(xiàn)離散性，因此用平均強(qiáng)度來表征其力學(xué)性能.用二參數(shù)Weibull分析處理其數(shù)據(jù)是比較理想的方法.二參數(shù)Weibull分布的基本形式如下：

圖10給出了拉伸強(qiáng)度在不同應(yīng)變率和溫度下的累積破壞概率圖.由圖10（a）可知，隨著應(yīng)變率的增加，曲線向高強(qiáng)度方向移動(dòng)，而且移動(dòng)幅度與應(yīng)變率近似成線性關(guān)系，說明CFRP的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而近似線性增加，這也可從圖4（a）中驗(yàn)證.由圖10（b）可以明顯看出，升溫測(cè)試的擬合曲線只有一條離其他曲線較遠(yuǎn)，另外5條曲線位置接近.由此可知，溫度升高到100 ℃后對(duì)CFRP強(qiáng)度的影響才比較明顯，其他溫度下的影響并不顯著.此外，值得注意的是，100 ℃下的強(qiáng)度分布范圍明顯增加，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂軟化后，試件破壞模式發(fā)生改變，并不集中發(fā)生在試件定位白線薄弱處，所以強(qiáng)度分布范圍增加.

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了CFRP在4種應(yīng)變率和6種溫度下動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試，針對(duì)其力學(xué)性能和破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）隨著應(yīng)變率的提高，除200 s-1下的韌性，CFRP的拉伸強(qiáng)度和韌性均有明顯增加.拉伸強(qiáng)度在該應(yīng)變率范圍內(nèi)基本呈線性增加，相比25 s-1下的力學(xué)性能，強(qiáng)度增加幅度最大為27.5%，韌性增加幅度最大為32.7%；

2）與常溫下力學(xué)性能相比，升溫和降溫均造成力學(xué)性能的下降.相對(duì)拉伸強(qiáng)度，韌性隨溫度的變化更顯著.而拉伸強(qiáng)度只有溫度到達(dá)100 ℃后才有明顯下降；

3）不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)并無顯著區(qū)別，在不同溫度下，隨著溫度的升高，破壞模式趨向于一個(gè)整體的斷裂面.

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