汽車復(fù)合材料層合板準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)測(cè)定*

史　昱，韓　嘯

（1.山東交通學(xué)院理學(xué)院，濟(jì)南 250357； 2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧大連 116024）

汽車復(fù)合材料層合板準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)測(cè)定*

史昱1，韓嘯2

（1.山東交通學(xué)院理學(xué)院，濟(jì)南 250357； 2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧大連 116024）

以應(yīng)用于某新能源電動(dòng)汽車的復(fù)合材料層合板為研究對(duì)象，利用萬能試驗(yàn)機(jī)和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)等提出了可靠的復(fù)合材料層合板準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定方法，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在汽車輕量化中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。該層合板結(jié)構(gòu)采用±45°交叉鋪層方法，由2層碳纖維、1層芳綸纖維和2層玻璃纖維層疊構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合材料層合板在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)呈現(xiàn)沿±45°方向和層間分離擠壓的斷裂失效模式，這與其內(nèi)部纖維鋪層方向是一致的。同時(shí)，由于在復(fù)合材料板材中加入了增韌和板材失效時(shí)起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復(fù)合材料層合板的整體力學(xué)性能較常見碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材，其彈性模量和強(qiáng)度性能均有所降低。

復(fù)合材料；汽車輕量化；力學(xué)性能測(cè)試；失效強(qiáng)度；彈性模量

近年來我國(guó)能源緊缺和環(huán)境污染等危機(jī)越來越嚴(yán)重，汽車工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，節(jié)能減排也成為行業(yè)發(fā)展新方向，車身輕量化技術(shù)越來越多地受到各大汽車生產(chǎn)廠商的關(guān)注。典型的車身輕量化手段包括優(yōu)化新結(jié)構(gòu)、發(fā)展新工藝和使用新材料等［1］。使用高性能輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)鋼材是實(shí)現(xiàn)車身輕量化最為有效的方法之一，已得到廣泛研究和應(yīng)用［2-3］。車身輕量化材料主要包括高強(qiáng)度鋼材、鎂鋁合金、工程塑料和復(fù)合材料等，其中碳纖維復(fù)合材料（CFRP）強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，在超級(jí)跑車與賽車車身上使用較為廣泛［4］。近年來，隨著碳纖維原絲成本的不斷降低，CFRP越來越多地出現(xiàn)在乘用車車身結(jié)構(gòu)中［5-6］。寶馬公司是使用CFRP較為廣泛的整車制造企業(yè)之一，通過CFRP材料在BMW7系車身結(jié)構(gòu)中的合理利用，有效降低了整車質(zhì)量，進(jìn)而降低整車重心，極大提升了汽車操控性與燃油經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)得益于CFRP材料高強(qiáng)度，車身碰撞安全性也得到很大提升［7］。鑒于車身復(fù)雜性能與成本控制要求，在短期時(shí)間內(nèi)，輕質(zhì)材料如CFRP還不能夠完全替代傳統(tǒng)車身材料（如鋼），多種材料在車身結(jié)構(gòu)的共同應(yīng)用則會(huì)成為一種常態(tài)。德國(guó)學(xué)者HAHN等提出過“混合材料結(jié)構(gòu)”概念，即異質(zhì)材料車身結(jié)構(gòu)，力求在合適部位使用合適材料［8］。

筆者研究一種應(yīng)用于某新能源電動(dòng)汽車上的復(fù)合材料層合板的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮性能，該層合板結(jié)構(gòu)以環(huán)氧樹脂為基體，采用±45°交叉鋪層方法，由2層碳纖維、1層芳綸纖維和2層玻璃纖維層疊構(gòu)成。通過對(duì)復(fù)合材料層合板試件開展準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮測(cè)試，直至試件失效，以獲取其準(zhǔn)靜態(tài)相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在汽車輕量化中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料：某汽車集團(tuán)公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

萬能試驗(yàn)機(jī)：WDW-100型，長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司；

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)：DH3815N型，江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司。

1.3 試件制備

（1）拉伸試件制備。

復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試件幾何形狀參考ASTM D 3039-2014標(biāo)準(zhǔn)，具體尺寸見圖1。為了防止復(fù)合材料夾持端在試驗(yàn)過程中發(fā)生滑移，需要在試件兩端粘貼加強(qiáng)墊片，同時(shí)采用粘貼應(yīng)變花方式測(cè)量試件在拉伸過程中的軸向與橫向應(yīng)變，如圖2所示。首先在制備好的試件表面涂抹丙酮，以去除表面油污；然后使用萬能膠水將應(yīng)變花和端子粘貼在試件中部區(qū)域；最后使用焊錫將應(yīng)變花引線相連接。筆者采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)記錄并分析應(yīng)變，采用1/4橋路測(cè)量應(yīng)變。

圖1　 復(fù)合材料拉伸試件幾何尺寸

圖2　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試件

（2）壓縮試件制備。

復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試件尺寸參考ASTM D 6641-2014標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)信息如圖3所示。按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，為了有效降低試件在壓縮載荷下發(fā)生屈曲的可能性，設(shè)計(jì)制備了復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試（CLC）加載夾具。CLC夾具利用兩側(cè)的緊固螺栓使得復(fù)合材料壓縮試件緊密貼合到夾具的內(nèi)表面上，以達(dá)到夾持的效果。壓縮試件本身有效測(cè)試段較短，從而有效避免了試件局部發(fā)生屈曲的可能性。與復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)類似，為了防止復(fù)合材料夾持端在試驗(yàn)過程中發(fā)生滑移，需要在試件兩端粘貼加強(qiáng)墊片，如圖3所示。為了測(cè)量試件在壓縮過程中的軸向與橫向應(yīng)變，需要在試件表面粘貼應(yīng)變片。由于試件測(cè)試段較短，因此使用兩個(gè)尺寸較小的應(yīng)變片代替應(yīng)變花來測(cè)量試件壓縮過程中的橫向與縱向應(yīng)變，如圖4所示。

圖3　 復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)試件幾何尺寸

圖4　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試件

1.4 性能測(cè)試

（1）準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試。

采用ASTM D3039-2014標(biāo)準(zhǔn)，使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試（見圖5），試驗(yàn)速率保持為2.0 mm/min。當(dāng)試件發(fā)生失效破壞（以載荷峰值出現(xiàn)第一次下降為準(zhǔn)），則立即停止試驗(yàn)。測(cè)試至少5個(gè)試件，取失效載荷與位移的平均值作為結(jié)果進(jìn)行討論。

圖5　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試照片

（2）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試。

首先將復(fù)合材料壓縮試件安裝到CLC夾具中，然后將夾具放置于萬能試驗(yàn)機(jī)下部壓縮空間試驗(yàn)臺(tái)上開始準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。采用ASTM D6641-2014測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，保持試驗(yàn)機(jī)壓縮速率為2.0 mm/min，當(dāng)試件發(fā)生破壞失效（以載荷峰值出現(xiàn)第一次下降為準(zhǔn)），則立即停止試驗(yàn)。測(cè)試至少5個(gè)試件，取失效載荷與位移的平均值作為結(jié)果進(jìn)行討論。

2　 結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試

復(fù)合材料試件準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞后斷裂模式如圖6所示。觀察圖6a可以看到，隨著試件發(fā)生失效破壞，復(fù)合材料試件中部出現(xiàn)一個(gè)與軸向成45°的斷口，其與該復(fù)合材料的鋪層方式有關(guān)（該復(fù)合材料內(nèi)部按照±45°交叉鋪層排布）。同時(shí)觀察試件側(cè)面（見圖6b）可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料層與層之間發(fā)生了顯著的層間分離現(xiàn)象?？梢钥吹剑嚰嗔寻l(fā)生在平行段，符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于復(fù)合材料失效模式與有效試件的描述［9］。復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，可以看到該復(fù)合材料層合板矩形試件的拉伸曲線分為典型的彈性階段和破壞階段，并在達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)發(fā)生失效。

圖6　 復(fù)合材料拉伸試件破壞樣貌

圖7　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過分析由萬能試驗(yàn)機(jī)和靜態(tài)應(yīng)變儀分析系統(tǒng)得到的復(fù)合材料矩形試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用材料力學(xué)相關(guān)理論，根據(jù)試件曲線的彈性部分和最大載荷，得到相應(yīng)的復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸材料參數(shù)見表1。由表1可以看到，由于復(fù)合材料內(nèi)部采用了±45°交叉鋪層排列，試件在軸向和橫向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能差別不大，符合有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)疊層復(fù)合材料力學(xué)性能特征的描述［9-10］。需要說明的是，由于在復(fù)合材料中加入了增韌和板材失效時(shí)起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復(fù)合材料層合板的整體力學(xué)性能較常見的CFRP板材，其拉伸彈性模量和強(qiáng)度均有所降低［11］。

表1　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試

復(fù)合材料試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞后斷裂模式如圖8所示，可以看到隨著試件發(fā)生失效破壞，復(fù)合材料中部出現(xiàn)一個(gè)與軸向成45°的斷口，這一現(xiàn)象與復(fù)合材料的鋪層有關(guān)。同時(shí)觀察試件側(cè)向破壞面，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部層與層之間還發(fā)生了顯著的層間分離和擠壓現(xiàn)象。可以看到，試件斷裂發(fā)生在平行段，符合ASTM D6641-2014測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于復(fù)合材料失效模式的描述［11-12］，因此該壓縮測(cè)試試件均為有效。復(fù)合材料試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖9所示?？梢钥吹皆嚰膲嚎s曲線分為典型的彈性階段與破壞階段，并在達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)失效。

圖8　 復(fù)合材料壓縮試件破壞樣貌

圖9　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過分析由萬能試驗(yàn)機(jī)和靜態(tài)應(yīng)變儀分析系統(tǒng)得到的復(fù)合材料矩形試件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)試件曲線的彈性部分和最大載荷，得到相應(yīng)的復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮材料參數(shù)見表2所示。由表2可以看到，由于復(fù)合材料內(nèi)部采用了±45°交叉鋪層排列，試件在軸向和橫向的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能差別不大，符合有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)疊層復(fù)合材料力學(xué)性能特征的描述［13］。

表2　 復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸/壓縮曲線對(duì)比

通過對(duì)比復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸與壓縮試驗(yàn)分別得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖10所示。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料呈現(xiàn)出典型的拉壓各向同性特征，這與其±45°的鋪層方式密切相關(guān)。

圖10　復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸/壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

3 　結(jié)論

通過對(duì)應(yīng)用于某車型車身所采用的復(fù)合材料層合板開展準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮力學(xué)性能測(cè)試，得到了其相關(guān)材料力學(xué)性能參數(shù)，為該復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以及隨后的數(shù)值仿真工作提供了所需的材料參數(shù)，并為復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)定提供了有效的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合材料層合板在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)呈現(xiàn)沿±45°方向和層間分離擠壓的斷裂失效模式，這與其內(nèi)部纖維鋪層方向是一致的。同時(shí)，由于在復(fù)合材料板材中加入了增韌和板材失效時(shí)起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復(fù)合材料層合板的整體力學(xué)性能較常見CFRP板材，其彈性模量和強(qiáng)度性能均有所降低。

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Experimental Determination on Quasi-static Mechanical Property of Composite Laminate Used for Vehicle

Shi Yu1， Han Xiao2
（1. School of Science， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；2. Department of Engineering Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

Aimed at composite laminates applied in a new energy electric vehicle，a reliable tensile and compression testing method on composite laminates was presented by using universal testing machine and static strain analysis system，thus providing experimental data for the lightweight design and application of composite structures in automotive industry. The laminates consists of ±45° plies with two layers of carbon fiber，one layer of aramid fiber and two layers of glass fiber. The testing results show that the laminates perform a failure mode of ±45° crack and delamination，which could be attributed to its fibre direction inside. Meanwhile， as certain portion of aramid and glass fiber are used in the composites for toughness enhancement purpose，the laminate’s overall Young’s modulus and strength are relatively lower than the data of carbon fiber reinforced composites observed in published references.

composite；vehicle lightweight；mechanical testing；failure strength；elastic modulus

U466

A

1001-3539（2016）09-0092-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.020

*中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2015M581327），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目［DUT15RC（3）002］

聯(lián)系人：韓嘯，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事輕量化連接接頭多場(chǎng)耦合環(huán)境老化行為試驗(yàn)設(shè)計(jì)和力學(xué)建模研究

2016-07-02