溫度和應(yīng)變率對碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料壓縮性能的影響

張君秋,孫寶忠,張 威

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

溫度和應(yīng)變率對碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料壓縮性能的影響

張君秋,孫寶忠,張 威

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

利用帶有溫度控制裝置的分離式霍普金森桿(SHPB)測試碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料的沖擊壓縮性能,分析溫度和應(yīng)變率對碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料壓縮性能的影響.結(jié)果表明: 溫度和應(yīng)變率對碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料的面外沖擊壓縮模量、最大應(yīng)力及破壞形態(tài)都有很大影響.隨著溫度的增加,纖維與樹脂界面變?nèi)?最大應(yīng)力減小,壓縮模量減小;隨著應(yīng)變率的增加,最大應(yīng)力增加,壓縮模量變大. 通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn),纖維與樹脂界面在100 ℃時(shí)發(fā)生變化,有大量纖維束從經(jīng)、緯紗中被拉出,導(dǎo)致纖維束無規(guī)則斷裂.

碳纖維;平紋層壓復(fù)合材料;應(yīng)變率;沖擊壓縮

平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維沿經(jīng)、緯兩個(gè)方向分布且相互交織,與單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比,其具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖擊性能[1],在裝甲防護(hù)、飛機(jī)、艦船和汽車等的防撞擊結(jié)構(gòu)部件等動(dòng)態(tài)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用.在使用中工程結(jié)構(gòu)會受到不同溫度下的沖擊加載作用[2-3],研究不同應(yīng)變率及不同溫度下沖擊壓縮性能對平紋織物復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義.

近年來,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始研究溫度對單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和平紋機(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.文獻(xiàn)[4]測試了三維機(jī)織間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度(20和-196 ℃)下的三點(diǎn)彎曲性能.文獻(xiàn)[5]分析了低溫下碳纖維機(jī)織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基層壓復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度.文獻(xiàn)[6]在20～180 ℃條件下測試二維機(jī)織碳纖維增強(qiáng)層壓復(fù)合材料的拉伸性能.文獻(xiàn)[7]研究了溫度從室溫升到375 ℃的過程中,二維機(jī)織物碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺基層壓復(fù)合材料不同方向壓縮強(qiáng)度和失效機(jī)理.文獻(xiàn)[8]在不同溫度(25,-20和-60 ℃)下對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)壓縮測試.文獻(xiàn)[9]測試了具有單向鋪層、交叉鋪層、準(zhǔn)各向同性鋪層、機(jī)織物鋪層等不同鋪層方式的碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板在-150～20 ℃條件下低速沖擊力學(xué)響應(yīng)的溫度效應(yīng),并結(jié)合超聲波檢測法和掃描電子顯微鏡(SEM)觀測損傷機(jī)理.文獻(xiàn)[10]研究了不同溫度(20,60和100 ℃)條件下玻璃纖維/環(huán)氧樹脂交叉鋪層復(fù)合材料在5～70 J沖擊能量范圍內(nèi)的低速沖擊性能.文獻(xiàn)[11]進(jìn)行不同溫度(-60～100 ℃)條件下玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低速沖擊試驗(yàn),研究了試樣損失面積隨溫度的變化.這些研究主要集中于靜態(tài)和低速沖擊的溫度場下測試.

文獻(xiàn)[12]用分離式霍普金森壓桿(SHPB)研究溫度和應(yīng)變率對碳纖維/環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料壓縮性能的影響,并通過SEM 觀測溫濕度對破壞形態(tài)的影響.文獻(xiàn)[13]測試了平紋及緞紋碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料在室溫、52、79和107 ℃這4個(gè)溫度下的高應(yīng)變率面內(nèi)壓縮效應(yīng),研究了不同溫度下的裂紋形態(tài).

上述文獻(xiàn)主要集中于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、交叉鋪層復(fù)合材料和不同加載條件下復(fù)合材料壓縮性能的研究,對于碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料在不同溫度和不同應(yīng)變率同時(shí)加載條件下的面外壓縮性能則未見報(bào)道.為此,本文利用帶有溫度裝置(課題組自主設(shè)計(jì))的SHPB在溫度場下測試碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料(下文簡稱“平紋層壓復(fù)合材料”)的面外方向沖擊壓縮性能,探討溫度和應(yīng)變率對面外沖擊壓縮模量、最大應(yīng)力值及破壞形態(tài)的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

平紋層壓復(fù)合材料中的增強(qiáng)體碳纖維布由無錫市鵬盛碳纖維科技有限公司提供,其為平紋組織,面密度為480 g/mm2,厚度為0.48 mm,經(jīng)、緯紗密度皆為30根/10 cm,每根經(jīng)紗和緯紗都由12 000根單絲組成.采用江蘇常熟佳發(fā)公司生產(chǎn)的JC-02A型環(huán)氧樹脂作為基體,并用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法(DMA)測得其玻璃化溫度在110 ℃左右.

平紋層壓復(fù)合材料制備采用真空輔助樹脂傳遞模(VARTM)工藝,固化條件為：90 ℃下固化2 h,然后再將烘箱溫度調(diào)至110 ℃固化1 h,最后再調(diào)至135 ℃固化4 h.試樣用14層碳纖維布進(jìn)行固化,固化尺寸為10 mm(長)×10 mm(寬)×4.5 mm(厚度),纖維體積分?jǐn)?shù)約為60%.試樣表面及橫截面如圖1所示.

圖1 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料Fig.1 Carbon/epoxy plain woven laminated composites

1.2 試驗(yàn)方法

采用SHPB測試系統(tǒng)分別在20、50、80和100 ℃這4個(gè)溫度下測試試樣不同應(yīng)變率(700～900 s-1、950～1 100s-1、1 150～1 300 s-1)下的沖擊壓縮性能. SHPB裝置示意圖如圖2所示,該裝置所有桿直徑均為30 mm,沖擊桿、輸入桿、輸出桿和吸收桿的長度分別為400、2 000、2 000及600 mm.沖擊壓縮試驗(yàn)時(shí),將試樣放在輸入桿和輸出桿之間,按下打擊閥,沖擊桿在高壓氮?dú)獾淖饔孟卵刂鴮?dǎo)管高速撞向輸入桿,使輸入桿獲得一個(gè)壓縮波脈沖,壓縮波沿著輸入桿傳向試樣的端面,一部分反射回輸入桿,一部分透過試樣傳入輸出桿.采用與SHPB匹配的溫度裝置實(shí)現(xiàn)不同溫度的測試,其示意圖如圖3所示.

圖2 SHPB示意圖Fig.2 Schematic of SHPB

圖3 溫度裝置示意圖Fig.3 Schematic of temperature device

應(yīng)變率變化通過調(diào)節(jié)高壓氮?dú)忾y門實(shí)現(xiàn),即調(diào)節(jié)閥門使沖擊桿獲得不同速度,進(jìn)而使應(yīng)變率發(fā)生變化.氣壓與對應(yīng)的應(yīng)變率變化如表1所示.加載方向?yàn)檠睾穸确较驂嚎s.同一應(yīng)變率下,分別在20、50、80和100 ℃這4個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)沖擊壓縮.為了使每個(gè)試樣受熱均勻,將試樣放置在帶有溫度控制的加熱裝置中(保證此時(shí)輸入桿與輸出桿不在溫度裝置內(nèi)),達(dá)到所需溫度并且平衡30 min后,即時(shí)進(jìn)行沖擊,完成一次試驗(yàn).每個(gè)溫度做3次以上重復(fù)試驗(yàn).

表1 試樣壓縮應(yīng)變率與試驗(yàn)氣壓的關(guān)系

Table 1 Relationship between the strain rates of samples and gas pressures

應(yīng)變率/s-1700~900950~11001150~1300氣壓/MPa0.1500.1750.200

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對平紋層壓復(fù)合材料沖擊壓縮破壞形態(tài) 的影響

(a) 0.150 MPa

(b) 0.175 MPa

(c) 0.200 MPa圖4 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料典型破壞形態(tài)Fig.4 The typical damage modes of carbon/epoxy plain woven laminated composites

平紋層壓復(fù)合材料試樣面外沖擊壓縮典型破壞形態(tài)如圖4所示.試樣表面為沖擊面,即為與輸入桿接觸面.在應(yīng)變率為700～900 s-1條件下,即氣壓為0.150 MPa,如圖4(a)所示,上下兩組分別是受沖擊面破壞形態(tài)及其對應(yīng)的側(cè)面破壞形態(tài),試樣沖擊面樹脂基體開裂,平紋增強(qiáng)體產(chǎn)生一定變形,出現(xiàn)剪切破壞,但基本能保持為一個(gè)整體.剪切破壞產(chǎn)生的原因可能是,在面外沖擊時(shí),纖維束橫向受壓,而纖維束縱向強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于橫向強(qiáng)度,所以其承受不了橫向壓力而產(chǎn)生劈裂,從而應(yīng)力波在試樣內(nèi)可以得到傳播.沒完全解體的原因可能是平紋在垂直于加載方向的面內(nèi)有波浪形的纖維束增強(qiáng),減少了一部分剪切力,并緩沖了一部分應(yīng)力波.隨著溫度的增加,破壞程度增大,且有纖維束呈散射狀被壓出.在20和50 ℃條件下試樣側(cè)面破壞位置在中間,而在溫度為80和100 ℃作用下使得基體與增強(qiáng)體界面變?nèi)?試樣破壞由側(cè)面中間擴(kuò)展至整個(gè)側(cè)面.在應(yīng)變率為950～1 100 s-1和1 150～1 300 s-1條件下,即氣壓為0.175和0.200 MPa,如圖4(b)和4(c)所示的20和100 ℃環(huán)境下的典型破壞形態(tài),由于沖擊載荷增大,試樣不再是一個(gè)整體,基體破碎嚴(yán)重,但可看出增強(qiáng)體被剪切破壞,直至完全解體,試樣破壞越來越嚴(yán)重,直至完全破碎.

平紋層壓復(fù)合材料在溫度為20和100 ℃、應(yīng)變率為700～900 s-1條件下沖擊壓縮后試樣的SEM測試結(jié)果如圖5所示.由圖5可知,在20 ℃時(shí),纖維束基本保持完整,但在100 ℃時(shí),纖維束開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,基體破碎,并且纖維束斷裂不規(guī)則,這可能是溫度使得纖維與樹脂界面黏結(jié)力弱化,從而開裂分散.

圖5 試樣典型破壞形態(tài)SEM圖Fig.5 SEM images of the samples’ typical damage morphology

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同試驗(yàn)條件下測得的結(jié)果如表2所示.

表2 不同試驗(yàn)條件下的測量結(jié)果
Table 2 Test results under different conditions

氣壓/MPa溫度/℃最大應(yīng)力/MPa壓縮模量/GPa平均值方差平均值方差0.1502056689.3339.10.010505339.0007.70.0038045449.3337.20.01010040132.3336.60.0130.1752058322.3339.50.0135054920.3338.90.0038048349.3337.40.00310042366.3337.30.0030.20020607126.3339.90.01350562103.0009.50.01080531112.3337.50.003100483109.0007.00.003

不同應(yīng)變率條件下,溫度的不同對試驗(yàn)結(jié)果差異的顯著程度作方差分析，結(jié)果如表3所示.由表3可知，溫度對試樣的最大應(yīng)力和壓縮模量的影響顯著.

表3 方差分析結(jié)果
Table 3 Results of variance analysis

氣壓/MPa指標(biāo)來源平方和自由度均方F比0.150最大應(yīng)力溫度50588.25316862.75誤差360.00845.00374.70總計(jì)50948.2511F0.99(3,8)=7.59壓縮模量溫度10.5333.51誤差0.0780.01390.00總計(jì)10.5311F0.99(3,8)=7.590.175最大應(yīng)力溫度44818.25314939.42誤差316.67839.58377.45總計(jì)45134.9211F0.99(3,8)=7.59壓縮模量溫度11.5833.86誤差0.0580.01665.28總計(jì)11.6211F0.99(3,8)=7.590.200最大應(yīng)力溫度24360.9238120.31誤差901.338112.6772.07總計(jì)25262.2511F0.99(3,8)=7.59壓縮模量溫度17.8635.95誤差0.0680.01794.67總計(jì)17.9211F0.99(3,8)=7.59

不同溫度條件下,應(yīng)變率的不同對試驗(yàn)結(jié)果差異的顯著程度作方差分析，結(jié)果如表4所示.由表4可知,應(yīng)變率對試樣的最大應(yīng)力和壓縮模量影響顯著.

表4 方差分析結(jié)果
Table 4 Results of variance analysis

溫度/℃指標(biāo)來源平方和自由度均方F比20最大應(yīng)力應(yīng)變率2546.0021273.00誤差476.00679.3316.05總計(jì)3022.008F0.99(2,6)=10.92壓縮模量應(yīng)變率0.8920.44誤差0.0760.0136.34總計(jì)0.968F0.99(2,6)=10.9250最大應(yīng)力應(yīng)變率1264.222632.11誤差264.67644.1114.33總計(jì)1528.898F0.99(2,6)=10.92壓縮模量應(yīng)變率4.8822.44誤差0.0360.01435.91總計(jì)4.928F0.99(2,6)=10.92

(續(xù) 表)

2.3 平紋層壓復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下沖擊壓縮 溫度效應(yīng)

平紋層壓復(fù)合材料在不同應(yīng)變率(700～900 s-1、950～1 100 s-1、1 150～1 300 s-1),即0.150、0.175和0.200 MPa氣壓下,以及不同環(huán)境溫度(20、50、80和100 ℃)下面外沖擊壓縮的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.由圖6可知,所有曲線在壓縮初始階段均呈現(xiàn)線性變化,應(yīng)力隨應(yīng)變增加而線性增加.在20和50 ℃條件下,如圖6(a)和6(b)所示,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值后迅速下降;而在80和100 ℃時(shí),如圖6(c)所示,應(yīng)力達(dá)到最大值后并未迅速下降,而是隨應(yīng)變增加趨于平穩(wěn),而后又迅速下降.溫度越高,此平穩(wěn)期越明顯.而且在應(yīng)變率為1 150～1 300 s-1和100 ℃條件下,試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺最明顯.在相同條件下,隨溫度的升高,最大應(yīng)力變小,壓縮模量變小.這一方面可能因?yàn)闃渲c增強(qiáng)體受熱膨脹的性質(zhì)不同,另一方面可能是由于溫度會對聚合物基體的分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大影響,溫度越高,分子動(dòng)能越大,導(dǎo)致樹脂與纖維界面黏結(jié)變?nèi)?試樣塑性增加,脆性減弱.

(a) 0.150 MPa氣壓

(b) 0.175 MPa氣壓

(c) 0.200 MPa氣壓圖6 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在不同溫度、不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 The stress-strain curves of carbon/epoxy plain woven laminated composite under different temperatures and different strain rates

2.4 平紋層壓復(fù)合材料在不同溫度下沖擊壓縮應(yīng) 變率效應(yīng)

平紋層壓復(fù)合材料在相同溫度和不同應(yīng)變率條件下的面外壓縮力學(xué)性能參數(shù)如表2所示.由表2可知,平紋層壓復(fù)合材料在相同溫度、不同應(yīng)變率下面外沖擊壓縮有應(yīng)變率效應(yīng),在每一個(gè)溫度條件下,都有隨應(yīng)變率的增大,最大應(yīng)力增大,壓縮模量也有增大的趨勢.這表明試樣在面外壓縮即厚度壓縮方向具有應(yīng)變率效應(yīng).

3 結(jié) 論

(1) 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料面外沖擊壓縮具有溫度效應(yīng).在相同條件下,隨著溫度的增加,最大應(yīng)力值和模量都減小,應(yīng)變有增大趨勢,并且在達(dá)到最大應(yīng)力值后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線會有平穩(wěn)期出現(xiàn),溫度越高,平穩(wěn)期越長.而且在應(yīng)變率為1 150～1 300 s-1和100 ℃條件下,試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺最明顯.

(2) 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料面外沖擊壓縮具有應(yīng)變率效應(yīng).在相同溫度下,隨應(yīng)變率的增大,最大應(yīng)力和壓縮模量增大.

(3) 碳纖維平紋織物/環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料面外壓縮典型破壞模式出現(xiàn)剪切破壞,隨著溫度的升高,破壞加重,出現(xiàn)纖維束散開現(xiàn)象.在應(yīng)變率為950～1 300 s-1條件下,試樣開始破碎,出現(xiàn)單纖維束碎片,到最大應(yīng)變率及溫度時(shí)試樣已完全破碎.由SEM觀察典型破壞形態(tài)可知,當(dāng)溫度為100 ℃時(shí),纖維束開裂明顯,纖維斷裂不規(guī)則.

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Effect of Temperature and Strain Rate on the Compression Behaviors of Carbon/Epoxy Plain Woven Laminated Composites

ZHANGJun-qiu,SUNBao-zhong,ZHANGWei

(College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

The impact compressive properties of carbon/epoxy plain woven laminated composites were tested on the split Hopkinson pressure bar (SHPB) to analyze the effect of temperature and strain rate on the compressive properties of the composites.The results reveal that the temperature and strain rate have significant influences on the impact compression modulus,peak stress and failure morphology. With the increase of temperature,fiber-matrix interface becomes soft,which leads to peak stress and compression modulus decrease. And with the increase of strain rate,peak stress and compression modulus increase,as well. Through scanning electronic microscopy (SEM) observations,it was found that the change of fiber-matrix interface was occurred at 100 ℃. There are abundant fibers pulled out from the warp and weft yarns,which makes the irregular fracture of fiber tows.

carbon fiber;plain laminated composites;strain rate;impact compression

1671-0444 (2016)05-0636-05

2015-07-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272087)

張君秋(1991—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料沖擊動(dòng)力學(xué).E-mail: junqiuzh@163.com 孫寶忠(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: sunbz@dhu.edu.cn

TB 332

A