拼接與搭接鋪層對復(fù)合材料性能影響研究

摘 要：為了解拼接和搭接鋪層對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的影響，設(shè)計了7組不同的拼接和搭接鋪層試驗件，根據(jù)ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計鋪層時，應(yīng)以拼接鋪層為主，對厚度無嚴(yán)格要求的區(qū)域，可采用搭接鋪層。

關(guān)鍵詞：拼接；搭接；碳纖維復(fù)合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.011

0 引言

碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)越的比強(qiáng)度、比剛度和可設(shè)計性，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶工程、建筑工程、機(jī)械制造等不同領(lǐng)域，尤其是在航空航天飛行器上得到廣泛應(yīng)用，并逐漸由次承力構(gòu)件發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)[1-2]。當(dāng)前大部分的先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品都是由預(yù)浸料鋪迭后固化而成的。預(yù)浸料成型工藝主要有熱壓罐技術(shù)與非熱壓罐技術(shù)，由于熱壓罐預(yù)浸料成型費(fèi)用昂貴，所以非熱壓罐技術(shù)得到了很大的發(fā)展[3-4]。由于很多結(jié)構(gòu)件外形復(fù)雜，在進(jìn)行預(yù)浸料鋪迭時，需要對預(yù)浸料進(jìn)行裁剪，之后再進(jìn)行鋪迭，在處理鋪迭縫一般采用的就是拼接與搭接鋪層，這樣必然會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文碳纖維織物預(yù)浸料鋪迭角度出發(fā)，探討拼接與搭接鋪層對碳纖維復(fù)合材料性能的影響[6-8]。

1 試驗過程與方法

1.1 試樣制備

本試驗的試驗材料為某國產(chǎn)T300織物預(yù)浸料。采用非熱壓罐預(yù)浸料成型技術(shù)中的OOA工藝對織物預(yù)浸料進(jìn)行鋪貼，固化制備試驗件。試驗件共分為7組，一組典型鋪層形式試驗件、三組不同拼接鋪層形式試驗件和三組不同搭接鋪層形式試驗件，試驗件為250mm，寬為25mm，厚為2mm的典型層合板，碳纖維織物預(yù)浸料鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]。

1.2 試驗方法

采用ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn)，通過萬能試驗機(jī)對試驗件進(jìn)行拉伸試驗，試驗件兩端固定在試驗機(jī)夾具上，試驗時需對每個試驗件進(jìn)行應(yīng)變測量。為了減小試驗誤差，對每組試驗進(jìn)行6次試驗，對比多次試驗數(shù)據(jù)，尋找普遍規(guī)律。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 典型鋪層形式試驗

典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預(yù)浸料鋪設(shè)而成，此組試驗為6根試驗件，試驗數(shù)據(jù)見下表2.1所示。

根據(jù)ASTMD3039標(biāo)準(zhǔn)，對表中破壞模式說明：LAB為試驗件夾持段破壞、LWB為試驗件過渡段破壞、LGM為試驗件中部破壞。破壞形式見圖2.1-2.3所示。從此組試驗破壞模式可以看出，由于典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預(yù)浸料鋪設(shè)而成，破壞位置隨機(jī)。

2.2 拼接鋪層形式試驗

拼接鋪層共分三組試驗，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進(jìn)行斷開拼接鋪層，拼接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進(jìn)行斷開拼接鋪層，第五層拼接在試驗件正中間，第三層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進(jìn)行斷開拼接鋪層。拼接位置如下圖2.4所示。第五層拼接在試驗件正中間，第三層與第七層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，分別在第五層拼接縫的兩側(cè)。如下圖所示。

試驗數(shù)據(jù)見表2.2-2.4所示。

把這三組拼接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對比，見下表2.5所示。

從表2.5可得，拼接鋪層會降低試驗件的力學(xué)性能，且隨著拼接層數(shù)的增加，試驗件的最大破壞載荷與最大應(yīng)變逐漸變小；從破壞模式來看，試驗全部在試驗件中間位置破壞。

2.3 搭接鋪層形式試驗

搭接試驗件共分三組試驗件，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進(jìn)行斷開搭接鋪層，搭接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進(jìn)行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進(jìn)行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層與第七層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，分別在第五層搭接縫的兩側(cè)。搭接位置如下圖2.5所示。

試驗件數(shù)據(jù)表2.6-2.8所示。

把這三組搭接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值對比，見下表2.9所示。

從表2.9中可知，搭接鋪層也會降低試驗件的力學(xué)性能，但隨著拼接層數(shù)的增加，試驗件的力學(xué)性能下降無規(guī)律且力學(xué)性能下降不明顯。從破壞模式來看，第一組試驗都是在試驗件中間破壞，其他兩組試驗件破壞位置也像典型鋪層試驗件一樣隨機(jī)出現(xiàn)在試驗件的各個區(qū)域。

3 結(jié)語

根據(jù)上述研究可以得出以下結(jié)論：

（1）拼接與搭接試驗件相比典型試驗件力學(xué)性能會有所下降。

（2）從拼接試驗件數(shù)據(jù)可以看出，力學(xué)性能下降值在可接受范圍內(nèi)，故實際鋪層時主要以拼接為主。

（3）拼接試驗件隨著拼接縫數(shù)量的增加，力學(xué)性能也逐漸下降。所以碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用拼接鋪層時，在結(jié)構(gòu)件的一定區(qū)域內(nèi)，應(yīng)盡可能的使拼接縫相互遠(yuǎn)離，使拼接縫產(chǎn)生的缺陷不相互影響。

（4）搭接試驗件的力學(xué)性能優(yōu)于拼接試驗件，但搭接鋪層會使鋪層區(qū)的厚度增加且不厚度不均勻，在對厚度沒有嚴(yán)格要求的區(qū)域可采用。

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作者簡介：李澄（1988-），男，江蘇丹陽人，碩士，助教，研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。