碳纖維織物拉伸強度影響因素的研究

趙祎平，蘇霞，張黃旭，劉浩軒，郭博睿

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

0 引言

碳纖維預浸料是由增強體，如碳纖維紗、樹脂基體、離型紙等材料，經過涂膜、熱壓、冷卻、覆膜、卷取等加工而成的復合材料，又名碳纖維預浸布。碳纖維復合材料是一種高強度、高模量的新型纖維材料。碳纖維產品具有耐腐蝕性、高強度、高模量等特點，產品主要應用于航空航天、汽摩配件、運動器材、建筑加固及各種裝飾件等[1-3]。溫固化阻燃環氧碳纖維預浸料8552S/40%/193PW/AS4-3K材料現已在飛機機身結構上得到較大量的應用，特別是民機。近期，連續三批次的材料入廠復驗數據顯示未達到測試要求，現按標準材料文件制作試板，并按ASTM D3039標準測試碳纖維織物的拉伸強度。

1 概述

1.1 原理

拉伸強度即抗拉強度。拉伸強度即為在不斷增大的拉伸載荷的作用下，材料斷裂時承受的最大應力。具體試驗方法為將按規定要求制備固化完成的碳纖維織物試板兩頭夾在試驗機的上下夾頭上， 并對其施加不斷增大的拉伸載荷， 測定材料的拉伸性能。

層壓拉伸強度試樣的固化參數如下為：①對真空袋抽真空至0.065MPa~0.075MPa，并保持60min；②對熱壓罐加壓，當熱壓罐達到0.14MPa時，真空通大氣；當熱壓罐達到滿壓時，開始加熱；③固化壓力為0.6MPa±0.034MPa；④固化溫度為185℃±5℃；⑤升溫速率為0.2℃/min～3.5℃/min；⑥在壓力為0.6MPa±0.034MPa，溫度為185℃±5℃條件下，保溫120min~135min；⑦降溫速率0.2~3.5℃/min。

膠接拉伸強度試樣的固化參數如下為：①對真空袋施加不低于0.08MPa的真空壓力；②當熱壓罐壓力達到0.069MPa之后，且組件溫度未達到50℃之前，將真空袋通大氣，在固化過程中保持通大氣的狀態；③固化壓力為0.30±0.035MPa；④滿壓后開始升溫，以0.6℃/min~3.7℃/min升溫至107.2℃；在107.2℃~132.2℃保溫90min~200min；⑤降溫速率≤5.6℃/min。

1.2 計算公式

試樣拉伸過程中

式中：

Ph：試樣發生截面斷裂時的最大載荷，N；

b：試樣寬度，mm；

h：試樣厚度，mm；

其中，Ph由材料試驗機測定，b和h由游標卡尺測定[4]。

1.3 研究內容

結合碳纖維材料熱壓罐固化材料的工藝現狀，確定了下料方式、纖維角度、有無加強片三方面因素分析了織物拉伸強度的變化。

2 試驗部分

2.1 試樣

拉伸試樣的制作和測試要求為：①試樣鋪層數量為12層，理論厚度為2.46 mm，理論寬度為25 mm，方向為0°和90°；②每組試樣數量不少于5個，拉伸強度值最終取測試值的平均值；③7°倒角加強片選用玻璃纖維預浸料MXB7668/7781，鋪層數量為8層；④粘接加強片角膠膜為LOCTITE EA 7000 050NW AERO。

圖1為一般織物拉伸試樣圖，圖2為有7°倒角加強片的拉伸試樣圖。由圖中可以看出，試樣斷裂缺口比較齊平，說明試樣在拉伸時，受力較為均勻[5]。

2.2 試樣試驗用材料

試驗用材料見表1所示：

表1 試驗用材料

2.3 試驗成型工藝流程

碳纖維拉伸強度研究試板工藝流程如圖3所示。

其中層壓拉伸強度試樣試板制作流程為生產準備、下料、鋪貼、制袋、固化、切割修整、標識、最終檢驗。膠接伸強度試樣試板制作流程為生產準備、下料、鋪貼、制袋、固化、切割修整、二次膠接、固化、切割修整、標識、最終檢驗。

3 實驗數據及分析

3.1 下料方式對拉伸強度的影響

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纖維玻璃布材料制作試板，試樣尺寸如圖1，按1.1節層壓拉伸強度試樣固化參數固化后并銑切，試驗數據見圖4。

在試樣結構相同時，研究90°試樣分別在數控和手工情況下的拉伸強度。由圖4數據可以看出，手工下料拉伸試樣的拉伸強度高于數控下料拉伸試樣，分析其原因，主要是因為原材料的絲束在90°方向有彎曲，而數控下料的時沿90°方向直線下料，導致料片90°方向纖維絲束的偏差較大，有效拉伸絲束（如圖5所示）減少。使得拉伸強度降低。手工下料時則沿著原材料90°彎曲的纖維方向下料，減少了90°方向纖維絲束的偏移，提高了拉伸強度。并且，當纖維絲束的角度偏差增大時，有效拉伸絲束。如圖5，有效拉伸絲束為圖示中L1所示。則，

式中：

L：試樣長度；

L1：有效拉伸寬度；

D：試樣寬度；

α：纖維偏差角度。

由式中可以看出，當α增大時，L1減小。即當纖維偏移較大增大時，試樣有效拉伸寬度減小。

3.2 纖維角度對拉伸強度的影響

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纖維玻璃布材料制作試板，試樣尺寸如圖1，按1.1節層壓拉伸強度試樣固化參數固化后并銑切，試驗數據見圖6。

由圖6數據可以看出，使用同種下料方式，試樣結構相同時，試樣0°拉伸試樣拉伸強度遠遠大于90°，分析原因，主要是由于原材料0°方向纖維絲束受纖維張力的影響，纖維絲束角度偏差非常小，根據3.1節公式（2），有效拉伸絲束越多，故測試數據較高。

3.3 有無加強片對拉伸強度的影響

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纖維玻璃布和膠膜LOCTITE EA 7000 050NW AERO材料制作試板，試樣尺寸如圖2，按1.1節固化參數固化后并銑切，試驗數據見圖7。

由圖7數據可以看出，使用同種下料方式，織物0°拉伸強度和90°拉伸強度數據相近，也就是說，有無加強片對試樣的拉伸強度影響不大。加強片在織物被拉伸時起到保護試樣端頭的作用，它通過膠膜LOCTITE EA 7000 050NW AERO與基體粘接，按1.1節膠接拉伸強度試樣固化參數進行固化，并且試驗中保持不脫落。

4 結語

文章研究了下料方式、纖維角度、有無加強片三方面因素對織物拉伸強度的影響。結果表明：①手工下料的織物90°方向拉伸強度比數控下料的高。因下料方式不同，手工下可沿織物90°纖維方向下料，使得拉伸過程中承力的有效纖維絲數較多，從而增大拉伸輕度。且偏差角度越大，拉伸過程中承力的有效絲束越少，織物的拉伸強度越小；②織物0°方向拉伸強度遠遠大于90°方向拉伸強度。織物0°由于纖維張力的作用，其纖維角度偏差較90°方向小，故拉伸強度越大；③有無加強片對織物拉伸強度影響不大。加強片在織物拉伸過程中，起到保護試樣的作用，鋪貼固化后保證其不脫落即可，對拉伸強度的影響不大。