碳纖維、碳/玻混雜纖維層合板力學(xué)性能對比研究

王 震，常新龍，張有宏，王 偉，胡 寬

(火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

1 引言

碳纖維復(fù)合材料具有比模量大、比強(qiáng)度大、耐高溫、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)戎匾I(lǐng)域。目前，我國固體火箭發(fā)動機(jī)大都采用T700碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，其纏繞成型可廣泛用于火箭殼體、壓力容器、管道等系列復(fù)合材料產(chǎn)品的制造，發(fā)展較為成熟[1]。但碳纖維復(fù)合材料價(jià)格不菲，尋找制造成本較低、力學(xué)性能相近的替代型纖維復(fù)合材料十分重要。混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型復(fù)合材料，是指由2種或2種以上纖維增強(qiáng)、一種或多種基體，通過協(xié)調(diào)匹配、取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同混雜效應(yīng)的復(fù)合材料[2]。通過改變纖維的種類、混雜比例、混雜方式等，可以獲得不同性能的混雜復(fù)合材料[3]。

陳慶林[4]制備了碳/玻層內(nèi)混雜復(fù)合材料、層間混雜復(fù)合材料，通過拉伸試驗(yàn)對比分析不同纖維種類的混雜效應(yīng)；楊松[5]采用不同結(jié)構(gòu)的混雜纖維進(jìn)行復(fù)合材料力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度差別較小；Jalalvand等[6]提出了基于有限元的新方法，模擬拉伸載荷作用下碳/?；祀s纖維層合板可能發(fā)生的所有損傷模式。

目前，國內(nèi)外研究內(nèi)容大多針對碳/玻層間或?qū)觾?nèi)混雜纖維復(fù)合材料層合板某一個對象，并結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)，對比分析不同材料組成成分的影響。但對于碳纖維與碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板對比研究較少，在材料臨界強(qiáng)度下，是否可以采用碳/?；祀s纖維復(fù)合材料層合板替代碳纖維復(fù)合材料層合板來降低成本有待研究。

本研究以碳纖維復(fù)和碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板兩類試件為研究對象，建立相同邊界條下的層合板有限元模型，并進(jìn)行軸向載荷下的力學(xué)性能測試仿真和試驗(yàn)，通過對比分析產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果云圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同材料層合板較容易失效的部位，討論兩者的力學(xué)性能差異，探究碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板是否滿足設(shè)計(jì)使用需求，何種情況下可以替代碳纖維復(fù)合材料層合板。

2 碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板建模

本研究所采用的碳纖維復(fù)合材料層合板是以纖維纏繞固體火箭發(fā)動機(jī)殼體為背景，采用與纖維纏繞殼體相同的鋪層順序與鋪層角度、鋪層厚度，為火箭發(fā)動機(jī)殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。碳纖維復(fù)合材料層合板是由單層板粘合而成，與各單層板材料性能密切相關(guān)，本文碳纖維復(fù)合材料層合板采用T700碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制得，共有90°、±28°三個方向的鋪層，鋪層順序?yàn)閇90°2/±28°]3，復(fù)合材料層合板試件尺寸為150 mm×35 mm×1.8 mm，單層板厚度為0.15 mm，碳纖維復(fù)合材料層合板材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂材料力學(xué)性能參數(shù)

采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Hyper Works中的PLY建模方式，建立碳纖維復(fù)合材料層合板有限元模型，PLY指與實(shí)際的物理單層對應(yīng)，具有材料、形狀、厚度和纖維取向的屬性，需要在創(chuàng)建中定義形狀，有多少實(shí)際的物理單層，即要建立多少不同的PLY。對碳纖維復(fù)合材料層合板采用自由四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，因所構(gòu)建模型及單元質(zhì)量較小，采用固定單元數(shù)的網(wǎng)格劃分方法。

王慶濤等[7]通過大量不同層間混雜復(fù)合材料對比，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維夾雜碳纖維含量1∶1時(shí)，層間混雜復(fù)合材料強(qiáng)度相對較高；董安琪等[8]制備6種不同結(jié)構(gòu)的混雜復(fù)合材料，結(jié)果表明外層為玻纖的混雜纖維復(fù)合材料較外層碳纖的混雜纖維復(fù)合材料拉伸模量等性能優(yōu)異。故本文碳?；祀s纖維復(fù)合材料層合板最外側(cè)3層均為玻纖，中間6層為碳纖，玻璃纖維夾雜碳纖維，玻璃纖維材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。采用90°、±28°三個方向的鋪層角度，鋪層順序?yàn)閇90°2/±28°]3，與碳纖維復(fù)合材料層合板相同，層合板試件尺寸為150 mm×35 mm×1.8 mm，單層板厚度為0.15 mm。

表2 玻璃纖維材料力學(xué)性能參數(shù)

采用與碳纖維復(fù)合材料層合板相同的建模方式，建立碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板。

分別建立碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板的有限元模型，劃分相同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，設(shè)定相同的邊界條件，施加邊界載荷，為后續(xù)的力學(xué)試驗(yàn)分析提供基礎(chǔ)。

3 碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)性能分析

分別對碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板長邊一側(cè)施加相同的固定端約束，對復(fù)合材料層合板分別施加1 000 N的軸向拉應(yīng)力，邊界條件如圖1所示，分析復(fù)合材料層合板力學(xué)性能。

圖1 碳纖維、碳/?；祀s纖維層合板邊界條件示意圖

碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受軸向載荷時(shí)，產(chǎn)生的形變量結(jié)果如圖2所示。

圖2 碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板形變量示意圖

由圖2表明，碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受相同大小軸向載荷時(shí)，碳纖維復(fù)合材料層合板產(chǎn)生最大形變量為0.107 mm，碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板產(chǎn)生最大形變量為0.141 mm；圖2(a)、圖2(b)對比分析可知，碳纖維復(fù)合材料層合板與碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受相同大小軸向載荷時(shí)，產(chǎn)生形變量較為接近，產(chǎn)生形變量最大值均集中在層合板短邊兩側(cè)，層合板中段應(yīng)變逐漸減小，層合板短邊兩側(cè)容易發(fā)生斷裂失效，斷裂部位接近。

碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受軸向載荷時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板應(yīng)力云圖

如圖3(a)所示，碳纖維復(fù)合材料層合板承受軸向載荷時(shí)，產(chǎn)生最大應(yīng)力為184.0 MPa，應(yīng)力主要集中在層合板短邊兩側(cè)，向?qū)雍习逯卸沃饾u減小，最容易發(fā)生斷裂失效部位是層合板短邊兩側(cè)，復(fù)合材料單層板疊合組成層合板后，由于疊合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)，層合板的強(qiáng)度通常會高于各單層板獨(dú)自承載時(shí)所發(fā)揮的強(qiáng)度。此時(shí)，層合板的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限。

如圖3(b)所示，碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受相同軸向載荷時(shí)，應(yīng)力集中在復(fù)合材料層合板短邊兩側(cè)，故容易發(fā)生斷裂失效，產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為184.3 MPa，層合板中段應(yīng)力最小。

由圖3(a)、圖3(b)對比分析可知，碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板短邊兩端承受相同載荷時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力最大相差0.16%，應(yīng)力集中部位具有一致性，易發(fā)生斷裂失效部位相似，應(yīng)力均向?qū)雍习逯卸芜f減，力學(xué)拉伸性能相似。

4 碳纖維、碳玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板對比試驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)儀器、材料及試驗(yàn)方案

針對碳纖維、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板，采用力學(xué)拉伸試驗(yàn)，研究它們的承載能力是否具有較大差異，試驗(yàn)設(shè)備采用CMT系列微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該電子萬能試驗(yàn)機(jī)主要用于金屬、非金屬等材料的拉伸、壓縮等力學(xué)性能的測試和分析研究。試驗(yàn)機(jī)使用穩(wěn)定性較好的門式框架結(jié)構(gòu)，最大量程為200 kN，工作噪音小、穩(wěn)定性高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，帶動移動橫梁上下移動，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)拉伸、壓縮等過程；利用試驗(yàn)機(jī)配套電腦，記錄力學(xué)試驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合后處理模塊對試驗(yàn)結(jié)果圖像曲線再次編輯，試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

圖4 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

本文試驗(yàn)所用對比分析的碳纖維復(fù)合材料層合板、碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板均采用光威復(fù)材公司生產(chǎn)的T700碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制得，復(fù)合材料層合板幾何模型尺寸為150 mm×35 mm×1.8 mm，單層板厚度為0.15 mm，鋪層順序?yàn)閇90°2/±28°]3。

碳纖維復(fù)合材料層合板與碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ISO527—2012《塑料拉伸性能測定》進(jìn)行測試，電子拉力試驗(yàn)機(jī)拉伸加載速率為2 mm/min，利用數(shù)據(jù)采集裝置，記錄試驗(yàn)件的σ-ε曲線，為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，選用碳纖維復(fù)合材料層合板與碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板各3塊，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，直至發(fā)生斷裂，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

材料在受到外力作用時(shí)，會產(chǎn)生變形，在拉伸初始階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線線性分布，成比例直線增加，如果撤掉拉力，材料會恢復(fù)原狀，此時(shí)為彈性變形階段，此后，隨著拉力繼續(xù)增加，材料會發(fā)生塑性變形，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非直線性變化，直至層合板斷裂。通常而言，碳纖維復(fù)合材料層合板在拉伸載荷的作用下，共分為彈性變形階段、非彈性變形階段、層合板斷裂失效3個階段，分別對2種不同材料的層合板試驗(yàn)過程進(jìn)行圖像采集，碳纖維復(fù)合材料層合板經(jīng)過力學(xué)拉伸試驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示。

碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)拉伸試驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示。

拉伸載荷首先作用于層合板的基體上，基體承載能力較小，最先發(fā)生基體破壞，軸向拉伸載荷作用于復(fù)合材料的纖維上，最終纖維破壞，層合板斷裂失效。由圖5、圖6可知，纖維復(fù)合材料是非金屬材料，不考慮圖像中的上下屈服點(diǎn)，在σ-ε曲線上，根據(jù)斷裂點(diǎn)的最大拉力判斷層合板的極限承載能力。

圖6 碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板拉伸試驗(yàn)曲線

如圖5所示，碳纖維層合板的應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)圖基本相似，與仿真具有較好的一致性，經(jīng)過彈性變形階段，發(fā)生塑性變形，最終發(fā)生層合板斷裂失效，3個碳纖維層合板承受最大拉力分別為：8 766 N、8 244 N、8 884 N，取3組拉伸試驗(yàn)最大應(yīng)力平均值8630 N，即為碳纖維復(fù)合材料層合板極限承載能力。

圖5 碳纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)拉伸試驗(yàn)曲線

如圖6所示，應(yīng)力應(yīng)變曲線無激增點(diǎn)，整體曲線分布與圖5相似，擬合度較高的層合板應(yīng)力最大值分別為：4 818 N、4 778 N、4 955 N，取3組拉伸試驗(yàn)最大應(yīng)力平均值4 850 N，即為碳/玻層間混雜纖維層合板極限承載能力。

在拉伸過程中的試件與夾具有可能發(fā)生相對位移，導(dǎo)致試件最大位移和最大拉伸應(yīng)力偏大；

另外，如試驗(yàn)機(jī)傳感器老化，記錄數(shù)據(jù)也會存在一定偏差，應(yīng)力應(yīng)變曲線滯后，導(dǎo)致試驗(yàn)采集層合板的最大位移與最大拉應(yīng)力小于實(shí)際最大位移與最大應(yīng)力。

5 結(jié)論

1)有限元仿真對比分析碳纖維與碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板承受相同大小的軸向拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變相差較小，可以考慮在復(fù)合材料層合板臨界載荷下，使用碳/玻層間混雜纖維替代碳纖維復(fù)合材料層合板；

2)力學(xué)拉伸試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果具有較好的一致性，考慮試驗(yàn)誤差的影響，留有10%的可靠性余量，在層合板承受最大拉應(yīng)力，即受到4 365 N的臨界軸向載荷時(shí)，碳/玻層間混雜纖維復(fù)合材料層合板可以替代碳纖維復(fù)合材料層合板；受到玻璃纖維的影響，其抗彎曲能力相對較好，臨界屈曲載荷也高于碳纖維復(fù)合材料層合板，可以滿足使用需求，適當(dāng)降低制造成本。