拉擠成型碳纖維增強EP 復(fù)合材料高低溫力學(xué)性能

陳朝中，章瀟慧，李要君，許豪，付延濤，林鵬

[1.中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100160； 2.中航試金石檢測科技(無錫)有限公司，江蘇無錫 214000；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000]

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因具有良好的力學(xué)性能，如高比強度、比模量等而備受人們關(guān)注[1]。近年來，隨著工業(yè)輕量化目標的提出，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料越來越多地被人們應(yīng)用在研制大尺寸車體承載結(jié)構(gòu)上。由于軌道交通車輛部件具有型腔復(fù)雜、尺寸大、服役溫度范圍廣等特點，采用復(fù)合材料拉擠工藝制承載結(jié)構(gòu)件成為選擇之一。同時為了保證樹脂良好的浸潤性，該種工藝常選擇低黏度酸酐固化類環(huán)氧樹脂(EP)[2–3]。

由于纖維單向鋪層會極大地降低生產(chǎn)效率，針對批量生產(chǎn)時，原材料的選取更多地會選用碳纖維多軸向編織物，這是一種通過機編工具在厚度方向?qū)⑺蓄A(yù)先鋪設(shè)好的承載紗精確地束縛在一起的織物[4]，厚度方向上的編織紗極大地提高了層間的剪切強度和各個方向上的尺寸穩(wěn)定性，同時使用時還可根據(jù)每層鋪設(shè)織物的角度多變性而多樣設(shè)計[5]。編織紗的直徑大小和鋪層數(shù)也會影響最終產(chǎn)品性能，過多或過粗的編織將影響復(fù)合成型時樹脂的滲入，導(dǎo)致易發(fā)生分層[6]。

準確評價復(fù)合材料的力學(xué)性能是其安全、可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。復(fù)合材料的材料與結(jié)構(gòu)同時形成，制造期間的操作差異、原材料的差異、檢驗時的差異及材料固有的變異性等因素都會導(dǎo)致復(fù)合材料性能的較大變異性。對此美國軍方在對復(fù)合材料力學(xué)性能做大量研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)與材料學(xué)的相關(guān)知識提出了復(fù)合材料B 基準值的概念[7]。B 基準值定義為在95%的置信度與力學(xué)性能的限定下，90%性能數(shù)值群的值高于此值。在復(fù)合材料的設(shè)計與使用里，B 基準值是復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達的重要參數(shù)，B 基準值乘以分項系數(shù)(＜1)可得到材料設(shè)計值，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考[8]。

在復(fù)合材料制備時，具有生產(chǎn)效率高、可設(shè)計性強、可實現(xiàn)增自動流水線生產(chǎn)的拉擠成型技術(shù)，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。而軌道交通車輛用碳纖維復(fù)合材料在使用過程中，會有復(fù)雜多變的服役環(huán)境溫度情況。目前行業(yè)人已發(fā)現(xiàn)層壓法制得的航空用碳纖維增強復(fù)合材料在不同溫度的環(huán)境下材料的性能會發(fā)生改變[9–10]。這種影響體現(xiàn)為低溫環(huán)境下碳纖維與EP基粘合增強，復(fù)合材料層合板的拉伸強度提高；而高溫環(huán)境碳纖維與EP 基結(jié)合弱化，復(fù)合材料的拉伸強度降低[11–13]。事實上，復(fù)合材料最常見的受力狀態(tài)為拉伸和彎曲，考慮到制備時孔隙和缺陷問題，研究試樣的開孔拉伸性能能更直觀地反映材料的拉伸性能。筆者基于拉擠成型工藝制備的試樣，分別測試碳纖維增強EP 復(fù)合材料在3 種環(huán)境溫度下的開孔拉伸與彎曲性能，并根據(jù)3 種環(huán)境溫度下的開孔拉伸與彎曲性能數(shù)據(jù)計算B 基準值[14]，進一步分析拉擠成型工藝制備碳纖維增強EP 復(fù)合材料的力學(xué)性能，為拉擠成型工藝制備多軸向碳纖維復(fù)合材料軌道交通車輛承載結(jié)構(gòu)提供支撐和參考。

1 試驗部分

1．1 主要原材料

4 軸向碳纖維經(jīng)編布：KQC600，威海光威復(fù)合材料股份有限公司；

EP：3227，上海華昌聚合物公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

拉擠成型擠出機：16T 型，錦州四海高新技術(shù)實業(yè)有限公司；

微機控制電子萬能試驗機：5982 型，美國英斯特朗公司；

高低溫環(huán)境箱：3119-610 型，美國英斯特朗公司。

1．3 試樣制備

采用拉擠工藝制備拉擠板材，鋪層共計6 層，鋪層參數(shù)見圖1。碳纖維經(jīng)編布用夾持工裝固定，然后在牽引裝置的牽引下以150 mm/min 速度移動，碳纖維經(jīng)編布在移動過程中首先經(jīng)過樹脂槽充分浸潤樹脂，穿過5 道預(yù)成型板后進入模具，多余樹脂在模具口被擠出，模具設(shè)置3 段加熱溫度，分別為80℃/120℃/150℃[14]。第一段加熱溫度使樹脂預(yù)熱從而降低黏度，有利于進一步浸潤碳纖維經(jīng)編布，第二段加熱溫度使樹脂凝膠并初歩固化，第三段加熱溫度使樹脂進一步后固化，從而具備較高的力學(xué)性能。擠出模具的板材自然降溫后使用切割裝置切割出所需長度試樣，纖維體積分數(shù)為62%。

圖1 鋪層示意圖

開孔拉伸試樣和彎曲試樣尺寸與形狀參數(shù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 開孔拉伸試樣圖

圖3 彎曲試樣圖

1．4 開孔拉伸與彎曲試驗

依照試驗環(huán)境，分別開展室溫(23±3)℃；低溫(–50±3)℃；高溫干態(tài)(70±3)℃環(huán)境下的試驗(均為干態(tài))，每組試樣設(shè)置30 件。對于高低溫試驗，需提前預(yù)熱或預(yù)冷高低溫箱、試驗夾具到規(guī)定試驗溫度±5℃以內(nèi)；待高低溫試驗的試驗箱達到規(guī)定的溫度后，低溫試驗需保溫5 min，高溫試驗則保溫4 min。采用在試樣上粘貼熱電偶的方法校準試樣表面溫度是否達到規(guī)定試驗溫度。

(1)開孔拉伸試驗。

開孔拉伸試驗參考ASTM D5766–2011。按照位移加載速率1.0 mm/min 進行。根據(jù)力-撓度曲線最少由50 個數(shù)據(jù)點組成的要求，測量并記錄力-撓度數(shù)據(jù)。在試樣跨距中夾點下方，用一個與之相接觸的傳感器測量撓度，使其安裝相對于試樣支座不變。每組測試30 個有效試樣取其平均值作為最后結(jié)果。

(2)彎曲試驗。

彎曲試驗參考ASTM D7264–2015。以2 mm/min 的位移速率對試樣加載，監(jiān)控并采集載荷、位移、時間等數(shù)據(jù)，直到試樣斷裂。每組測試30 個有效試樣取其平均值作為最后結(jié)果。

1．5 數(shù)據(jù)處理

由于復(fù)合材料的制造及測試存在較大的變異性，需要對測試數(shù)據(jù)進行處理以對拉擠成型碳纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能進行準確表達。筆者使用平均化處理及B 基準值計算的方式對3 種試驗環(huán)境下的測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理并分析。

(1)平均化處理。

依照試驗環(huán)境，分別對室溫(RTD)（23±3）℃；低溫(CTD)（–50±3）℃；高溫干態(tài)(ETD)條件下的開孔拉伸及彎曲試驗數(shù)據(jù)進行平均值計算并對結(jié)果進行分析。

(2) B 基準值計算。

依照試驗環(huán)境，分別計算材料在3 種試驗環(huán)境下的開孔拉伸及彎曲試驗數(shù)據(jù)B 基準值。使用多環(huán)境樣本合并方法對試驗數(shù)據(jù)進行B 基準值計算，計算標準參考HB 7618–2013。圖4、圖5 為拉擠成型碳纖維增強EP 復(fù)合材料開孔拉伸及彎曲強度B基準值的計算流程圖。

①對所有試驗溫度測試數(shù)據(jù)進行正則化，將原始的力學(xué)性能測量值調(diào)整到一個規(guī)定纖維體積含量對應(yīng)的性能正則化值。

②采用最大賦范殘差法檢查每種溫度下的數(shù)據(jù)是否存在異常數(shù)據(jù)，若存在異常數(shù)據(jù)，將其刪除。

③使用正態(tài)分布的Anderson-Darling 檢驗方法，檢查每種溫度下的數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布，若滿足正態(tài)分布，則按下一歩進行計算，若不滿足，依次使用威爾布分布、對數(shù)正態(tài)分布的Anderson-Darling檢驗方法進行檢驗，并使用對應(yīng)的經(jīng)驗公式計算每一溫度下的B 基準值。

圖4 B 基準值計算流程圖

圖5 變異不等同情況下材料許用值的計算程序

④使用Levene 檢驗方法，檢查不同溫度下組間變異性的等效性，若通過檢驗，按下一歩進行計算，若未通過按圖5 的流程進行數(shù)據(jù)處理，使用多個錯判系數(shù)進行工程判斷(錯判系數(shù)為Levene 檢驗公式中的中間參數(shù)，影響統(tǒng)計量數(shù)值精度)。

⑤對各組數(shù)據(jù)進行正則化，將各溫度下的強度數(shù)據(jù)除以相應(yīng)的平均值，使所有溫度下數(shù)據(jù)的平均值均為1，并將所有溫度下的正則化數(shù)據(jù)進行集合，形成一個數(shù)據(jù)集。

⑥使用多環(huán)境合并法計算公式得到數(shù)據(jù)集的B基準值單側(cè)容限系數(shù)。

⑦將數(shù)據(jù)集的B 基準值單側(cè)容限系數(shù)乘以各溫度下強度平均值，得到各溫度下的B 基準值。

2 結(jié)果與討論

2．1 失效模式

圖6 和圖7 分別為試樣在3 種環(huán)境溫度下的開孔拉伸與彎曲損傷狀態(tài)。

圖6 3 種溫度狀態(tài)的開孔拉伸試樣損傷

圖7 3 種溫度狀態(tài)的三點彎曲試樣損傷

可以清晰看出，試樣開孔拉伸與彎曲試樣的失效模式不受環(huán)境溫度影響。開孔拉伸試樣的損傷以纖維斷裂為主，表面可見部分裂紋沿著試樣軸向擴展，這是由于表層鋪設(shè)為0°方向，但每層織物由4 層單線構(gòu)成，因此纖維的斷裂同時也會受到內(nèi)部鋪層影響，在常溫拉伸組里，有部分試樣沿著橫向開裂，這是受多角度鋪設(shè)導(dǎo)致的。三點彎曲損傷則主要表現(xiàn)為在試樣中段的基體和纖維斷裂，從斷裂表面看，高溫狀態(tài)下的試樣在縱向也產(chǎn)生了裂紋，這是和低溫以及常溫所不一樣的。

2．2 失效載荷

圖8 和圖9 分別為拉伸與彎曲試樣在3 種環(huán)境溫度下的失效載荷圖。

圖8 三種溫度下開孔拉伸試樣失效載荷分布

圖9 3 種溫度下彎曲試樣失效載荷分布

由圖8 可以看出，隨著溫度的升高，其失效載荷呈下降趨勢，直至試樣完全破壞。3 種溫度下，失效載荷下降幅度不大。低溫、常溫及高溫下開孔拉伸試樣失效載荷分別為85 420.3，77 815.4，76 831.3 N。與常溫拉伸失效載荷相比，低溫下的失效載荷值增加了9.8%，高溫下的失效載荷值則下降了1.3%。由圖9 可以看出，彎曲失效載荷隨著溫度上升而驟降，低溫、常溫及高溫下失效載荷分別為1 893.1，1 557.2 ，1 132.7 N。與常溫下的最大失效載荷相比，低溫下的彎曲失效載荷增加了21.6%，高溫下則下降了27.3%。

2．3 力學(xué)性能

圖10 為3 種溫度下的試樣的拉伸強度分布散點圖。低溫、常溫及高溫狀態(tài)下拉伸強度極差分別為68.0，145.1，54.0 MPa。與低溫及高溫狀態(tài)相比，常溫狀態(tài)下拉伸強度分布離散程度較高。低溫、常溫及高溫狀態(tài)下拉伸強度分別為565.8，516.7，508.2 MPa，低溫狀態(tài)下的拉伸強度更高，常溫和高溫略有下降，其柱狀圖如圖11 所示。與常溫開孔拉伸強度相比，低溫下的開孔拉伸強度提高了9.5%，高溫則下降了1.6%。圖12 為3 點彎曲試驗在3種環(huán)境溫度下的彎曲強度分布散點圖。低溫、常溫及高溫狀態(tài)下彎曲強度極差分別為633.5，378.9，227.0 MPa，離散程度高于拉伸強度。低溫、常溫及高溫狀態(tài)下彎曲強度分別為863.7，718.1，511.5 MPa。與拉伸強度相比，溫度對彎曲強度的影響較大，與常溫3 點彎曲強度相比，低溫下的彎曲強度增加了20.3%，高溫下其值則下降了28.8%，圖13 為3種溫度下的彎曲強度柱狀圖。圖14 為3 種溫度下的彎曲彈性模量柱狀圖，低溫、常溫及高溫狀態(tài)下彎曲彈性模量分別為55.4，54.1，49.6 GPa。與常溫相比，低溫下的彎曲彈性模量上升了2.4%，高溫下其彎曲彈性模量下降了8.3%。進一步表明高溫對彎曲性能的影響要大于低溫。綜上所述，與常溫狀態(tài)相比，低溫狀態(tài)下力學(xué)性能提高，高溫狀態(tài)下力學(xué)性能下降，這符合碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的典型特征。

圖10 3 種溫度下的拉伸強度分布散點圖

圖11 3 種溫度下的拉伸強度柱狀圖

圖12 3 種溫度下的彎曲強度分布散點圖

圖13 3 種溫度下的彎曲強度柱狀圖

圖14 3 種溫度下的彎曲彈性模量柱狀圖

B 基準值通常作為復(fù)合材料許用值，是力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達的重要參數(shù)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考[8]。為了研究環(huán)境溫度對B 基準值的影響，表1 列出材料在3 種環(huán)境溫度下開孔拉伸及彎曲強度的B 基準值計算結(jié)果。

表1 材料B 基準值計算結(jié)果

與常溫3 點彎曲強度相比，低溫下的彎曲強度B 基準值上升了13.8%，高溫下其值則下降了23.8%，進一步表明高溫對彎曲性能的影響要大于低溫。與測試數(shù)據(jù)平均值分布規(guī)律不同，低溫與高溫下的開孔拉伸強度B 基準值相較常溫均有提高，分別增加了22.5%及11.1%。這是由于平均值不變的條件下B 基準值大小與數(shù)據(jù)標準差呈負相關(guān)，常溫下開孔拉伸測試數(shù)據(jù)離散程度高導(dǎo)致B 基準值計算較為保守。

3 結(jié)論

(1)該拉擠工藝下的碳纖維增強EP 復(fù)合材料制樣的力學(xué)性能會受到溫度的影響而發(fā)生改變，在–50～70℃范圍內(nèi)表現(xiàn)為隨著溫度的升高，同時其力學(xué)性能呈現(xiàn)一定的下降趨勢；

(2)不同力學(xué)性能隨溫度變化的差異而不同，拉伸性能整體變化不大，表現(xiàn)為3 種溫度下的拉伸失效載荷、拉伸強度差值較小。而彎曲性能更易受到溫度影響，高溫狀態(tài)下彎曲強度下降了28.8%，其彎曲彈性模量也下降了8.3%，低溫下其彎曲強度上升20.3%，但彎曲彈性模量變化不大，僅為2.4%；

(3)與常溫3 點彎曲強度相比，低溫下的彎曲強度B 基準值上升了13.8%，高溫下其值則下降了23.8%，進一步證明溫度的升高會導(dǎo)致復(fù)合材料的彎曲性能下降。由于常溫下開孔拉伸測試數(shù)據(jù)離散程度高導(dǎo)致B 基準值計算較為保守，低溫與高溫下的開孔拉伸強度B 基準值相較常溫均有增加。