混雜纖維增強(qiáng)的中溫固化高韌性環(huán)氧復(fù)合材料研究

烏云其其格，付宇彤，姚學(xué)鋒

(1.中國航空制造技術(shù)院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300;2.清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084)

0 引言

航空用復(fù)合材料分為樹脂基復(fù)合材料(PMC)、金屬基復(fù)合材料(MMC)、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)和碳-碳復(fù)合材料(C/C)等。樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越以及便于功能化和大面積整體成型等顯著優(yōu)點(diǎn)，顯示出比傳統(tǒng)鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料更優(yōu)越的綜合性能，在航空航天領(lǐng)域已獲得大量應(yīng)用。復(fù)合材料的用量已成為飛機(jī)先進(jìn)性乃至航空航天領(lǐng)域先進(jìn)性的一個重要標(biāo)志。隨著對飛機(jī)性能及減重要求的不斷提高，樹脂基復(fù)合材料得到了快速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于各型飛機(jī)。波音B787飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)上采用韌性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料用量達(dá)到50%?？罩锌蛙嚬続380飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)25%，近30噸，機(jī)翼蒙皮、襟翼、副翼、翼身整流罩、尾翼和發(fā)動機(jī)短艙均采用復(fù)合材料。A350飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到52%[1-4]。樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)包括層壓結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)。層壓結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料由基體樹脂和增強(qiáng)纖維組成。夾層結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料由增強(qiáng)纖維、基體樹脂、夾層結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)芯材(蜂窩芯材、泡沫)組成。增強(qiáng)纖維是復(fù)合材料的主要組成部分，它起著提高樹脂基體的強(qiáng)度、模量和耐磨等作用。目前航空用樹脂基復(fù)合材料指的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)纖維的不同，其主要分為碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、芳綸復(fù)合材料(AFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)等。這些不同的纖維復(fù)合材料都具有其各自的特點(diǎn)，如玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)成本低，但其比剛度??；碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的比強(qiáng)度和比剛度都高，但其斷裂伸長率低；芳綸復(fù)合材料(AFRP)的斷裂伸長率高，耐磨性和阻燃性好，但其壓縮強(qiáng)度低[5-9]?；祀s復(fù)合材料(HFRC)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的復(fù)合方式的復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)同一種樹脂基體的復(fù)合材料。根據(jù)纖維鋪貼方式的不同，分為層內(nèi)混雜、層間混雜和復(fù)合混雜等多種方式，其中層間混雜是最為常見、最容易實(shí)現(xiàn)的一種復(fù)合方式[10-12]。如果采用兩種或兩種以上纖維并用，混雜得當(dāng)，可以以一種纖維的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)另一種纖維的缺點(diǎn)，能夠取長補(bǔ)短，更好發(fā)揮各自的特點(diǎn)，甚至有協(xié)同效應(yīng)，從而提高復(fù)合材料綜合性能?；祀s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，如沖擊性能、熱性能、摩擦性能、阻尼減震性能、透波性能等。

復(fù)合材料破壞是最容易從界面破壞開始，界面性能用層間剪切強(qiáng)度表征。不同纖維的混雜對樹脂基體有一定的要求，樹脂基體有一定的強(qiáng)度和韌性才能相容不同的斷裂伸長率和界面的纖維[11-16]?；祀s復(fù)合材料的力學(xué)參數(shù)可以建立模型理論估算。Alemi-Ardakani等使用落錘機(jī)在200J的沖擊能量下對碳纖維與玻璃纖維混雜的聚丙烯復(fù)合層壓板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使用Abaqus/Explicit通過Hashin漸進(jìn)損傷標(biāo)準(zhǔn)對層壓板進(jìn)行建模，并驗(yàn)試了理論與實(shí)測的一致性[17]。Naik等采用理論和實(shí)驗(yàn)的方式闡述了混合復(fù)合材料(玻璃-碳/環(huán)氧樹脂)降低缺口敏感性和改善抗沖擊性能方法[18]。Gurusideswar S制備混合(芳綸纖維-石墨/環(huán)氧樹脂)復(fù)合材料，并對其進(jìn)行細(xì)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[19-20]。

本文中討論以一種中溫固化(125 ℃)的增韌環(huán)氧樹脂為基體，以碳纖維、玻璃纖維和芳綸為增強(qiáng)材料的層間混雜復(fù)合材料的性能，并與強(qiáng)度設(shè)計(jì)相結(jié)合，將有限元模擬理論計(jì)算的值與實(shí)際測得的性能進(jìn)行對比，研究結(jié)果對混雜復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和選材具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

樹脂基體：3233G中溫固化(125 ℃)增韌環(huán)氧樹脂體系，一種具有增韌特性的改性環(huán)氧樹脂體系。它具有優(yōu)良的操作及成形條件適應(yīng)性寬闊的特點(diǎn)，尤其適用于制造剝離強(qiáng)度及抗沖擊性能要求較高的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件。固化溫度范圍在100～150 ℃；使用溫度范圍為-55～80 ℃。3233G樹脂可以制成碳纖維、玻璃纖維、芳綸及其織物等多種形式的預(yù)浸料，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

增強(qiáng)材料：S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗，中材科技股份有限公司生產(chǎn)。F-12芳綸，中國航天科工集團(tuán)第六研究院四十六所生產(chǎn)。ZT7H碳纖維(T700級)，中簡科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。不同增強(qiáng)纖維的性能和特征測試結(jié)果見表1。

表1 不同增強(qiáng)纖維的主要性能要求

1.2 主要性能測試

預(yù)浸料物理性能采用分析天平稱重量，烘干揮發(fā)分采用101A-4B型電熱鼓風(fēng)干燥箱。纖維和復(fù)合材料層合板力學(xué)性能在Instron 5582萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。性能測試中所采用的試驗(yàn)方法見表2。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

1.3 預(yù)浸料的制備

3233G樹脂體系既適合溶液法也適用于熱熔法預(yù)浸工藝。熱熔法預(yù)浸工藝分為直接熱熔法(也稱一步法)和膠膜壓延法(也稱兩步法)。本文采用熱熔一步法預(yù)浸工藝，用3233G中溫固化環(huán)氧樹脂分別浸漬ZT7H碳纖維、S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗和F-12芳綸而得到的預(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)，制備出符合指標(biāo)要求的預(yù)浸料(圖1)。其外觀平整、沒有缺陷、黏性適中，預(yù)浸料物理性能滿足表3要求。

圖1 預(yù)浸料的制備

表3 預(yù)浸料的物理性能指標(biāo)

1.4 層合板的制備

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)合材料層合板時按不同的方式層間混合)，將鋪貼好的坯件組合(圖2)，采用熱壓罐成型。預(yù)浸料鋪層的每邊間隔50 mm放置一根玻璃纖維紗，便于導(dǎo)氣。固化工藝如圖3所示。

圖2 預(yù)浸料熱壓罐成型工藝組合

圖3 3233G預(yù)浸料熱壓罐法成型工藝曲線

1.5 層合板的鋪層設(shè)計(jì)

1.5.1 單種纖維的復(fù)合材料層合板

3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料、3233G/F12芳綸預(yù)浸料和3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料的單種纖維層合板按一定尺寸裁剪，鋪貼、組裝、成型、加工成符合要求的試樣。3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料的名義單層厚度控制為0.125 mm±0.02 mm，3233G/F12芳綸預(yù)浸料名義單層厚度控制為0.26 mm±0.03 mm，3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料名義單層厚度控制為0.46 mm±0.04 mm。

1.5.2 混合鋪層的混雜復(fù)合材料層合板

3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料、3233G/F12芳綸預(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，不同混合方式混雜鋪層，經(jīng)熱壓罐成型的復(fù)合材料層合板。復(fù)合材料層合板的鋪層方式、層數(shù)比和體積比例關(guān)系見表4。

表4 復(fù)合材料層合板用預(yù)浸料混合鋪層

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維增強(qiáng)材料性能

對不同纖維進(jìn)行物理和力學(xué)性能性能測試，并與工程指標(biāo)要求進(jìn)行比較(表5)。

表5 增強(qiáng)纖維的主要性能指標(biāo)

從表5見，三種纖維的實(shí)測值都能達(dá)到指標(biāo)要求。從表5也可看出三種纖維的物理和力學(xué)性能特點(diǎn)，為混雜纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。除此之外，碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能。高強(qiáng)玻璃纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高、膨脹系數(shù)低、耐腐蝕、電絕緣等優(yōu)點(diǎn)。芳綸是一種有機(jī)纖維，芳綸以其優(yōu)異的低密度(1.45 g/cm3)、耐磨蝕、耐沖擊、阻燃等特性，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，單獨(dú)或與碳纖維配合使用，在實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量的前提下，對易磨損、易碰撞復(fù)合材料部件實(shí)施外表面的防護(hù)。

2.2 預(yù)浸料物理性能

通過一步熱熔預(yù)浸法，調(diào)整工藝參數(shù)制備三種纖維預(yù)浸料，分別為3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料、3233G/F12芳綸預(yù)浸料和3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料。預(yù)浸料的外觀均勻平整、無干紗、無缺陷，黏性適中，其物理性能見表6。

表6 三種纖維預(yù)浸料物理性能

從表6可見，預(yù)浸料物理性能滿足指標(biāo)要求，外觀和工藝性良好，滿足復(fù)雜曲面制件對預(yù)浸料柔軟性和黏性的要求。

2.3 復(fù)合材料性能

采用熱壓罐法成型，使用3233G/ZT7H碳纖維預(yù)浸料、3233G/F12芳綸預(yù)浸料和3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料分別制作復(fù)合材料層合板，相應(yīng)測試了其力學(xué)性能，結(jié)果見表7。

從表7數(shù)據(jù)可見，碳纖維和高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料層合板的彎曲性能和拉伸性能比較高，這取決于纖維本身的性能。F12芳綸因?yàn)槭侨龁误w合成的雜環(huán)結(jié)構(gòu)的芳綸，所以其拉伸性能也比較高。三種纖維織物層合板的層間剪切強(qiáng)度接近。層間剪切強(qiáng)度的大小與環(huán)氧樹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、纖維與樹脂之間的相容性有關(guān)系。一般情況下，玻璃纖維與樹脂的界面結(jié)合比較好，層間剪切強(qiáng)度高(玻璃纖維表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理)；碳纖維的表面其次；芳綸的表面比較差些。因芳綸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，并且芳綸的韌性大，環(huán)氧樹脂的脆性大，導(dǎo)致芳綸和環(huán)氧樹脂表面相容性差。但本文中采用的環(huán)氧樹脂基體為增韌改性的中溫固化環(huán)氧樹脂，其化學(xué)組成與芳綸表面的相容性好，韌性和芳綸匹配，所以其復(fù)合材料層合板層間剪切強(qiáng)度高。

表7 3233 G樹脂單種纖維預(yù)浸料復(fù)合材料層合板力學(xué)性能

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，按經(jīng)向?qū)?jīng)向鋪層方式混合；3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗預(yù)浸料和3233G/F12芳綸預(yù)浸料，按經(jīng)向?qū)?jīng)向鋪層方式混合。經(jīng)熱壓罐法成型混雜復(fù)合材料層合板，分別測試了其力學(xué)性能，結(jié)果見表8。

表8 樹脂混合鋪層預(yù)浸料的混雜復(fù)合材料層合板力學(xué)性能

從表8結(jié)果可見，兩種不同纖維混雜的復(fù)合材料層合板拉伸性能相當(dāng)，主要取決于纖維本身的拉伸性能。高強(qiáng)玻璃纖維和碳纖維混雜的復(fù)合材料層合板壓縮強(qiáng)度高于與芳綸混雜的壓縮強(qiáng)度，這是由于芳綸單種纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度低造成的。高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸混雜的斷裂伸長率大于與碳纖維混雜的復(fù)合材料，這是由于芳綸韌性好。從以上結(jié)果可見，不同纖維混合可以取長補(bǔ)短。通過不同的鋪層設(shè)計(jì)可以達(dá)到使用要求，充分發(fā)揮復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性。

2.4 有限元模型

2.4.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能

各單層預(yù)浸料被認(rèn)為是正交各向同性材料，每一個單層可以看成層合板中的一層，在平面應(yīng)力狀態(tài)下，正交各向異性單層板，在材料主方向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

(1)

與材料主方向成任意角度θ的x-y坐標(biāo)系中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為：

(2)

(3)

(4)

本文研究的復(fù)合材料層合板具有如下特點(diǎn)：

(1)層合板各單層之間粘結(jié)良好，可作為一個整體結(jié)構(gòu)板，并且粘結(jié)層很薄，其本身不發(fā)生變形，即各單層板之間變形連續(xù)。

(2)層合板由單層單層板疊合而成，其總厚度仍然符合薄板假定。

(3)整個層合板是等厚度的。

得到層合板的等效拉伸剛度：

(5)

2.4.2 復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則

在本文中，層內(nèi)損傷是通過單元的破壞情況進(jìn)行判斷的，在模擬中使用Hashin準(zhǔn)則對復(fù)合材料層內(nèi)損傷進(jìn)行評估，Hashin準(zhǔn)則判別如下：

纖維拉伸失效σ11≥0[14]

(6)

纖維壓縮失效σ11≤0[14]

(7)

基體拉伸失效σ22≥0[12]

(8)

基體壓縮失效σ22≤0[12]

(9)

系數(shù)α是剪切應(yīng)力對纖維拉伸失效判據(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[15]：

(10)

其中：

(11)

2.4.3 有限元模擬過程與結(jié)果

建立如圖4所示的有限元模型，基于表7中3233G樹脂單種纖維預(yù)浸料復(fù)合材料層合板力學(xué)性能作為材料參數(shù)，建立3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗與3233G/F12芳綸混合纖維復(fù)合材料與3233G/ZT7H碳纖維與3233G/S4C10-800高強(qiáng)玻璃纖維粗紗復(fù)合材料的0 °拉伸層合板。

圖4 復(fù)合材料拉伸試件有限元模型

本模型使用大變形靜態(tài)分析模塊。模型左端X=0 mm邊界固定的邊界條件；模型右端X=230 mm給出位移邊界條件。采用沙漏模式的線性減縮積分立方體網(wǎng)格C3D8R進(jìn)行網(wǎng)格剖分，模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為33 264個，單元數(shù)為27 600，并加密網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格收斂性。有限元模型結(jié)果見表9。

表9 混雜復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)-有限元結(jié)果對比

通過表9可以看到，實(shí)驗(yàn)與有限元模型得到的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最大差異為5.8%，遠(yuǎn)小于20%，因此認(rèn)為模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比良好。這也驗(yàn)證了有限元模型的可行性，并可以通過有限元對鋪層方式進(jìn)行優(yōu)化分析。

4 結(jié)論

(1)對碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸的性能進(jìn)行測試，結(jié)果滿足使用要求。

(2)采用3233G中溫固化增韌環(huán)氧樹脂，通過一步熱熔法制備碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維和芳綸預(yù)浸料，物理性能和工藝性滿足使用要求。

(3)對熱壓罐法成型的單種纖維預(yù)浸料復(fù)合材料和不同纖維預(yù)浸料混合鋪層的混雜復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行測試，其性能可以取長補(bǔ)短。

(4)建立復(fù)合材料有限元模型，根據(jù)單種纖維復(fù)合材料的相關(guān)參數(shù)推算混雜復(fù)合材料的強(qiáng)度，驗(yàn)證了有限元模型的可行性。