湿态处理对碳纤维复合材料层压板力学性能影响

湿态处理对碳纤维复合材料层压板力学性能影响木　周乾飞　冯　奇　侯进森姚　力　（上海汽车集团股份有限公司前瞻技术研究部，上海２０１８０４）　潘利剑　（东华大学民用航空复合材料协同创新中心，上海２０１６２０）　【摘要】　文章基于ＡＳＴＭ标准，对碳纤维复合材料单向带及准各向同性标准层压板在干湿态下的力学行　为进行分析，利用Ａｂａｑｕｓ仿真软件对碳纤维复合材料典型层压板进行设计和建模，并最终与层压板力学试验结　果进行对标研究，从而得到准确度在±１５％以内的仿真结果，验证了试验过程的准确性。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｗａｔｅｒ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｎｉｄｉｒｅｃ—　ｔｉｏｎａｌ　ｔａｐｅｓ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎ　Ａｂａｑｕｓ　ＣＦＲＰ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｌａｍｉｎａ－　ｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗｉｔｈｉｎ±１５％ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｃｏｍ—　ｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　【关键词】复合材料碳纤维力学仿真汽车　ｄｏｉ：１ｏ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１６．１１．１２　０　引言　能，仿真分析了标准层压板的力学性能，最终得到　了４－１５％以内的仿真准确度，有助于后续碳纤维　碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）在航空航天领域的　复合材料零部件的正向开发。　应用已经有了近５０年的历史　ｌ２　Ｊ，同样对于汽车　行业，其应用也是实现汽车轻量化的一个非常有　１　ＣＦＲＰ板材标准力学实验设计　效的途径。越来越多的汽车生产制造厂（ＯＥＭ）、　高校及科研院所已经针对相应的需求将碳纤维复　１．１针对单向带的力学实验　合材料应用于各种汽车零部件　一’Ｊ，由于复合材　针对ＣＦＲＰ设计，首先需解决材料牌号与工艺　料与传统金属在力学性能和设计性上有着很大的　的选择问题，考虑到碳纤维复合材料的原材料供　区别，因此基于工业制造方面的ＣＦＲＰ材料力学性　应和具体强度需求，碳纤维材料选择为ＴＴ００级，　能研究并不全面。　丝束选择国内可供应的最大丝束１２　ｋ。同样，对　本文中，首先对ＣＦＲＰ单向板及各项同性层压　于工业制造行业，由于考虑到成本及国内工艺成　板的不同方向上的标准力学实验进行分析，得到　熟度，优先选择热压罐工艺作为零部件制备的成　各标准板材的力学性能，并讨论了湿态处理对其　型工艺，由此原材料最终确定为碳纤维复合材料　力学性能的影响，随后利用Ａｂａｑｕｓ仿真软件，针　预浸料进行单向板及标准层压板制作，单向带的　对标准层压板铺层及模型，通过单向带的力学性　基本试验项目如表１所示。　收稿日期：２０１６—０９—０６　本文经由上海市科学技术委员会资助相关课题（１３ＤＺ１　１０７０００）完成。　・４８・　上海汽车２０１６．１１　表１碳纤维复合材料单向带基本力学试验项目　序号　试验项目（干／湿态）　铺层要求　１　Ｏ。拉伸　２　０。压缩　３　９０。拉伸　参照ＡＳＴＭ　相关标准　４　９Ｏ。压缩　５　纵横面内剪切　其中材料湿态处理过程为将试片放人８５℃　的水中进行烧煮４８　ｈ。ＣＦＲＰ材料力学性能测试　所参照的试验标准主要是美国材料与试验协会　（ＡＳＴＭ）针对复合材料所建立的标准方法，如表２　所示。　表２碳纤维复合材料材料许用值试验相关标准　编号　名称　ＡＳＴＭ　Ｄ３５１８（１９９４）　切强度的标准试验方法　±４５。铺层的聚合物基复合材料面内剪　ＡＳＴＭ　Ｄ３０３９（２００８）　聚合物基复合材料拉伸性能标准试验　方法　所利用的测试设备为ＷＤＷ一１００型力学试验　机，试验拉伸速度采用２　ｍｍ／ｍｉｎ。　１．２针对标准层压板的铺层设计及其力学实验　考虑到中心对称、热压罐工艺成形难度及各　向同性受力工况，最终得到的准各向同性标准铺　层设计如图１所示。　＿－＿＿－＿－－＿－．＿＿－－－．．＿－－４５￣　．．．……。．．．．．．．．．．．．．。……．．．．。．．．．．．．……．．．．．．　．．　．．。．．…．。．。ｏ。　……………＿…－－－４５。　．．－．－．－．．－－．Ｉ．。．．…＿．¨．－．－．．．Ｉ．－¨＿．…¨－．－．．．。。－。－－－…．．．．．．．．．．¨．　Ｏ。　…………………４５０　．．．　．＝　＝－＿＾－＿　，－葛　＝　－　＝．　＾＝一．＾　－　９０￣　　警　图１典型铺层示意图　整个层压板力学试验包含表３中的４项　内容。　上海汽车２０１６．１１　表３各向同性ＣＦＲＰ标准层压板力学试验项目　序号　试验项目　１　０。拉伸　２　０。压缩　３　９Ｏ。拉伸　４　９Ｏ。压缩　２试验结果及分析　首先从单向带力学行为进行分析，如图２所　示分别为干态及湿态两种状态下碳纤维复合材料　板材的０。拉伸应力一应变结果，可以看出对于干　态板材，其破坏时的应变大小保持在了一个比较　均匀的状态，从拉力机上读出的数据可知，其应变　基本保持在３．９％，整个失效拉断过程可以总结为　线性过程，应力与应变基本保持正比例关系，并且　最终发生断裂，这充分说明对于碳纤维复合材料，　没有如同金属材料的塑性形变过程。对于湿态的　板材，其０。拉伸下的应力一应变曲线在拉伸初期　基本保持线性关系后，在接近断裂失效部分，比较　不规律，尤其湿态３号板材没有明显的破坏衰减，　从图中可知，其破坏应变在４％。　造成这种干态／湿态应力一应变曲线十分不　同的原因主要是湿态处理后的样品，由于碳纤维　层间引入了水分子而造成其部分层间剥离　，这　种缺陷从宏观角度而言是随机分布的，因此在失　效时，板材也变得更不稳定，断面更随机和复杂，　造成曲线不规律。除此之外，由于层间强度下降，　总体拉伸强度湿态较干态下降１６．１％。　图３为干态样品上应变片所采集到的０。拉伸　试验数据，可以看到其破坏应变的数值比拉力机　直接读出的数值要低，这点可以理解为拉力机在　失效后期产生部分滑移所致，因此破坏极限应变　数值参考应变片数据会更准确。　对于其他材料力学实验，主要结果如图４所　示，而对于±４５。面内剪切试验，由于应变片量程　不足，不能相应得到其面内剪切应变的试验结果。　从图４（ａ）可以发现对于拉伸强度而言，湿态　・４９・　（ａｌ于忐　２５００　二　２０００　。＝　了厂　、　姜Ｉ５００　１０００　５００　０　１　０　　１００００　２００００　３００００　４００００　５００００　６００００　应变　（ｂ）湿态　２热压罐　０。拉仲试验应力一应变曲线　板材ｍ于前面所述，强度性能都有所衰减，特别是　对于面『人Ｊ剪切试验，板材的干湿态对性能影响不　大（６３．２　ＭＰａ），甚至可以看出湿态样片的面内剪　切强度还优于于态样片，这一点叮以从碳纤维复　合材料的本身各　异性进行解释，即在沿着纤维　力　的强度（０。方向）远大于其他方向，这一点从　９０。拉仲强度仅仪是０。方向强度的ｌ／５０也能体　现，而层问分离是碳纤维复合材料在使用过程巾　的主要失效模式．其强度　远小于０。方向，凶此水　分子产生的缺陷从宏观角度来说影响不大，片材　原，尢就在面内剪切失效方式上十分脆弱　、对于弹　性模　｝　从图４（１　）可知，干湿态对于板材弹性模　Ｘ冀＿Ｌｌ的影响并不大，并且拉伸和压缩失效也同样在　弹性模髓上没有明显的性能差别，主要原因可以　理解为，碳纤维复合材料在纤维断裂失效之前，弹　性模量还是山碳纤维本身决定的，　此在这一过　・５０・　２４０　２２（）　２００　ｌ８０誊　ｌ　６０　ｌ　４０墼　ｌ２Ｏ　ｌ００　样品编　（ａ）　Ｆ：各Ｏ。拉仲试验　聚“：总　程中，水分了造成的缺陷没有任何体现，　１＂７００级的　碳纤维弹性模量０。＞９０。＞±４５。，这・点与汗浩　成在２（）Ｉ４　的研究结论州吻合　，但足　ｊ张江威　在２００８年的研究成果“　别较大　张江战等人　指出干　态的冲击对弹性模量的影响卜分明显，　主要区别　于　ｒ况加载的方式，湿态处　过程更　接近于ＣＦＲＰ材料在制箭后的瞬时本　材料性能．．　最后对于幢变结果，明ｈ　叮以发现湿念片材普遍　在未到达干念片材强度ｆｆ【时就产生了断裂．这一　点与抗拉强度结果保持・致，体现了ｆ｛Ｉ　态处理对　碳纤维复合材料的性能影响　、　其次，针对标准层Ｊ仨傲，　‘先是其０。、９０。拉仲　及压缩　ｔ＇ｔ－ｔｌ￣试验，结果ｆｎ１　５所示　可以番到，对于铺　没、＿｝‘后的力学　：能，０。拉　仲强度保持　７８２．４　ＭＰａ，９０。拉仲强度则为　５６０．５　ＭＰ｝ｌ’　的比ｆ；『１Ｊ火皱为４１．８比５８．２，这与　铺层的方ｒｎ】比例吻合得很好，０。铺层Ｌ！　总钉打层的　比例基＿小＝为５７％，而实际差别来自于０。铺层对　９（）。拉ｆｆｆＩ试验的力学贡献．．ｆｆｆ得一提的足，对于压　Ｉ．０Ｅ＋０３　曩爱　　．。　１．ＯＥ．卜０ｌ　１．ＯＥ＋０ｏ　０度　Ｏ度　９ｏ度　９Ｏ度　面内　拉伸　压缩　拉伸　压缩　剪切　（ａ）拉伸强度　１．ＯＥ＋Ｏ３　０　１．０Ｅ＋０２　嘲｝　蜒；　蓑１．０Ｅ＋０１　０度　０度　９０度　９ｏ度　面内　拉伸　压缩　拉伸　压缩　剪切　（ｂ）弹性模薰　；一　＿干态　－海态　堪　●　＿＿　．＿．＿．　（ｃ】极限应变　图４标准单向板力学实验结果　缩试验，０。与９０。的性能相差不大（３３２．１　ＭＰａ与　３２９．４　ＭＰａ），原因在于压缩试验主要考察的是复　合材料树脂的力学贡献，在０。与９０。铺层方向比例　比较接近的情况下，各向同性的树脂性能也就体　现出了相对各向同性的力学结果。对于干湿态力　学性能比较，结果如图６所示。　对于所设计的典型铺层下，湿态对于标准板　材的性能影响并不显著，原因也在于各个方向上　的碳纤维铺层方向比例趋于平均，与单向板的试　上海汽车２０１６．１１　２　ｌ　ｌ　ｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　∞∞印∞　∞舳∞们加０　－一ｌ　应变　应变　（ｃ）０ｏ压缩　（ｄ）９０￣压缩　图５典型铺层层压板干态状况下的力学试验　验有着本质的区别。　３　碳纤维复合材料标准层压板　Ａｂａｑｕｓ仿真验证　基于ＡＳＴＭ标准试验方法及自主铺层设计，　我们设计了相应的Ａｂａｑｕｓ标准层压板模型，仿真　时，复材用壳体表示，弹性类别为单向板，失效准　则为Ｈａｓｈｉｎ，网格尺寸为２　ｍｍ。针对复材的剪切　非线性，按失效点进行线性修正。针对复材拉压　模量的不一致性，取两者中的较小值。　所得到的４种试验仿真结果与实测结果的对　比如图７所示。　可见现有模型基于准静态测试和对标技术　下，可以实现刚度和强度对标精度±１５％以内，从　而进一步验证了力学试验客观反映了碳纤维复合　材料的本征力学性能。　４　结语　本文选择Ｔ７００级碳纤维，采用热压罐工艺制　备复合材料标准单向板材及典型铺层层压板板　材，得到了一系列包括拉伸、压缩强度、弹性模量　及应变力学试验结果，根据这些力学性能，发现湿　・５１・　Ｂｄ譬＼避瞪　９　８　７　６　Ｓ　４　３　２　ｌ　＆０＼嘲｛肄掣教　∞　∞　拍　ｍ　０　３／　趟　∞∞∞∞∞∞∞∞∞０　Ｏｏ拉伸Ｏ。压缩　９ｏ。拉伸　９Ｏ。压缩　（ａ）拉伸／压缩强度　∞　Ｄ／删　砷　∞　∞　如　柏　ｍ　Ｏ　Ｏｏ拉伸　Ｏｏ压缩　９ｏ。拉伸　９Ｏｏ艇缩　（ｂ）弹性模量　２．５　２１０　１．５　ｌ　０．５　Ｏ　Ｏｏ拉伸Ｏｏ压缩　９Ｏｏ拉伸　９０￣压缩　（ｃ）应变结果　图６干湿态典型铺层　态工况在拉伸强度方面对碳纤维复合材料的性能　影响较为显著，而弹性模量、应变数值衰减不明　显。另外，利用Ａｂａｑｕｓ仿真手段，经过力学参数　修正，得到精度在±１５％以内的力学仿真结果。　・５２・　Ｏｏ拉伸Ｏｏ压缩　９０＊拉伸　９０＊压缩　（ａ）刚度　蚕　捉　ｊ璺　鹫　（ｂ）强度　图７　ＣＦＲＰ标准层压板力学仿真结果与实测结果对比　参考文献　［１］沈真．碳纤维复合材料在飞机结构中的应用［Ｊ］．高科　技纤维与应用，２０１０，３５（４）：１—４．　［２］刘强．碳纤维复合材料在航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