高溫測試條件下一體成型的碳纖維復合材料拉伸試件制作及優(yōu)化分析

劉佳 遇家運 王維 王寶瑞 王清民 劉甲秋

摘? 要? 本文突破常規(guī)成型過程及試件制作過程，對碳纖維樹脂基復合材料單向板0°拉伸試件進行制作，用于測量其在高溫條件下的力學性能。首先通過結合生產(chǎn)和實際測試需求，化繁為簡，對高溫測試試件所需的0°拉伸一體化成型模具進行設計，將復合材料加強片通過試件的本體樹脂粘接，固化后一體成型，通過切割即可得到所需尺寸的試件，此方法避免了常規(guī)粘貼加強片操作及對膠粘劑進行涂抹和固化的過程。通過前期的模具設計，進行工藝摸索和試件制備，材料選用T800碳纖維和雙馬來酰亞胺樹脂體系構成的預浸料，進行了180℃和240℃條件下的力學性能測試。同等條件下進行傳統(tǒng)后粘貼加強片的試件測試，控制測試條件一致的情況下，將數(shù)據(jù)結果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，一體成型高溫0°拉伸試件的力學性能有更好的表征，充分發(fā)揮高溫狀態(tài)下單向纖維的性能，降低了傳統(tǒng)試件加強片及膠粘劑對本體材料的損傷，縮減了時間和人工成本，碳纖維一體化高溫試件的制作工藝有可行性。

關鍵詞? 復合材料；高溫測試；單向試件；一體成型

ABSTRACT This paper breaks through the conventional forming process and test specimen making process， and makes 0-degree tensile specimen of carbon fiber resin matrix composite unidirectional plate， which is used to measure its mechanical properties at high temperature. First of all， through combining production and actual testing requirements， the high temperature test required by the 0-degree tensile integrated molding design. Through the design of mold， the composite strengthening sheet is bonded by the bulk resin of the specimen， and the specimen of required size can be obtained by cutting. This method avoids the process of pasting and curing the adhesive. Through the early mold design， the process was explored and the test piece was prepared. The material was prepreg composed of T800 carbon fiber and bismaleimide resin system， and the performance was tested under the conditions of 180℃ and 240℃. Under the same conditions， the test piece of traditional post-pasted reinforcing was tested，and the data results were compared under the same control test conditions. The results show that the mechanical properties of the unidirectional fiber are better characterized by the unidirectional fiber under the condition of high temperature， which reduces the damage of the traditional specimen strengthening pieces and adhesives on the bulk material， and reduces the time and labor cost. The production process of carbon fiber integrated high temperature specimen is feasible.

KEYWORDS composite materials; high temperature test; unidirectional test piece; integrated molding

1 引言

碳纖維復合材料以其輕質高強的特性在航空航天及國防科技等方面占有重要地位，在碳纖維樹脂基復合材料領域，單向板性能測試數(shù)據(jù)作為一種能夠直觀反映原材料性能的關鍵參數(shù)，對指導產(chǎn)品設計及制造有著關鍵且不可或缺的作用，尤其對于新型復合材料和在特殊使用條件下的復合材料，如高溫條件等。在將原材料正式用于產(chǎn)品生產(chǎn)前，單向板及層合板的力學及理化性能數(shù)據(jù)可以決定其在相應工作條件下是否適用。由于目前對于復合材料的使用條件提出需長時間耐高溫等要求，所以材料需要在高溫條件下測試才能對其性能做出直觀和有針對性的表征。但是決定測試數(shù)據(jù)的因素除樹脂、纖維等原材料和相關界面結合性外，單向板及層合板的制作質量和試樣的切割損傷狀態(tài)也對測試數(shù)據(jù)有著一定程度的影響。

常規(guī)單向板及層合板的制作普遍為等厚平板，后期再粘貼加強片（金屬或本體材質）[1]，進而制作出符合測試條件的試件，但是對于高溫測試，加強片的材質及粘貼加強片的膠粘劑同樣需要滿足相應的耐高溫性能，否則測試過程中如果膠粘劑失效，試件的測試結果就不具有參考意義，這就對試件與加強片之間的粘接性能提出較高要求。在試件與加強片粘貼完成后[2]，還需要對耐高溫的膠粘劑進行固化操作，試件的制作、加工、處理和測試等過程所需周期與常溫測試相比大大加長，人工和資源消耗嚴重。

隨著復合材料膠接連接、共固化以及縫合等連接技術的逐步成熟，利用復合材料可設計性強的特點和優(yōu)勢，通過復雜零件的共固化、共膠接成型，從而實現(xiàn)復合材料結構的整體化設計與制造是可行的，本文通過模具設計和工藝優(yōu)化，用一體成型的方式制作高溫測試條件下的單向板0°拉伸力學試件，該種模具通過預浸料本體樹脂，經(jīng)過固化過程，將加強片直接在試件兩端成型，避免了試件后期涂刷膠粘劑和高溫膠粘劑的二次固化等繁瑣操作，同時也減少了試件加工過程中的材料損傷。通過調整工藝，優(yōu)化了試件的制作效果，通過調整原材料，改變了單板變形翹曲的情況。對比180℃和240℃高溫測試條件下，常規(guī)用高溫膠粘貼加強片[3，4]的試件性能和通過模具一體成型的試件性能，從工藝和性能兩個方面對模具的可行性進行了分析。

2 傳統(tǒng)單向板拉伸試件制作及模具設計

傳統(tǒng)纖維增強復合材料單向板的制作，即同一角度平板的制作，將所需角度的預浸料，層層鋪疊至相應厚度，按照預浸料的固化制度進行熱合固化操作，最后脫模得到所需厚度的平板，再通過后期加工得到所需尺寸的試件，根據(jù)測試溫度決定加強片的成型方式和材質。

2.1 單向板制作

下料：將所需厚度的預浸料置于裁床，沿纖維方向將其剪裁為300mm×300mm的尺寸，剔除干紗；鋪放：在經(jīng)過預熱的模具上將預浸料層層鋪疊，按照所需厚度，鋪放相應層數(shù)；固化：按照預浸料的固化制度對單向板進行熱合固化；試件制作：對固化脫模后的單向板進行探傷檢測，質量合格后再進行切割和粘貼加強片等操作，形成最終可測試試件。

2.2 模具設計

傳統(tǒng)單向板模具的設計以平板結構為主，可設計固定模腔，也可選擇使用閉腔模具，后者的優(yōu)勢是在不改變模具結構的前提條件下，通過墊片調整模腔的方式，隨機改變所需層合板的厚度，靈活性較強。傳統(tǒng)模具如圖1所示。

3一體化高溫試件模具設計及層合板制作

隨著我國航天航空技術的迅速發(fā)展，復合材料應用越來越廣泛，對其應用環(huán)境要求也越來越苛刻，尤其對耐溫性能及經(jīng)過高溫測試后的強度保留率有極高的要求，在生產(chǎn)中也經(jīng)常用單向板及層合板的高溫力學性能作為參考，評價大型艙段在相應工況下的適用性。本文中通過模具設計、工藝實施和工藝改進，對高溫試件的制作過程進行了創(chuàng)新。

3.1 模具設計

一體成型高溫測試件模具的設計初衷是為了更好地將材料的性能通過測試手段表達，在創(chuàng)新的同時提高工作效率，減少粘貼加強片的操作及膠粘劑的固化時間。本文根據(jù)測試標準GB/T 3354-2014，對0°拉伸高溫試件模具進行了設計，加強片以產(chǎn)品加厚區(qū)的形式存在，經(jīng)過本體樹脂一次固化的工藝，將所需要的試件一次性制作完成，固化成型后再將產(chǎn)品按標準尺寸切割成寬度為12.5mm的測試試件。一體成型模具如圖2所示。

一體成型高溫測試用單向板的制作思路：通過選取同種樹脂材料的預浸料（碳布），通過加厚區(qū)模腔和型面的控制，達到加強片和試件本體一體成型共固化的目的。

3.2 工藝過程

加強片位置成型：加強片在模具上以加厚區(qū)的形式存在，可選擇與試件同種材料，或者同種樹脂體系的碳布，設計正交鋪層，對加厚區(qū)進行成型[5]；正交鋪層的設計意圖是增加試件在端部夾持的摩擦力，避免測試過程中單向纖維在夾持端位置發(fā)生滑移。

0°試件：將厚度為0.1mm的高強度、高模量碳纖維預浸料，縱向10層鋪貼成厚度為1mm的疊層板。

工藝難點：由于首次使用該種模具制作高溫測試試件，初次嘗試過程中由于加強片采用了正交鋪層的預浸料，有效試件利用單向纖維進行成型，由于金屬模具和碳纖維復合材料在各方向的熱膨脹系數(shù)不同，固化過程中整體結構變形不協(xié)調，加上鋪層角度對內(nèi)部應力分布的影響，固化后的產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重的翹曲。利用有限元仿真分析得出實際脫模后的變形趨勢與理論計算相符，在斜角對稱的位置發(fā)生了平板翹曲，所以用單向預浸料通過正交鋪層成型加強片的工藝有待深入研究。一體成型試件固化變形仿真與實際對比如圖3所示。

由于0°拉伸高溫測試試件厚度較薄，為1mm，兩側的加強片厚度均為1.5mm，即使采用關于平板完全對稱的正交鋪層，經(jīng)過高溫固化、降溫和脫模后，依然會導致平板變形。

3.3 工藝改進

為避免試件變形，工藝成型過程中進行了改進調整，將加強片位置用碳纖維預浸布代替單向纖維預浸料，可以避免單向纖維正交鋪疊導致的平板變形翹曲，也無需考慮角度問題，碳纖維預浸布的網(wǎng)格正交形態(tài)使其在測試過程中的夾持效果強于正交鋪疊單向預浸料。碳纖維預浸布成型加強片共固化高溫測試用平板如圖4所示。

4 一體成型高溫0°拉伸試件測試

將固化成型后且探傷合格的試件平板，經(jīng)過機械加工切割成寬度為12.5mm的標準試件[6，7]，平板長度為試件長度230mm，寬度為300mm，去除機械加工損傷，單張一體成型平板可切割出約18個高溫0°拉伸試件，遠超國標要求的有效試件數(shù)量，可以同時測試出不同溫度體系下的力學性能。

4.1 測試條件及過程

在INSTRON 8802試驗機上開展定向纖維增強聚合物基復合材料高溫拉伸試驗，在試件工作段兩個表面對稱位置背對背分別安裝引伸計；將環(huán)境箱和試驗夾具預熱到規(guī)定溫度，然后將試樣加熱到試驗溫度，當試樣達到試驗溫度后，保溫5min～10min開始試驗；將試樣對中夾持于試驗機夾頭中，試樣的中心線應與試驗機夾頭的中心線保持一致，采用合適的夾頭夾持力，以保證試樣在加載過程中不打滑并對試樣不造成損傷；測試加載速率設置為2mm/min。

4.2 試驗結果分析

對定向纖維增強聚合物基復合材料單向試驗件開展180℃及240℃的0°拉伸試驗，將一體成型共固化的試件和后期粘接加強片的試件測試結果進行對比，如表1所示。

通過試件的破壞形式可看出，宏觀表現(xiàn)為以纖維束破壞為主，并發(fā)生在試件工作段，試驗件邊緣出現(xiàn)纖維束開裂、拔出，根據(jù)GB/T 3354-2014測試標準判定試件失效模式屬于XGM。通過數(shù)據(jù)對比及破壞形式可得，一體成型試件可充分滿足材料的測試需求，很好地表觀出材料拉伸應有的斷裂模式，且一體成型加強片根部應力集中小，更有效地體現(xiàn)測試段材料在高溫狀態(tài)下的真實性能，提高效率的同時降低加工影響和測試誤差。一體成型高溫測試拉伸試件及破壞形式如圖5所示。

5 結語

碳纖維復合材料在高溫下的力學性能以及影響高溫力學性能因素方面的研究較少，本文通過模具設計和工藝更新，對比后粘接加強片和一體固化成型加強片0°拉伸試件的高溫力學性能，發(fā)現(xiàn)一體成型試件的制作并不會影響材料的性能，且工藝可行，同時發(fā)現(xiàn)在180℃和240℃的條件下測試，溫度對于纖維方向的力學性能影響不大，體現(xiàn)了碳纖維在高溫條件下仍能保持較好的性能參數(shù)，規(guī)避了傳統(tǒng)試件中額外因素對高溫測試的影響，此外除了0°高溫拉伸測試外，其他類似的力學性能測試也可在此基礎上繼續(xù)拓展，一體成型高溫試件為纖維增強聚合物基復合材料的測試提供了參考，為后續(xù)的高溫測試試件制作過程積累經(jīng)驗。

參考文獻

[1]? 宋亞吉，趙小津. 高模量復合材料力學性能測試 [J]. 航天器工程，2003，（02）：47-53.

[2]? 王秉權，張根榮，楊蔭萍. 玻璃鋼單向板的制作及拉伸試驗方法的初步研究 [J]. 玻璃鋼，1981，（01）：20-24+31.

[3]? 陳波，翁少東，溫衛(wèi)東，等. 單向碳/碳復合材料高溫拉伸行為失效機理研究 [J]. 復合材料科學與工程，2021，（02）：89-94.

[4]? 李金亮，高小茹. 不同溫度下國產(chǎn)T800/雙馬來酰亞胺樹脂預浸料的力學性能研究 [J]. 纖維復合材料，2020，（02）：16-18.

[5]? 黃光啟，楊勝春. 先進復合材料力學性能表征與測試技術研究 [J]. 工程與試驗，2018，（04）：12-18.

[6]? 李麗. 高強度、高模量碳纖維復合材料拉伸性能測試方法的研究 [J]. 理化檢驗（物理分冊），2004，（07）：337-340.

[7]? 王志，張雷，陳健，等. 碳纖維環(huán)氧復合材料高溫力學性能研究 [J]. 消防科學與技術，2016，（12）：1659-1663.