碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能

碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能
Investigat ion into the T ension Propert ies of Carbon Fiber Reinforced
M agnesium A lloy Lam inates
郑长良1,朱公志1,刘文博2,王荣国2,
(1大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁大连116026;
2哈尔滨工业大学复合材料研究所,150001)
ZH ENG Chang liang1,ZH U Gong zhi1,LIU Wen bo2,WANG Ro ng g uo2
(1Electro mechanics and Mater ials Engineering Co lleg e,
Dalian M aritime Univ er sity,DaLian116026,China;2Center fo r
Co mposite M aterials,H arbin Institute of T echnolog y,H ar bin150001,China)
摘要:对碳纤维增强镁合金金属层合板FM L(F iber M etal L aminates)进行了初步的探索和研究。

在几种不同层数和体分比下,制备了碳环氧/镁合金层合板这种轻型结构材料,通过对这种新材料的初步力学性能的试验测试,给出了碳纤维增强镁合金金属层合板的应力 应变曲线,以及强度极限、弹性模量与纤维/环氧复合材料百分含量的关系。

关键词:碳纤维;层合板;镁合金;拉伸
文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2007)Suppl 0148 03
Abstract:T he Fiber reinforced mag nesium alloy laminates are investigated Some laminates w ith dif ferent m unber of layer and different vo lum e ratio of composite are fabricated The basic m echanics pro perties such as limite streng th,mo duls and stress strain curves are tested and discussed
Key words:carbon fiber;lam inate;mag nesium alloy;tensio n
近些年来,FM L(Fibre M etal Laminates,纤维增
强金属层合板)因其具有高比强度、高比模量及优良的耐疲劳等良好的特性而越来越受到关注[1],开始应用于航空结构中,并有越来越多的趋势,由于潜力巨大,有望成为 下一代飞机结构材料[3-5]。

目前,开发研制纤维增强金属层合板有ARA LL(aramid fiber/alu m inium,芳纶纤维增强铝合金层合板)、GLARE (glass fiber/alum inium玻璃纤维增强铝合金层合板)等。

其中GLARE已在空中客车结构中得到应用,表明这种结构材料在性能上具有强大的竞争力和优势。

目前我国已将 大飞机研制列入 十一五规划,使得FM L研发的重要性和紧迫性大幅度提高。

目前,纤维增强金属层合板,多数采用铝、锂合金。

相比之下,镁合金的密度更低,只有铝合金的三分之二,是当前最轻的金属材料[2]。

因此,在重量方面更具有优势,更适于FM L结构材料的开发,有望制造出比强度、比刚度更高的纤维增强金属层合板。

而镁合金金属层合板的研究还很少见。

本工作将就碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能进行初步探索和研究。

1 材料及试件制作
图1展示了由两层碳纤维/环氧树脂铺层与三层镁合金板交替铺设的纤维增强镁合金金属层合板的结构形式。

本研究制备了三种不同铺层的层合板,碳纤维/环氧复合材料铺层体积百分比变化的实现是通过增加复合材料的厚度和层数来实现的。

经测定,三种层板的纤维复合材料的体分比分别为:26%,42%, 55%。

文中用v f来表示复合材料占整个试件的体积百分比。

试验所用镁板的厚度为0 3m m,是营口银河镁合金有限公司生产的。

所用纤维为T800,胶粘剂是环氧树脂。

从室温加热至120!,保温4h,再在炉内冷却至室温进行固化。

2 性能测试
每种体分比的金属层合板,我们制备了五个等截面矩形试件,试件的宽度是15mm,长度是300mm。

在试件的两端粘接四个垫片,材料为铝板。

试件及垫片的结构及尺寸如图2所示。

148 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)
图1 层合板铺叠结构示意图
Fig 1 Build up of carbon fiber metal lam inates
based on magnesium
alloy
图2 试件及垫片示意图Fig 2 S pecimen and shim
试验在CSS 88100电子万能试验机(长春试验机研究所)上进行,该机采用楔形剖面摩擦夹紧装置。

试验时单调地给试件加载,直至试件完全破坏。

加载速率为2mm/m in 。

图3显示出了26%,42%,55%三种不同碳纤维/环氧复合材料体积百分比的镁合金FM L 和M g 合金板的实测应力 应变曲线。

从图中可以很明显地看出,三种FM L 的强度极限分别为348,417M Pa 和477M Pa,都显著高于镁合金板的强度极限174MPa,随着复合材料体分比的增加,镁合金金属层板的强度极限也明显提高,说明纤维增强效果明显。

而且,复合材料体积含量与层合板的拉伸强度极限近似地成线性关系,见图4。

而在初始弹性阶段,三种层合板与镁的弹性模量是非常接近的,没有显著差别,这也可能和纤维单向铺设有关。

图3 应力 应变曲线Fig 3 S tress s train cu rves
从图3的实验曲线可以观察到,三种不同碳纤维/环氧复合材料体积百分比FML 有着相似的拉伸破坏过程。

拉伸曲线经过一小段初始线性阶段,出现轻微转折,可能的原因是在层合板内,纤维的受力是均匀等因素造成的。

然后,曲线以直线方式达到应力最高点A,试验中,可以听到清脆的断裂声,表明纤维开始断
裂,曲线也急剧下降到B 点,表现出明显的的脆性断裂特征。

说明镁合金金属层合板的拉伸强度特征主要
由纤维控制。

以复合材料体积百分比为26%的层合板为例。

图4 拉伸强度随复合材料体积百分比变化图Fig 4 Th e variation of th e tens ile strength of magnesium FM Ls w ith composite volume fraction
3 结论和展望
对碳纤维增强镁合金层合板的初步拉伸力学性能测试结果表明:纤维/环氧复合材料可显著提高镁合金的极限破坏强度,随着复合材料体分比的提高,所制成的金属层合板的强度随之提高,且近似地成线性关系;镁合金FM L 的断裂方式与单一合金拉伸有所不同,其断裂首先从纤维开始,然后是镁合金板,显示出脆性断裂特征。

纤维增强镁合金层合板具有较高的拉伸强度,具有较好的力学性质,可以预见可能具有良好的前景。

目前的研究工作还只是初期尝试,还有很多方面研究工作需要开展,相信随着研究工作的展开和深入,纤维增强镁合金层合板更多优秀的性质会被发现,性能更为优异的FML 结构材料会被开发出来。

参考文献
[1] A VLOT.Fibre M etal Lam inates;An Introduction[M ].C hapt 1
(Kluw er Academic Publishers,2001)
[2] P CORTE ∀S,W J CANT WE LL.Fracture properties of a fiber
m etal lamin ates b as ed on magnesium alloy [J].Journal of M ateri
149
碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能
als Science,2004,39:1081-1083.
[3] 霍奇金森.先进纤维增强复合材料性能测试[M].北京:化学工业
出版社,2005 9.
[4] L B Vogeles ang,A Vlot.Developm ent of fibre metal laminates
for advanced aerospace structures,Faculty of Aeros pace Engi n eering[J].Delft University of T echn ology,Kluyverw eg1,2629
H S Delft,Netherland s,J ou rnal of M aterials Proces sing Technol
ogy,2000,103:1-5.
[5] A ASU NDI,Alta Y N CH OI.Fib er M etal Laminates An Ad
vanced M ater ial for Future Aircraft[J].J ou rnal of M aterials Pro
cess ing Technology,1997,63:384-394.
作者简介:郑长良(1963#),男,博士(法国贡比涅技术大学),教授/博导,联系地址:大连海事大学机电与材料工程学院机械系(116026)。

E mail:zhengcl@new mail dlmu edu cn
∃
150 材料工程/2007年增刊1(China SA M P E2007)。