CF_GF多向混杂纤维复合材料拉伸特性研究_张大兴

加强片长度 50mm 。 ( 5) 性能测试 试样在标准环境条件和测试状态调节按
GB1446- 83 规 定 进 行, 试 验 采 用 设 备 为 M T S880 - 50KN 万 能实 验机, 加 载 速度 为 2mm / min。
( 6) 各层压板铺层形式及其参数见表 2。
表 2
层压板编号
M BC
MBH- 1
M BH- 2
100 598. 49
33. 68 498. 06
60. 37 468. 27
MBH- 3
82. 04 514. 39
M BG
0 373. 97
3. 2 多向混杂纤维复合材料的拉伸初始模 量的估算
在讨论强度估算模型具体算法之前, 首 先介绍多向混杂纤维复合材料层板的刚度算 法及考察用单向复合材料刚度性能估算多向 混杂纤维复合材料层板刚度性能的情况。
[ Q 1] 、[ Q 2 ] 分别为 1 组份层和 2 组份层 的正轴刚度矩阵;
第 2期
张大兴等: CF / GF 多向混杂纤维 复合材料拉伸特性研究
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[ Q ( K) ] 、[ Q ( L) ] 分别为 1 组 份层铺层角
为 和 2 组份层铺层角为 L 的偏轴刚度矩
从表 4 中的数据分析可以看出, 多向混
只有 M BC 的 50% 左右, 而 M BH - 1 的碳纤 维 含量 为 33. 68% , 但 其模 量 却是 M BC 的 90% 。
杂 FRP 的强度介于两种单一纤维层板之间, 在 0°向用 CF RP 代替 GF RP , 拉伸强度显著 提 高, 因 此 用 少 量 CF 就 可 明 显 的 改 善,
( 2) 0°向为 CFRP 的层板, 其模量要比 0° GF RP 的拉伸强度, 在±45°和 90°向用 GFRP
向为 GFRP 的层板大一倍左右, 因此就混杂 代替 CFRP, 拉 伸强度 有所下 降, 就 CF / GF
纤维复合材料而言, 在 0°向加入少量 CF 就可 混杂 F RP 的强度而言, 仍然是 0°向组分纤维
算。其研究结果为混杂纤维复合材料选材和 设计应用提供了参考依据。
2 实验部分
2. 1 原材料 实验用增强材料是日本东丽公司生产的
T 300 碳纤维和南京玻璃纤维研究设计院生 产的 S- 2 玻璃纤维, 树脂基体为航空工艺研 究所生产的 QY8911 双马来酰亚胺体系, 其 增强材料和基体树脂情况见表 1。
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新 型 碳 材 料
第 12 卷
律。但就纵向拉伸模量与碳纤维含量的关系 向混杂纤维复合材料的泊松比大大扩宽了多
而言, 多向混杂就与单向混杂有很大的不同, 向单一纤维层板的取值范围。
拉伸模量与碳纤维含量无线性关系。如 M BH 3. 1. 3 强度
- 2 的碳纤维含量虽然为 60. 37% , 但其模量
第 12 卷 第 2 期 新 型 碳 材 料 V ol. 12 N o . 2 1997 年 6 月 N EW CA RBO N M AT ERIA L S Jun. 1997
CF/ GF 多向混杂纤维复合材料拉伸 特性研究
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维复合材料的应力—应变曲线。 从图 2 中可见, 多向混杂纤维复合材料
的 - 响应介于两个多向单一纤维层板( 即 图 2 中的曲线 1, 5) 之间。而且, 当多向混杂纤 维 复合材 料的 0°向为 纯 CF 板( CFRP ) 时, ( 即图 2 中曲线 2, 3) , 其中 - 行为类似于 多向 CF RP ( 曲线 1) 行为, 多向混杂纤维复合 材料的 0°向为纯 GF 板( GFRP) 时, ( 即曲线 4) , 则其 - 行为 类似于多向 GF RP ( 曲线 5) 的行为, 可见 0°向组分层对多向混杂纤维 复合材料的 - 行为的影响大于混杂比的 影响。
加压再
自然冷却
加 0. 2～0. 3M Pa 恒温 1. 5 小时 后,
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新 型 碳 材 料
第 12 卷
80 ℃以 下出罐 。 ( 3) 试样层压板质量检测 层压板由超声波和软 X 射线探查, 其各
层 板 分 层 缺 陷 < 5 × 5mm 2, 孔 隙 含 量 < 1. 5% 。
( 4) 试样加工及尺寸 试样在 M W6020 磨床上进行切割, 其试 样尺寸长为 220mm, 宽为 25m m, 厚为 2mm,
大大提高层板的刚度。
类型的影响大于混杂比的影响。
( 3) 相比较而言, ±45°及 90°向纤维的种 3. 1. 4 拉伸破坏模式
类对多向混杂纤维复合材料模量影响较小,
聚合物基复合材料的宏观拉伸破坏模式
用 GF 在±45°及 90°向代替 CF 只会使多向 主要由增强纤维叠层形式决定, 但组分的力
混杂纤维复合材料的模量有较小的下降。 综上所述, 对于 CF / GF 混杂纤维复合材
和增强纤维局部从基体中拔出, 90°和±45°向 沿纤维劈裂, 出现“V”形破坏断面, 并且可以 观察到明显局部分层现象, 整个破坏表现为
维复合材料的泊松比介于两单一纤维层板之 脆断特征。
间, 而多向混杂纤维复合材料无此规律性。多
表 4
编
性
号
能
V CF 含量( % )
强 度( M Pa)
多向混杂 F RP 的强度
3. 1. 2 模量及泊松比 多向混杂 FRP 的混杂比, 模量及泊松比
见表 3。
表 3
编 号 V CF 含量( % ) 模量( G Pa)
泊松比
M BC 100 53. 91 0. 30
模量及泊松比
MBH- 1 33. 68 48. 21 0. 30
M BH- 2 60. 37 26. 38 0. 50
其次, 当拉应力为拉伸强度的 1/ 6 到 1/ 4 时, 就已经可以观察到 CF/ GF 混杂纤维复合 材料的 - 明显呈非线性, 其非线性程度主 要取决 于在应力方 向 GF RP 的刚度 分担比 例。
对于 CF/ GF 层合板拉伸 - 曲线出现 非线性的原因, 通常可归结为 材料原因 几体何素 损伤原因。
MBH- 3 82. 04 50. 20 0. 49
M BC 0
22. 93 0. 27
分析表 3 中数据, 对于拉伸模量( 文中如 未特别 指明 均指初 始模量) , 有 如下 几条规 律:
( 1) 多向混杂纤维复合材 料的拉伸模量 介于两单一纤维复合材料的模量之间, 这一 点与单向混 杂纤维 复合材料 具有相同 的规
2. 2 试样制备 ( 1) 层板的制备 预浸料在 T PJ- 2 排布机上制备, 按要求
铺层后在热压罐中成型。
( 2) 固化工艺
由 室 温 ( 真 空 度 > 0. 096M Pa )
升温 2℃/ m in
保温
100 ℃
10 分 钟
加压 0. 2M Pa
恒 温、恒 压 30 分 钟
升温至 177℃
同, 只有当材料经每一次拉伸后产生微裂纹, 出现永久性损伤, 以后不加大载荷在同样的 应力水平下重复加载, 裂纹不会进一步扩展, 才造成 2, 3, 4 曲线相同, 因此永久性损伤是 造成多向混杂纤维复合材 料的拉伸 - 曲 线出现非线性的主要原因。
图 3 - 曲线 1. = 200M Pa, = 1. 17% 2. = 200M Pa, = 1. 15% 3. = 200M Pa, = 1. 14% 4. = 200M Pa, = 1. 14%
V CF % *
0 33. 68 60. 37 82. 04
100
混杂界面数
0 6 8 6 0
* V CF表示混杂比。
图 1 CF/ GF 混杂 FRP 的 P- P L/ 曲 线
图 2 CF/ GF 混杂纤维 FRP 的部分 - 曲线( < 100M Pa)
图中 1- M BC, 2- M BH- 3, 3- M BH- 1, 4- M BH- 2, 5- M BG
为了证实是哪些原因使 CF / GF 层板的 拉伸 - 曲线出现非线性, 我们又做了下面 的实验, 对同一根试样在较大载荷下反复加 载, 记录下每次的 - 曲线, 其结果见图 3。 由图 3 可见, 出现非线性的主要原因是在拉 伸过程中层板内产生了永久性损伤。若因其 它两个原因引起的, 那么图 3 的曲线 1, 2, 3, 4 应该基本一样, 而事实上只有曲线 2, 3, 4 相
张大兴 张佐光
( 北京航空航天大学材料科学与工程系, 北京 100083)
摘 要 本文以碳纤维( CF ) 与玻璃纤维( G F) 混杂, 制成多向混杂纤 维复合材料层板, 并对其层板 进行拉伸性能测试, 观察其拉伸行 为。同时在层板理论的 基础上, 考 虑到混杂效应的作用 , 提出了 多向混杂纤维复合材料非线性迭代强度估算 模型。 关键词 复合材料 混杂复合材料 拉伸特 性
3 实验结果与讨论
3. 1 拉伸行为 3. 1. 1 应力—应变行为
实验已证实, 聚合物基复合材料的拉伸 应力—应变行为取决于增强材料的种类和叠 层方式, 增强材料与基体间的相互作用, 载荷 相对于材料弹性对称主轴的方向及试验的环 境条件。图 1 是多相混杂纤维复合材料完整
的载荷位移曲线。从图 1 中可以看出, 在破坏 前均未出现拐点或折线, 始终为光滑的曲线, 表现出一次破坏的特征, 这与单向混杂复合 材料通常出现的二次破坏特征[ 2] 不同。
表 1
性 能
密度( g/ cm 3) 拉伸模量( G Pa) 拉伸强度( M Pa) 断裂延伸率( % )
纤维和树脂的性能
碳纤维 T 300B- 3000- 40B
玻璃纤维 S- 2
1. 7 230 2950 1. 4
2. 54 85
2760 3. 3