碳纖維單向帶復合材料的靜動態(tài)力學性能研究

黃亞烽，孟憲明，吳 昊，張 賽，方 銳，鄭崇嵩，王 朋，楊智然

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

由于溫室效應、能源危機和環(huán)境污染等全球性問題日益嚴重，作為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，交通領域尤其是汽車工業(yè)是節(jié)能減排的重中之重。整車輕量化不但能實現(xiàn)節(jié)能減排，也是提升產(chǎn)品競爭力的重要途徑。碳纖維復合材料具有輕質(zhì)、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設計性強、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定和能夠大面積整體成型等優(yōu)點，是整車輕量化中非常優(yōu)秀的材料選擇[1]。隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的低成本化進程，碳纖維逐漸替代玻璃纖維成為整車輕量化的主題材料，在整車設計研發(fā)中占有越來越重要的地位[2]。

整車碳纖維復合材料應用從表面覆蓋件逐漸拓展到內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，準確表征碳纖維材料的拉伸強度、拉伸模量、泊松比和應變率效應等靜、動態(tài)力學性能，在整車安全研究、仿真設計和生產(chǎn)應用中具有越來越重要的意義。

碳纖維材料是典型的連續(xù)纖維復合材料，不同編織方式對其力學性能有非常大的影響，一般有如下幾種編織形式：單向帶編織、雙向平紋編織、斜紋編織、三維編織、緯編針編織和經(jīng)編針編織。碳纖維單向帶復合材料是指在經(jīng)向分布著大量碳纖維絲束，承擔材料的主要承載能力，在緯向上只有起固定作用的少量的碳纖維紗。本文對碳纖維單向帶6層層合板進行測試分析，研究了0°和90°這2種加載方向的靜、動態(tài)力學行為[3-4]。

1 試驗方法與試樣尺寸

1.1 試驗方法

材料準靜態(tài)拉伸試驗在CMT5205型電子萬能試驗機上進行，測試精度為0.4%級，最大測試載荷為200 kN。動態(tài)拉伸試驗在HTM16020高速動態(tài)試驗機上進行，測試精度為0.4%級，最大測試載荷為100 kN，測試速率為0～20 m/s。采用PHOTRON SA-Z高速相機采集試件全場變形信息，滿像素為1 024×1 024，最大采集頻率為220 000 FPS。準靜態(tài)拉伸試驗參考標準GB/T 3354—2014，動態(tài)拉伸試驗參考標準ISO 26203-2-2011[5]。

參考汽車實際使用工況中的應變率范圍，除準靜態(tài)拉伸試驗外，動態(tài)拉伸選定4種應變率分別為：1/s、10/s、100/s和500/s[6]?？紤]碳纖維復合材料離散型，為保證測試數(shù)據(jù)可靠，適當增加測試樣條數(shù)量[7]。由于碳纖維復合材料本身脆性較強，且斷裂位置難以提前確定，本文采用數(shù)字圖像相關方法對測試段全場力學行為進行求解分析[8]。試驗前對試件進行噴斑處理，結(jié)合試驗機采集數(shù)據(jù)求解碳纖維復合材料層合板彈性模量、泊松比、屈服強度和真應力-應變曲線等結(jié)果。

1.2 試樣尺寸

本文所用碳纖維單向帶材料層合板由6層國產(chǎn)T700碳纖維單向帶粘接而成，厚度為(1.9±0.1) mm。拉伸試件為矩形樣板試件，圖樣如圖1所示。為保證試件內(nèi)部纖維連續(xù)性，動態(tài)拉伸試件僅開1個固定孔(見圖2)。

圖1 拉伸試件

圖2 動態(tài)拉伸試件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 0°加載方向的性能分析

碳纖維單向帶材料在0°加載方向不同應變率測試條件下的真應力-應變曲線如圖3所示，斷裂前瞬時圖像如圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，材料在不同應變率測試條件下曲線趨勢基本一致，在屈服之前處于完全彈性階段；隨后進入塑性階段，載荷上升趨勢放緩，迅速達到抗拉強度；進而整體突然劈裂破壞，整個試件未觀測到頸縮。曲線組真應力-應變關系主要為彈性，塑性段很短，表現(xiàn)為硬質(zhì)脆性材料特性。隨著應變率的升高，曲線整體出現(xiàn)上升趨勢,屈服強度、抗拉強度以及彈性模量具有升高趨勢，最高抗拉強度達到1 950 MPa。

圖3 0°加載方向試件真應力-應變曲線圖

圖4 斷裂前瞬時圖像

從碳纖維單向帶復合材料的細觀結(jié)構(gòu)變形分析上可以看出，0°主方向上排布著大量的纖維束，在0°加載過程中這些纖維束是主要的承載材料。隨著外載荷的增大碳纖維自身的抗力增加，當達到纖維本身的抗拉強度時，纖維束中的纖維絲由于本身隨機性在不同位置出現(xiàn)斷裂，此時的外載荷已超過樹脂基體及界面本身的承載能力，樹脂基體及界面隨之破壞，試件宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂特征[9]。由于碳纖維絲呈現(xiàn)的多位彈性材料特征，因此隨著測試應變率的升高，其應力滯后效應比較顯著，表現(xiàn)為隨著應變率的升高其屈服強度、抗拉強度以及彈性模量均有升高趨勢。

2.2 90°加載方向的性能分析

碳纖維單向帶材料在90°加載方向不同應變率測試條件下的真應力-應變曲線如圖5所示，斷裂前瞬時圖像如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，材料在不同應變率測試條件下曲線呈現(xiàn)的趨勢基本一致，與0°加載方向相比，在90°加載方向能夠觀測到較明顯的屈服點，材料在屈服之前處于完全彈性階段，隨后載荷上升趨勢放緩，出現(xiàn)平滑上升的塑性段，之后試件橫向斷裂，整個試件在試驗測試中未觀測到明顯頸縮。真應力-應變曲線與硬質(zhì)樹脂材料的力學特性類似，可見在90°加載方向上樹脂材料為主要的力的承載材料。隨著測試應變率的升高，曲線整體、屈服強度和抗拉強度呈現(xiàn)上升趨勢，最高抗拉強度為71 MPa，遠小于0°加載方向的抗拉強度。

圖5 90°加載方向試件真應力-應變曲線圖

圖6 斷裂前瞬時圖像

從碳纖維單向帶復合材料的細觀結(jié)構(gòu)變形分析上可以看出，在碳纖維單向帶復合材料的細觀結(jié)構(gòu)中，除了碳纖維絲以外，其余都由基體樹脂組成，當加載方向與碳纖維絲成90°方向時，樹脂基體是此碳纖維單向帶復合材料的主要承載材料，隨著外載荷增加，如果碳纖維絲與基體樹脂的界面粘合強度大于樹脂本身強度時，斷裂位置發(fā)生在樹脂內(nèi)部，此時的抗拉強度為樹脂自身的強度，如果碳纖維絲與基體樹脂的界面粘合強度小于樹脂本身強度時，斷裂位置發(fā)生在碳纖維絲與基體樹脂的界面，此時的抗拉強度為碳纖維絲與基體樹脂的界面強度。本文90°加載方向的抗拉強度為71 MPa，和樹脂本身的強度一致，斷裂發(fā)生在樹脂基體內(nèi)部[10]。

2.3 各項異性性能分析

依據(jù)試件全場應變及以上結(jié)果，可求得2種加載方向上碳纖維單向帶復合材料的彈性模量和泊松比(見表1)?？梢?，0°加載方向上承載的碳纖維纖維束和90°方向上其基體和少量固定用纖維絲在強度及承載能力上差異較大，導致彈性模量差距超過15倍[11]。純樹脂軸向加載條件下會發(fā)生橫向變形，在90°加載條件下，橫向分布的碳纖維阻止基體頸縮進而促使其發(fā)生橫向撕裂，這導致了90°加載條件下泊松比僅為0.012。

表1 碳纖維材料基本力學參數(shù)

0°與90°加載方向上的碳纖維單向帶復合材料在不同應變率測試條件下的屈服強度值如圖7所示。從圖7中可以看出，碳纖維單向帶復合材料在0°與90°這2個加載方向上的屈服強度在每個應變率的差距都很大。這種差異性是由于承載力主體材料力學性能不一致導致的，0°方向上主要承載材料為碳纖維絲，90°方向上主要承載材料為樹脂。另外，0°與90°這2個方向上的屈服強度都隨著應變率的升高而增大，表現(xiàn)為應變率增強效應。

圖7 不同加載方向各應變率下屈服強度值

0°與90°加載方向上的碳纖維單向帶復合材料在不同應變率測試條件下的抗拉強度值如圖8所示。從圖8中可以看出，碳纖維單向帶復合材料在90°與0°這2個方向上的抗拉強度在每個應變率的差距都很大。這種差異性產(chǎn)生的原因與屈服強度相同。另外，90°與0°這2個方向上的抗拉強度都隨著應變率的升高而增大，表現(xiàn)為應變率增強效應。0°方向上的抗拉強度最大值為1 950 MPa，遠遠超過90°方向上抗拉強度最大值71 MPa。

圖8 不同加載方向各應變率下抗拉強度值

0°與90°這2種加載方向上碳纖維單向帶復合材料不同應變率測試條件下的斷裂伸長率如圖9所示。從圖9中可以看出，0°與90°這2種加載方向上碳纖維單向帶復合材料斷裂伸長率處于同一量級。0°加載條件下，碳纖維單向帶復合材料斷裂伸長率對應變率敏感性較差，數(shù)值基本穩(wěn)定在0.016左右；90°加載條件下，碳纖維單向帶復合材料斷裂伸長率隨應變率升高而增大。這種現(xiàn)象的原因是碳纖維單向帶復合材料在90°加載條件下斷裂主要是主方向纖維束阻止材料頸縮引起的橫向撕裂，應變率升高出現(xiàn)的整體變形滯后性導致了斷裂伸長率隨應變率增大而增大。對比分析各應變率結(jié)果的差異，碳纖維單向帶復合材料在0°加載方向?qū)兟拭舾行灾饕憩F(xiàn)為純彈性體的應力滯后效應，屈服強度與抗拉強度隨應變率升高而增大；90°加載方向應變率敏感性較高，主要體現(xiàn)在塑性階段，屈服強度與抗拉強度隨應變率升高增幅明顯。

圖9 不同加載方向各應變率下斷裂伸長率

3 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)在0°和90°加載條件下，碳纖維單向帶復合材料彈性模量分別為99.7和6.02 GPa，泊松比分別為0.33和0.012。在實際應用中，應切實考慮其各向異性的巨大差異。

2)不同應變率條件下，0°加載方向主要體現(xiàn)為屈服強度和抗拉強度的差異，斷裂伸長率基本保持一致；90°加載方向屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率均隨應變率升高而增大。在實際設計應用中，應考慮不同碰撞工況下的力學性能差異。

3)碳纖維材料不同細觀結(jié)構(gòu)對其宏觀力學性能具有決定性影響，在實際設計使用中，應充分考慮不同編織及鋪層方式導致的力學性能差異。

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