兩種成型工藝碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉壓力學(xué)性能與破壞機(jī)制

鐘正，程從前，孟憲明，曹鐵山，黃亞烽、趙杰

(1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

碳纖維(CF)/環(huán)氧樹脂(EP)復(fù)合材料是一種具有高比強(qiáng)度、高比剛度以及較強(qiáng)耐腐蝕性的輕量化材料，在汽車、航空航天、軍工武器、高速動(dòng)車等行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景[1-4]。CF/EP復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用，可降低材料的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，已成為近年來(lái)碳纖維復(fù)合材料制備與應(yīng)用研發(fā)中的重要內(nèi)容[5-7]。其中，高壓-樹脂傳遞模塑(HP-RTM)和濕法壓膜(WCM)這兩種成型工藝，與手糊成型等傳統(tǒng)成型工藝相比，能在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模零部件的生產(chǎn)[8]。

在這些碳纖維部件使用過(guò)程中不可避免地要受到拉伸、沖擊、彎曲、剪切等作用[9]。為了評(píng)價(jià)復(fù)合材料的好壞和適用性，作為一個(gè)重要指標(biāo)，越來(lái)越多的研究者開始對(duì)同種工藝、不同工藝參數(shù)制作的復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。李曄[10]等研究了不同纖維體積含量的國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，采用RTM工藝成型的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料纖維體積含量上限為68%，厚度越厚纖維體積含量越低，0 °拉伸強(qiáng)度越低，90 °壓縮強(qiáng)度越高。MasakazuMigaki和Keisuke Ono[11]等研究了手糊成型中，各階段工作時(shí)間和復(fù)合材料拉伸性能的關(guān)系，結(jié)果表明脫氣階段對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料的拉伸性能影響較大。王英男和劉國(guó)峰[12]等研究了WCM工藝中浸潤(rùn)時(shí)間和固化壓力兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)制備碳纖維復(fù)合材料層合板的微觀形貌和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為4 min、固化壓力1 MPa時(shí)，層合板的成型質(zhì)量最好，界面缺陷較少，力學(xué)性能優(yōu)良，相對(duì)提高5%～11.45%；隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，力學(xué)性能先迅速增大后趨于平緩，隨著固化壓力的增加，層合板的纖維體積含量和力學(xué)性能都逐漸增加，在浸潤(rùn)時(shí)間10 min/固化壓力1.5 MPa時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)和拉伸模量達(dá)到最大值為66.12%和86.5 GPa。

相較于傳統(tǒng)材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因組織和性能的各向異性特點(diǎn)，其力學(xué)性能和斷裂形式更為復(fù)雜，需從拉、壓等不同角度開展測(cè)試和分析[13-14]。目前不同成型工藝制造CF/EP層合板力學(xué)性能對(duì)比的研究鮮有報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)比HP-RTM工藝和WCM工藝制備的碳纖維復(fù)合材料單向帶層合板拉伸和壓縮力學(xué)性能，評(píng)價(jià)不同工況下二者力學(xué)性能的優(yōu)劣程度并分析其原因，為其在工業(yè)工程上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料及成型工藝

本文研究的兩種不同成型工藝制備方法得到的樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向帶層合板均由凱勒(南京)新材料科技有限公司生產(chǎn)，分別采用高壓-樹脂傳遞成型工藝(HP-RTM)和濕法壓膜成型工藝(WCM)制備。兩種碳纖維復(fù)合材料單向帶層合板除成型工藝不同外，其所使用的碳纖維和環(huán)氧樹脂等原材料均一致。下文用其成型工藝名稱HP-RTM和WCM進(jìn)行編號(hào)和區(qū)分。

1.2 試驗(yàn)與表征方法

樹脂基碳纖維復(fù)合材料板材經(jīng)取樣和砂紙打磨拋光后，采用LEICA DMi8型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察；樹脂基碳纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，依照測(cè)試需求加工式樣和粘貼加強(qiáng)片。試驗(yàn)設(shè)備為CMT5205型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度設(shè)定為2 mm/min，測(cè)試精度為0.5%級(jí)，最大測(cè)試載荷為200 kN；采用SUPARR 5503010702型掃描電鏡對(duì)試樣破壞后形貌進(jìn)行觀察。

表1 CF/EP復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種成型工藝制備的CF/EP復(fù)合材料金相組織對(duì)比

圖1為HP-RTM工藝和WCM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料組織對(duì)比圖。HP-RTM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料中，纖維分布相對(duì)密集并且具有良好的一致性，樹脂分布均勻，無(wú)明顯缺陷，但是其纖維與樹脂基體結(jié)合處存在大量小裂紋和孔洞等微觀缺陷，如圖1(a)所示。WCM存在局部的纖維錯(cuò)位現(xiàn)象，纖維朝向一致性較差，纖維分布不均勻，導(dǎo)致部分地區(qū)纖維密度較低，樹脂基體存在相對(duì)較大的孔洞；但纖維樹脂結(jié)合較好，界面處沒(méi)有明顯的裂紋等缺陷。該結(jié)果表明，HP-RTM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料整體組織的一致性和均勻性要優(yōu)于WCM工藝，但是其纖維和樹脂相結(jié)合的界面要劣于WCM。

圖1 兩種工藝制備的CF/EP復(fù)合材料組織對(duì)比

研究表明[17]，HP-RTM采用樹脂的高壓注入和高溫固化成型同時(shí)進(jìn)行的方式，在成型過(guò)程中有足夠的樹脂補(bǔ)充，從而使樹脂基體分布均勻，但是這也造成了纖維與基體的浸潤(rùn)時(shí)間不足，從而在結(jié)合界面處產(chǎn)生缺陷。而WCM工藝采用噴淋樹脂后再經(jīng)高溫高壓成型的方法，在纖維和基體有足夠浸潤(rùn)時(shí)間條件下，形成了良好的接觸界面；但是由于沒(méi)有后續(xù)樹脂補(bǔ)充，碳纖維和樹脂不同固化收縮率使樹脂基體中出現(xiàn)孔隙或孔洞等缺陷。

2.2 兩種成型工藝制備的CF/EP復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比

圖2所示為兩種成型工藝制備的CF/EP復(fù)合材料單向板在準(zhǔn)靜態(tài)拉壓試驗(yàn)下的載荷-位移曲線。兩種工藝制備CF/EP復(fù)合材料層合板在拉伸載荷作用下，力與位移響應(yīng)呈線性關(guān)系，表明該復(fù)合材料拉伸斷裂行為具有脆性材料特征[18]，如圖2(a)和(b)所示。其中HP-RTM樣品0 °拉伸中在快速斷裂前還呈現(xiàn)了一定的鋸齒狀波動(dòng)，文獻(xiàn)[19]表明，該鋸齒狀與纖維間裂紋的擴(kuò)展有關(guān)。在壓縮條件下，兩種層合板壓縮力-位移響應(yīng)在到達(dá)極限位移的一半之前，基本保持呈線性關(guān)系；在靠近極限位移時(shí)，響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性，破壞時(shí)的切向斜率低于初始部分切向斜率，如圖2(c)和(d)所示。

圖2 拉壓試驗(yàn)載荷-位移曲線

根據(jù)圖2的載荷-位移曲線并結(jié)合DIC的應(yīng)變結(jié)果，綜合分析拉壓過(guò)程中的力學(xué)性能指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。在0 °拉伸載荷下，HP-RTM工藝制備的單向碳纖維復(fù)合材料平均拉伸強(qiáng)度為1 367.2 MPa，平均拉伸模量為118.9 GPa，而WCM工藝的平均拉伸強(qiáng)度為1 246.7 MPa，平均拉伸模量為115.4 GPa；在90 °拉伸載荷下，HP-RTM工藝的平均拉伸強(qiáng)度為36.4 MPa，平均拉伸模量為5.6 GPa，WCM工藝的平均拉伸強(qiáng)度為31.3 MPa，平均拉伸模量為5.3 GPa。在0 °壓縮載荷下，HP-RTM工藝的平均壓縮強(qiáng)度為630.8 MPa，平均壓縮模量為99.6 GPa，而WCM工藝的平均壓縮強(qiáng)度為556.2 MPa，平均拉伸模量為99.8 GPa；在90 °壓縮載荷下，HP-RTM工藝的平均壓縮強(qiáng)度為110.7 MPa，平均壓縮模量為5.4 GPa，WCM工藝的平均壓縮強(qiáng)度為103.4 MPa，平均拉伸模量為5.3 GPa。

圖3 兩種工藝制備CF/EP復(fù)合材料力學(xué)性能

由圖3可知，兩種材料在0 °拉壓載荷下的強(qiáng)度和模量均高于90 °，表明單向?qū)雍习辶W(xué)性能具有典型的各項(xiàng)異性特性[20]；HP-RTM工藝制備的單向?qū)雍习甯黜?xiàng)拉壓力學(xué)性能高于WCM工藝。結(jié)合圖2曲線還發(fā)現(xiàn)，在0 °單軸拉壓載荷下，HP-RTM工藝制備的單向板力學(xué)性能具有較大的波動(dòng)性。

2.3 CF/EP單向復(fù)合材料拉伸破壞形式

圖4為兩種工藝制備樣件的宏觀破壞形貌對(duì)比。根據(jù)圖像可知，HP-RTM工藝制備的單向?qū)雍习逶? °拉伸的宏觀破壞模式為測(cè)試段呈現(xiàn)爆炸破壞模式 (XGM型)[15]，纖維與基體界面完全崩裂破碎；WCM 試樣的0 °拉伸宏觀破壞模式為測(cè)試段劈裂破壞模式(SGM型)[15]，試樣測(cè)試段沿著纖維方向出現(xiàn)纖維與基體界面縱向劈裂破壞，并且在夾持端附近發(fā)生橫向纖維斷裂，斷裂位置呈無(wú)序分布[21]。在90 °拉伸條件下兩種試樣宏觀破壞模式均為測(cè)試段橫向斷裂模式(LGU型)[15]，但斷裂位置不確定。在壓縮條件下，兩種材料宏觀壓縮破壞模式一致，均以測(cè)試段橫向剪切失效模式(HAT)[16]型為主，即在測(cè)試段由于壓縮應(yīng)力引起具有一定傾斜角的斷裂面橫向剪切失效模式[22]，但是在0 °壓縮時(shí)，WCM工藝的破壞形貌存在輕微的開裂現(xiàn)象。

圖4 宏觀破壞形貌對(duì)比

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用過(guò)程中，設(shè)計(jì)者往往采用0 °纖維方向?yàn)橹饕芰Ψ较?，因此在受? °方向載荷的破壞形貌更加值得關(guān)注。為了進(jìn)一步了解0 °載荷下的微觀破壞形貌區(qū)別，采用掃描電鏡對(duì)試樣破壞斷口進(jìn)行觀察。圖5為兩種成型工藝制備的CF/EP復(fù)合材料0 °破壞后端口形貌SEM圖像。在受到0 °拉伸載荷時(shí)，HP-RTM成型試樣斷口形貌發(fā)現(xiàn)，其整個(gè)斷面高度落差較大，纖維束斷面中呈現(xiàn)纖維絲脫粘拔出的現(xiàn)象，在高倍放大條件下發(fā)現(xiàn)整個(gè)纖維束的邊界模糊，有黏連的樹脂碎片，如圖5(a)所示；WCM成型試樣斷口盡管也呈現(xiàn)纖維束脫粘拔出；但是在高倍放大下，整個(gè)纖維束斷面平整、沒(méi)有發(fā)生纖維絲的脫粘拔出，如圖5(b)所示。該結(jié)果表明HP-RTM成型材料的纖維和樹脂界面結(jié)合相對(duì)較差。

在0 °壓縮載荷時(shí)，HP-RTM成型試樣斷口上的層間樹脂基體并不明顯，也沒(méi)有明顯的裂紋產(chǎn)生，如圖5(c)所示；而由WCM成型工藝制作的試樣斷口上的層間樹脂與纖維有明顯的界限，并且在層間樹脂基體附近有裂紋產(chǎn)生，如圖5(d)所示。這表明，WCM工藝試樣纖維層與纖維層之間結(jié)合不緊密，層間性能較差。

圖5 兩種工藝制備的CF/EP復(fù)合材料0 °拉伸和壓縮斷口形貌SEM圖像

結(jié)合力學(xué)測(cè)試和組織觀察結(jié)果分析，兩種工藝斷裂模式差異是因?yàn)樘祭w維的強(qiáng)度和模量均高于樹脂基體，在受到沿纖維方向的拉伸載荷時(shí)，碳纖維為主要承力組織，樹脂基體和纖維與樹脂基體的結(jié)合界面負(fù)責(zé)傳遞載荷，由于HP-RTM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料纖維和樹脂界面存在較多缺陷，導(dǎo)致載荷傳遞性能較差并且容易形成平行與纖維方向的損傷擴(kuò)展，使得載荷-位移曲線波動(dòng)、力學(xué)性能穩(wěn)定性差，并且隨著損傷累計(jì)在到達(dá)破壞峰值時(shí)，產(chǎn)生爆破破壞；而WCM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料雖然纖維和樹脂界面缺陷較少但是樹脂基體存在空洞缺陷，容易誘發(fā)縱向劈裂，最后造成劈裂破壞[21]。在受到壓縮載荷時(shí)，斷裂形式類似于混凝土和灰鑄鐵等脆性材料的壓縮斷裂模式[23]，其本質(zhì)為在與軸線成45 °的斜面上具有最大的剪應(yīng)力，特別在沿纖維方向壓縮時(shí)會(huì)在斷裂位置由于纖維微屈曲和樹脂塑性變形，形成一個(gè)扭結(jié)帶，最后因?yàn)槔w維和基體的抗剪性能差造成斷裂失效[24-25]，而由于WCM工藝層間性能較差，在受到0 °壓縮時(shí)，斷口附近存在輕微的層間開裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)對(duì)HP-RTM和WCM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料層合板組織分析表明，HP-RTM成型材料的纖維分布一致性和樹脂基體均勻性均優(yōu)于WCM成型材料；兩種材料在0 °和90 °拉壓載荷下均具有明顯的各向異性；其中HP-RTM成型材料的平均拉壓強(qiáng)度和模量均高于WCM成型材料，但0 °拉壓載荷測(cè)試結(jié)果的離散程度相對(duì)較高。

(2)結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示，由于HP-RTM工藝制備的CF/EP復(fù)合材料的纖維分布的一致性和樹脂基體的均勻性，使得其綜合力學(xué)性能優(yōu)于WCM工藝；界面性能低于WCM，使其在受到0 °拉壓載荷時(shí)測(cè)試結(jié)果離散程度較高，力學(xué)性能穩(wěn)定性差。

(3)對(duì)0 °拉壓條件下樣品斷裂宏觀和斷口微觀形貌分析表明，在拉伸測(cè)試條件下，HP-RTM成型材料破壞模式為爆炸破壞，纖維束和束間纖維絲均呈現(xiàn)爆炸式斷裂；WCM成型材料為劈裂破壞型，斷口形貌呈現(xiàn)纖維束間縱向劈裂破壞；在壓縮條件下，盡管兩種材料破壞模式均為受剪斷裂破壞型，但相比于WCM材料，HP-RTM材料層間性能更好，在斷口附近沒(méi)有明顯的層間裂紋產(chǎn)生。