中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂混雜纖維復(fù)合材料性能研究

烏云其其格，付宇彤，高旭豪，姚學(xué)鋒

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

混雜纖維復(fù)合材料不僅極大地?cái)U(kuò)展了復(fù)合材料的性能和使用范圍，使材料充分保留了單種增強(qiáng)材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了材料的可設(shè)計(jì)性，達(dá)到單種增強(qiáng)材料所不能實(shí)現(xiàn)的效果，使復(fù)合材料在低成本下實(shí)現(xiàn)了多功能化，如抗沖擊性能、防熱性能、抗摩擦性能、阻尼減振性能、透波性能等。不同纖維的混雜對(duì)樹(shù)脂基體有一定的要求，樹(shù)脂基體有一定的強(qiáng)度和韌性才能相容不同的斷裂伸長(zhǎng)率和界面的纖維[1–4]。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)纖維的不同分為碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）等。不同的纖維復(fù)合材料具有各自的特點(diǎn)，玻璃纖維復(fù)合材料成本低，但其比剛度?。惶祭w維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度都高，但其斷裂伸長(zhǎng)率低；芳綸纖維復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率高，耐磨性和阻燃性好，但其壓縮強(qiáng)度低[3–4]。

對(duì)于混雜復(fù)合材料力學(xué)性能及強(qiáng)度破壞的研究，主要集中于工藝參數(shù)、數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究等內(nèi)容。Alemi-Ardakani 等[5]使用落錘在200J 的沖擊能量下對(duì)碳纖維與玻璃纖維混雜的聚丙烯復(fù)合層壓板進(jìn)行了試驗(yàn)，并且與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Naik 等[6]采用理論和試驗(yàn)闡述了混雜復(fù)合材料（玻璃–碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂）降低缺口敏感性和改善抗沖擊性能的方法。Gurusideswar等[7–8]制備混雜（芳綸纖維–石墨纖維/環(huán)氧樹(shù)脂）復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)混合物的拉伸破壞應(yīng)變和斷裂韌性都顯著增加。Jalalvand[9]和Mishnavsky 等[10]模擬了碳纖維–玻璃纖維混雜復(fù)合材料的破壞模式并建立纖維束單胞模型，研究了混雜纖維復(fù)合材料的拉伸和壓縮性能。Chitturi 等[11]針對(duì)編織混合纖維復(fù)合材料在拉伸、彎曲、層間剪切及沖擊載荷下的響應(yīng)進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究。Kim[12]等評(píng)估了亞麻纖維、碳纖維和玻璃纖維對(duì)機(jī)械性能的雜交效應(yīng)，包括拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和阻尼。Wang 等[13]制備了含有混雜纖維的復(fù)合材料，并研究在單軸壓縮的受力條件下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變行為，發(fā)現(xiàn)混雜纖維后的復(fù)合材料體系力學(xué)性能得到明顯改善，壓縮強(qiáng)度及韌性提高。Arulmurugan 等[14]研究了混雜纖維增強(qiáng)的編織復(fù)合材料力學(xué)性能、DMA 和熱性能，混雜后的編織復(fù)合材料克服了復(fù)合材料在壓縮等機(jī)械性能方面的局限性，提高了材料的韌性。針對(duì)復(fù)合材料的理論模型與有限元計(jì)算，Yuan 和Yao 等[15–16]提出了載荷和結(jié)構(gòu)缺陷耦合作用下的復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度理論預(yù)測(cè)模型，并且通過(guò)試驗(yàn)與有限元進(jìn)行驗(yàn)證。目前學(xué)者的研究主要集中在混雜纖維復(fù)合材料力學(xué)研究的試驗(yàn)與理論方面，缺少試驗(yàn)與有限元的結(jié)果論證與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文探究以中溫固化（125℃）增韌環(huán)氧樹(shù)脂為基體，碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為增強(qiáng)材料的層間混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能，并采用Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行損傷失效有限元模擬，將理論預(yù)測(cè)的強(qiáng)度和模量值與實(shí)際測(cè)得的力學(xué)性能對(duì)比，研究成果對(duì)混雜纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和選材具有重要的參考意義。

混雜纖維復(fù)合材料的制備

1 材料屬性

本研究采用3233G 中溫固化（125℃）增韌環(huán)氧樹(shù)脂體系，它具有操作優(yōu)良及成形條件適應(yīng)性寬闊的特點(diǎn)，可以用于制備碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維及其織物等多種形式的預(yù)浸料，固化溫度范圍在100～150 ℃，長(zhǎng)期使用溫度范圍為–55～80℃，尤其適用于制造剝離強(qiáng)度及抗沖擊性能要求較高的結(jié)構(gòu)件。采用的纖維為航空級(jí)別的纖維，分別為S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗、F–12芳綸纖維、ZT7H 碳纖維（T700 級(jí)）。

2 預(yù)浸料制備

本文采用熱熔一步法預(yù)浸工藝制備預(yù)浸料,將樹(shù)脂基體加熱到一定溫度后熔融，對(duì)ZT7H 碳纖維、S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗和F–12芳綸纖維分別進(jìn)行放卷、浸膠、擠壓，得到所需要的預(yù)浸料。預(yù)浸料制備工藝參數(shù)有膠槽溫度和浸漬速率。調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)， 制備出符合技術(shù)要求的預(yù)浸料， 其外觀平整、沒(méi)有缺陷、黏性適中。其中， 3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料的名義單層厚度為（0.125±0.02）mm，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為58%； 3233G/F–12 芳綸纖維預(yù)浸料名義單層厚度為（0.26±0.03）mm，芳綸纖維的體積分?jǐn)?shù)為51%； 3233G/S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料名義單層厚度為（0.46±0.04）mm，玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)為59%。

3 混雜纖維復(fù)合材料層合板制備

本文采用熱壓罐法制備層合板，按力學(xué)性能所需層合板厚度要求將預(yù)浸料裁剪，按經(jīng)向?qū)?jīng)向鋪貼，制備混雜復(fù)合材料層合板時(shí)按不同的方式層間混雜。3233G/ZT7H 碳纖維預(yù)浸料、3233G/F–12 芳綸纖維預(yù)浸料和3233G/S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料按一定尺寸裁剪、鋪貼、組裝、成型、加工成符合要求的試樣。其制作工藝曲線如圖1 所示，固化工藝主要由樹(shù)脂基體的固化工藝決定，3233G 樹(shù)脂預(yù)浸料的熱壓罐成型工藝為：室溫下抽真空，真空袋內(nèi)的真空度不低于0.07MPa，以1～3℃/min 的升溫速率升溫到125℃，在室溫～75℃范圍的任意溫度加壓，壓 力 為0.5MPa，在（125±5）℃保溫90min，固化完成，自然冷卻至室溫。

圖1 3233G預(yù)浸料熱壓罐法成型工藝曲線Fig.1 Autoclave curing process of 3233G epoxy resin prepreg

混雜復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

1 單向?qū)雍蠌?fù)合材料性能測(cè)試

采用熱壓罐法成型3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料、3233G/F–12 芳綸纖維預(yù)浸料和3233G/S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料單向復(fù)合材料層合板，機(jī)械加工切割成拉伸與壓縮試件，按ASTM D 3039 和ASTM D 6641 試驗(yàn)方法，分別針對(duì)其拉伸與壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1 可知，碳纖維層合板的拉伸性能較高，體現(xiàn)在其拉伸模量及拉伸強(qiáng)度較大，分別為133GPa 和2478MPa，但是其韌性不足，這取決于纖維本身的性能。F–12 芳綸纖維因?yàn)槭侨龁误w合成的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，所以在其拉伸強(qiáng)度和模量較高的同時(shí)，具有較大的韌性，其延伸率可達(dá)到2.73%，其拉伸性能較好。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料層合板由于其纖維本身的脆性原因，其拉伸性能較差，模量與強(qiáng)度均較低，且其韌性較芳綸纖維也較低。壓縮性能主要由復(fù)合材料使用的樹(shù)脂性能、纖維性能和層間性能共同決定。在使用相同樹(shù)脂類(lèi)型的情況下，壓縮性能主要由纖維本身的性能和纖維與樹(shù)脂之間的層間性能決定。層間強(qiáng)度的大小與環(huán)氧樹(shù)脂和纖維的界面狀態(tài)有很大關(guān)系。界面性能與纖維表面的粗糙、極性基團(tuán)的數(shù)量和纖維與樹(shù)脂之間的相容性有關(guān)系。一般情況下碳纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合比較好，層間強(qiáng)度高，因而其壓縮性能也較強(qiáng)，壓縮模量為124GPa。芳綸纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合力比較差，因芳綸纖維表面容易吸收空氣中的水分，與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)的極性基團(tuán)少，并且芳綸纖維的韌性大，環(huán)氧樹(shù)脂的脆性大，導(dǎo)致芳綸纖維和環(huán)氧樹(shù)脂界面相容性差，加上芳綸纖維本身的韌性，使得到的復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度和延伸率均較低。雖然由于纖維本身的性能影響，高強(qiáng)玻璃纖維的壓縮模量較低，但是由于其纖維表面浸潤(rùn)劑的極性基團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂之間的作用，使得高強(qiáng)玻璃纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合力較強(qiáng)，加上高強(qiáng)玻璃纖維本身的性能，因而高強(qiáng)玻璃纖維粗紗復(fù)合材料具有很高的壓縮強(qiáng)度和延伸率，分別高達(dá)1042MPa 和1.6%。

圖2 混雜纖維復(fù)合材料鋪層方式Fig.2 Laying patterns of hybrid fiber composites

表1 3233G樹(shù)脂單向?qū)雍蠌?fù)合材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of 3233G resin single fiber prepreg composite laminate

2 混雜纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)性能測(cè)試

采用3233G/ZT7H 碳纖維預(yù)浸料和3233G/S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料，3233G/S4C10–800 高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料和3233G/F–12 芳綸纖維預(yù)浸料，熱壓罐法成型混雜復(fù)合材料層合板，同樣采用ASTM D 3039 和ASTM D 6641 試驗(yàn)方法，分別測(cè)試了其拉伸和壓縮力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 可知，在纖維體積分?jǐn)?shù)相等的情況下，碳纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別為1666MPa 與99GPa，玻璃纖維+芳綸纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別為1639MPa與75GPa。兩種不同纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，這是因?yàn)樘祭w維與芳綸纖維制作的層合板的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)。但是芳綸纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料拉伸模量弱于碳纖維+玻璃纖維制成的復(fù)合材料，這是由混雜復(fù)合材料中芳綸纖維的模量要遠(yuǎn)小于碳纖維的模量所致。由于芳綸纖維具有很高的韌性，而碳纖維的韌性低，因而在與玻璃纖維相結(jié)合時(shí)，采用芳綸纖維混雜制成的復(fù)合材料具有更高的韌性。從拉伸性能角度考慮，可以綜合利用碳纖維的高模量、高強(qiáng)度和玻璃纖維與芳綸纖維的高韌性而獲得強(qiáng)度、模量和韌性都滿(mǎn)足需求的混雜纖維復(fù)合材料。

表2 混合鋪層預(yù)浸料的混雜復(fù)合材料層合板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of hybrid composite laminates with mixed layup prepreg

高強(qiáng)玻璃纖維和碳纖維混雜的壓縮強(qiáng)度（836MPa）與壓縮模量（92GPa）高于高強(qiáng)玻璃纖維與芳綸纖維混雜的壓縮強(qiáng)度（640MPa）與壓縮模量（70GPa），這是因?yàn)榉季]纖維單種纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度低造成。高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸混雜的斷裂伸長(zhǎng)率（1.56%）大于高強(qiáng)玻璃纖維和碳纖維混雜的復(fù)合材料（0.87%），表征了芳綸纖維優(yōu)良的韌性，但與單種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，混雜纖維復(fù)合材料都明顯優(yōu)秀地提升了抗沖性能與斷裂伸長(zhǎng)率。從以上結(jié)果可見(jiàn)，不同纖維混合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。通過(guò)不同的鋪層設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性，達(dá)到使用要求。

混雜復(fù)合材料失效模擬

1 復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則

在本文中，層內(nèi)損傷是通過(guò)單元的損傷失效進(jìn)行判斷的，在模擬中使用Hashin 準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合材料層內(nèi)損傷進(jìn)行評(píng)估，Hashin 準(zhǔn)則如下[17]：

纖維拉伸失效σ11≥0

其中，Xt為纖維方向拉伸強(qiáng)度，Sl為剪切強(qiáng)度。

我被以?xún)扇f(wàn)的價(jià)格，賣(mài)到了賈鵬飛所在的那個(gè)木材加工廠。袁林雖然受了批評(píng)，但死樹(shù)的事是經(jīng)常發(fā)生的，也沒(méi)有人深究。

纖維壓縮失效σ11≤0

其中，Xc為纖維壓縮強(qiáng)度。

基體拉伸失效σ22≥0

這里Yt為基體方向拉伸強(qiáng)度。

基體壓縮失效σ22≤0

這里系數(shù)α是剪切應(yīng)力對(duì)纖維拉伸失效判據(jù)的影響系數(shù)（本文設(shè)定α=0）。

本文采用雙線性漸進(jìn)損傷模型，參數(shù)dI表示I 型模型的損傷變量，剛度退化的損傷模型的表達(dá)式定義為[7]：

這里表示在損傷起始時(shí)的等效應(yīng)力。

2 有限元建模過(guò)程

針對(duì)復(fù)合材料的拉伸及壓縮性能，對(duì)碳纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料和芳綸纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料進(jìn)行建模，如圖3 所示。模型中單層碳纖維預(yù)浸料、高強(qiáng)度玻璃纖維預(yù)浸料及芳綸纖維預(yù)浸料的厚度分別為0.125mm、0.5mm 和0.25mm。每個(gè)鋪層單獨(dú)建立一個(gè)部件，各個(gè)部件之間以綁定的方式約束在一起。各單層預(yù)浸料對(duì)應(yīng)的材料模量及強(qiáng)度采用表1 和表2 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039 及ASTM D6641 設(shè)計(jì)復(fù)合材料拉伸及壓縮試件尺寸，分別為250mm×15mm×2mm及140mm×12mm×2mm。

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行數(shù)值分析，并采用UMAT 子程序編寫(xiě)用戶(hù)自定義的材料屬性以引入強(qiáng)度準(zhǔn)則及失效判據(jù)，使用小變形靜態(tài)分析Standard 模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。其模型下端均設(shè)置為固定端，即，U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，模型上端賦予位移邊界條件。以復(fù)合材料的每一層建立一個(gè)分析部分，對(duì)于碳纖維+高強(qiáng)度玻璃纖維混雜復(fù)合材料，建立8 個(gè)分析部分；而對(duì)于高強(qiáng)度玻璃纖維+芳綸纖維混雜復(fù)合材料，則建立6 個(gè)分析部分。采用沙漏模式的連續(xù)殼單元SC8R 進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對(duì)試件每一部分分別劃分網(wǎng)格，沿著長(zhǎng)和寬方向的剖分尺寸為3mm，而沿著厚度方向，每層復(fù)合材料僅建立單層的網(wǎng)格。碳纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維混雜復(fù)合材料層合板的拉伸試件節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格數(shù)分別為8064 個(gè)和3320 個(gè)；碳纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維混雜復(fù)合材料層合板的壓縮試件節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格數(shù)分別為3480個(gè)和1504 個(gè)；芳綸纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維混雜復(fù)合材料層合板的拉伸試件節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格數(shù)分別為6048 個(gè)和2490 個(gè)；芳綸纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維混雜復(fù)合材料層合板的壓縮試件節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格數(shù)分別為2880 個(gè)和1128 個(gè)。加密網(wǎng)格，對(duì)試件每一部分沿著長(zhǎng)和寬方向，剖分尺寸為1.5mm，而沿著厚度方向，每層復(fù)合材料仍然建立單層的網(wǎng)格。將兩種網(wǎng)格下的應(yīng)力–應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)格密度下的模擬誤差在1%以?xún)?nèi)，因而認(rèn)為本文的模擬網(wǎng)格是收斂的。

3 有限元分析結(jié)果

通過(guò)上文對(duì)混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)描述，復(fù)合材料拉伸與壓縮的形變率（ε=△l/l）均小于2.5%，算作小變形，因而對(duì)于應(yīng)力的運(yùn)算，直接使用σ=F/A對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。將3 種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料與兩種混雜纖維復(fù)合材料的拉伸與壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬結(jié)果共同分析，如圖4 所示。將圖4（a）結(jié)合表3 分析，有限元的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在材料性能方面一致。單一纖維的復(fù)合材料拉伸與壓縮力學(xué)性能的試驗(yàn)與有限元對(duì)比，試驗(yàn)與有限元模型得到的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量的差異均小于3%，因此認(rèn)為模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比良好，也驗(yàn)證了有限元模型的可行性，并可以通過(guò)有限元方法對(duì)鋪層方式的優(yōu)化進(jìn)行理論分析。在數(shù)值計(jì)算的結(jié)果中，在拉伸的受力條件下，3233G/ZT7H 碳纖維復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度較大，分別為135GPa 和2491MPa。芳綸纖維的強(qiáng)度也較高，拉伸性能相對(duì)較好，其對(duì)應(yīng)的模量和強(qiáng)度分別為79GPa 和2084MPa。而玻璃纖維的拉伸模量及強(qiáng)度都較低，分別為65GPa 與1437MPa。而韌性方面，芳綸纖維體現(xiàn)了較高的韌性（2.77%），玻璃纖維的韌性也較高，為2.28%，而碳纖維體現(xiàn)了更高的脆性，其延伸率只有1.79%。在單一纖維復(fù)合材料壓縮的模擬結(jié)果中，碳纖維體現(xiàn)了較高的壓縮模量，為126GPa，遠(yuǎn)大于芳綸纖維的89GPa 和玻璃纖維的61GPa。然而與拉伸性能不同的是，玻璃纖維體現(xiàn)了較高的壓縮強(qiáng)度和延伸率，分別達(dá)到1056MPa 和1.6%。而碳纖維的壓縮強(qiáng)度與延伸率居中，分別為805MPa 和0.78%。特別地，F(xiàn)–12 芳綸纖維體現(xiàn)了較低的壓縮強(qiáng)度和壓縮變形率，分別為361MPa 與0.44%。

將圖4（b）與表4 結(jié)合分析，可以看到混雜纖維復(fù)合材料在拉伸與壓縮過(guò)程的有限元和試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比。兩者誤差均在理想范圍內(nèi)，因此認(rèn)為結(jié)論正確。試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果得到的復(fù)合材料性能特征相同。在有限元混雜纖維的拉伸結(jié)果中，碳纖維+玻璃纖維混雜與芳綸纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸模量分別為94GPa 和72GPa，這是由于碳纖維具有很高的拉伸性能。而碳纖維+玻璃纖維混雜與芳綸纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度接近，分別為1769MPa和1670MPa。雖然碳纖維具有較高的模量，但是其韌性遠(yuǎn)不如芳綸纖維，因而芳綸纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率（2.69%）大于碳纖維+玻璃纖維混雜的復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率（1.71%）。當(dāng)試件發(fā)生壓縮時(shí)，由于芳綸纖維的壓縮性能較差，芳綸纖維與玻璃纖維結(jié)合形成的混雜復(fù)合材料的模量（66GPa）及強(qiáng)度（651MPa）遠(yuǎn)低于碳纖維與玻璃纖維形成的混雜復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的數(shù)值（91GPa、848MPa）。對(duì)于變形率，芳綸纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料（1.58%）大于碳纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料（0.92%）。因而，在復(fù)合材料混雜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際的受力情況來(lái)選擇使用的纖維類(lèi)型，同時(shí)也要考慮其復(fù)合材料的變形情況。在以拉伸為主的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將碳纖維的高拉伸模量、高拉伸強(qiáng)度與芳綸纖維的高韌性結(jié)合；而在以壓縮為主的復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，可以使用高模量的碳纖維結(jié)合高壓縮強(qiáng)度及高壓縮變形的玻璃纖維，達(dá)到復(fù)合材料性能的最優(yōu)化。

圖3 復(fù)合材料有限元模型Fig.3 Finite element model of the composite specimen

圖4 復(fù)合材料拉伸與壓縮有限元結(jié)果Fig.4 Finite element results of tensile and compression

表3 3233G樹(shù)脂單種纖維預(yù)浸料復(fù)合材料層合板力學(xué)性能對(duì)比Table 3 Mechanical properties of 3233G resin single fiber prepreg composite laminate

表4 混雜復(fù)合材料試驗(yàn)–有限元結(jié)果對(duì)比Table 4 Hybrid composites experiment-FEM results comparison

表5 混雜復(fù)合材料Hashin損傷程度Table 5 Hashin’s damage of hybrid composites

對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行損傷分析，可以得到在不同受力狀況下的Hashin 損傷程度，如表5 所示。表中FC、FT、MC、MT 分別表示Hashin 準(zhǔn)則下的纖維壓縮破壞發(fā)生、纖維拉伸破壞發(fā)生、樹(shù)脂壓縮破壞發(fā)生和樹(shù)脂拉伸破壞發(fā)生。通過(guò)對(duì)圖像中各層的損傷情況分析，對(duì)于3233G/ZT7H 碳纖維與3233G/S4C10–800 高強(qiáng)度玻璃纖維制成的混雜復(fù)合材料，拉伸時(shí)，玻璃纖維層首先發(fā)生破壞，隨后，碳纖維層才破壞；而受壓時(shí)，碳纖維層易破壞，且位于中間的兩個(gè)碳纖維層最先發(fā)生失效。對(duì)于3233G/F–12 芳綸纖維與3233G/S4C10–800 高強(qiáng)度玻璃纖維制成的混雜復(fù)合材料，拉伸時(shí)同樣是玻璃纖維先損傷；壓縮時(shí)，位于中間的兩層芳綸纖維層較快失效，一段時(shí)間后，玻璃纖維層發(fā)生破壞。碳纖維–玻璃纖維混雜的復(fù)合材料及玻璃纖維–芳綸纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差分別為5.8%與3.6%，拉伸模量的偏差分別為5.1%與4.5%，保證了試驗(yàn)與有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可以看出，碳纖維在拉伸性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，玻璃纖維在壓縮性能方面性能很好，而芳綸纖維能夠承受更大的變形，因而韌性很好。在實(shí)際工況下，可以根據(jù)需求對(duì)幾種纖維進(jìn)行混雜優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 給出了碳纖維與玻璃纖維的混雜復(fù)合材料拉伸與壓縮時(shí)各層的應(yīng)力，第1 種混雜方式全場(chǎng)最大應(yīng)力為1281MPa，第2 種混雜方式全場(chǎng)最大應(yīng)力695MPa。在拉伸時(shí)，表層的碳纖維與玻璃纖維最先發(fā)生應(yīng)力的集中，因此這些地方最易發(fā)生破壞。內(nèi)層碳纖維不易發(fā)生破壞。在壓縮時(shí)，各層受到的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，玻璃纖維受到的應(yīng)力集中程度略高，因而當(dāng)復(fù)合材料受壓時(shí)，最終的破壞方式以整體破壞為主。

圖5 碳纖維玻璃纖維混雜復(fù)合材料界面應(yīng)力Fig.5 Interfacial stress of carbon fiber and glass fiber hybrid composites

結(jié)論

（1）采用3233G 中溫固化增韌環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)一步熱熔法制備碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸纖維預(yù)浸料，并制備了層間混雜復(fù)合材料。同時(shí)，對(duì)碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸纖維混雜復(fù)合材料的基本性能進(jìn)行了試驗(yàn)表征，揭示了其混雜效應(yīng)機(jī)制。

（2）對(duì)熱壓罐法成型的單種纖維復(fù)合材料和不同纖維混合鋪層的混雜復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，碳纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別為1666MPa與99GPa，玻璃纖維+芳綸纖維混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別為1639MPa 與75GPa，兩種不同纖維混雜的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，但是芳綸纖維+玻璃纖維混雜復(fù)合材料的拉伸模量低于碳纖維+玻璃纖維制成的復(fù)合材料。

（3）建立了混雜復(fù)合材料有限元模型，實(shí)現(xiàn)了失效力學(xué)模擬與分析，有限元預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果的強(qiáng)度的相對(duì)誤差控制在6%以?xún)?nèi)。