碳纖維纏繞復合材料力學性能試驗研究

龍 兵，高雙勝，曹 霞

(常州工學院航空與機械工程學院，江蘇 常州 213032)

0 引言

纖維纏繞復合材料作為一種典型的復合材料結構形式，具有較高的比強度和比剛度、纏繞線型和纏繞角度可設計等優點，已普遍應用于導彈武器、航空航天及壓力容器等重要領域。但是纏繞復合材料結構對于機械沖擊載荷十分敏感，即使在低能量沖擊，如工具墜落、設備碰撞及碎石飛濺等情況下，產品結構也有可能受到一定程度損傷。為了能夠更好評估受沖擊后纏繞復合材料結構的損傷情況及剩余強度，需要有較為準確的纏繞復合材料的初始力學性能數據。

近年來，很多學者從宏觀、細觀、工藝參數、纏繞壓力等方面對纏繞復合材料力學性能進行了大量研究。顧紅星等研究了樹脂基體和成型工藝參數等對T800碳纖維纏繞成型復合材料性能的影響；程勇等研究了NOL環層間剪切強度與Ф150 mm容器爆破性能的關系；何曉東等研究了復合材料纏繞成型壓力對制品層間剪切強度影響作用；Li等通過有限元仿真研究了復合材料的失效準則和損傷演化；林天一等通過建立殼體結構完整性分析模型研究了不同特征參數殼體的承載特性。

以往在進行纖維纏繞復合材料結構的力學分析時，大都采用的仍是復合材料層合板的相關力學性能數據，缺乏纖維纏繞復合材料結構專門的力學性能測試數據。然而，由于復合材料層合板和纖維纏繞復合材料殼體制作工藝的差異，兩者的力學性能參數不可能完全等效。因此，有必要開展纖維纏繞復合材料相關力學性能測試，并分析面內剪切非線性對纖維纏繞復合材料殼體力學性能的影響。文中通過制作纏繞復合材料NOL試件和纏繞復合材料板型件，并依據相關試驗標準，開展了纏繞復合材料的拉伸、面內剪切和層間剪切試驗，以獲取碳纖維/環氧樹脂基纏繞復合材料(T700/Epoxy)的基本力學性能參數。

1 試驗材料及方法

采用日本東麗T700碳纖維和環氧樹脂，制作相應的纏繞復合材料試件。

1.1 NOL拉伸及層間剪切試驗

NOL環試驗件采用纖維纏繞成型工藝制作而成，與纏繞復合材料殼體等結構的制作工藝接近，測得的數據針對性更強。因此，使用NOL環測試纏繞復合材料的拉伸強度和層間剪切強度。T700碳纖維/環氧樹脂復合材料NOL環的制備是在西安航天復合材料研究所的數控纏繞機上制作完成的。針對復合材料拉伸測試和層間剪切強度測試試驗，分別制作1.5 mm和3 mm兩種不同厚度的NOL環，前者用于拉伸強度測試，后者用于層間剪切強度測試，制作完成的NOL試件和其尺寸如圖1所示。

圖1 T700碳纖維復合材料NOL環試樣

參照GB/T 1458—2008，分別采用劈裂圓盤法和短梁剪切法測試復合材料NOL環拉伸強度和層間剪切強度，拉伸和層間剪切強度測試均選取27個有效試樣進行統計分析。

1)拉伸強度和拉伸模量的計算

NOL的拉伸強度按照式(1)計算：

(1)

式中：為試件的破壞載荷；為試樣寬度；為試樣厚度。

NOL環的拉伸模量按照式(2)計算：

(2)

式中：Δ為載荷-位移曲線上初始直線段的載荷增量;為試樣直徑;Δ,Δ分別為對應于載荷增量Δ的兩側變形增量。在拉伸試驗中，載荷增量Δ的起始點載荷為3 kN，終止點載荷為7 kN。

2)剪切強度的計算

NOL環的剪切強度按照式(3)計算：

(3)

1.2 纖維纏繞復合材料面內剪切性能試驗

面內剪切性能是復合材料的重要性能指標之一，目前常用的復合材料剪切試驗方法包括±45°縱橫剪切、雙V形槽剪切、薄壁筒扭轉等，其中縱橫剪切法由于試樣制備和加載方式簡單,得到了較為廣泛的應用。文中依據ASTM D3518—2013標準中的步驟開展復合材料面內剪切試驗。

為了更準確的反映纖維交疊對纏繞復合材料面內剪切性能的影響，制作了纏繞復合材料拉伸試件，制作過程為：首先在纏繞機上制作纏繞角度為±45°、厚度為2 mm的殼體試件；然后去掉復合材料封頭處的纖維層，將纏繞復合材料殼體沿軸線方向割開、展平；再將展平的纏繞復合材料放置在鋼質模具內加壓固化成型；最后采用水切割方法將平板按照相應尺寸制作成±45°縱橫剪切試件，并在兩端貼上加強片待用，整個制作過程如圖2所示。由于在復合材料殼體展開的過程中，其邊界處的纖維角度會出現一定程度的翹曲，因此在固化成型后去掉該部分，以保證試件的鋪層順序符合標準要求，試樣尺寸如圖3所示。

圖2 ±45°縱橫剪切試樣制作過程

圖3 ±45°縱橫剪切試件尺寸示意圖(單位:mm)

同時，為了對比分析的需要，制作了鋪層順序為±45°的傳統復合材料層合板試件，并同樣對其進行了面內剪切試驗。

在進行纏繞復合材料±45°縱橫剪切試驗過程中，采用數字散斑應變測試技術(DIC)監測了試件加載過程中應變場的變化情況，記錄試件破壞過程中的縱、橫向應變變化情況，同時分析纏繞結構對應變場的影響情況。

測定剪切模量需要記錄縱向與橫向應變，這可以通過DIC測試得到，縱橫剪切模量為：

(4)

式中：Δ為載荷-應變曲線上的載荷增量；Δ為與Δ相對應的試樣軸向應變增量；Δ為與Δ相對應的垂直于試樣軸線方向的應變增量。

縱橫剪切強度表達式為：

(5)

式中：為試樣破壞時的最大載荷。

2 試驗結果分析

通過上述試驗，得到了T700/Epoxy纖維纏繞復合材料的基本力學性能參數，包括：縱向拉伸強度、縱向彈性模量、面內剪切強度、面內剪切模量、層間剪切強度及層間剪切模量等參數。同時，采用復合材料橫向拉伸試件測試得到了T700/Epoxy復合材料的橫向拉伸強度和橫向拉伸模量，測試得到的結果如表1所示。

表1 T700/Epoxy纏繞復合材料性能測試結果

從測試結果可以看出，纖維纏繞復合材料的拉伸強度及剪切強度均具有一定的分散性，根據以往的經驗，復合材料強度一般服從威布爾分布。因此，采用最大似然估計法進行雙參數威布爾分布擬合。

雙參數威布爾分布的分布密度函數可以表示為：

(6)

式中：>0為威布爾分布中的形狀參數；>0為尺度參數。

已知樣本，容量為，服從雙參數威布爾分布，采用最大似然估計法計算其威布爾分布參數的過程為：

1)求取樣本對應的似然函數

(7)

2)對似然函數兩邊取對數

(8)

3)對上式分別關于和求偏導，并令其為零，則有:

(9)

采用Newton-Raphson算法求解式(7)，得到威布爾分布的形狀參數和尺度參數，最終擬合結果如圖4所示。

圖4 雙參數威布爾分布函數擬合結果

在對所得試驗數據進行參數估計后，采用K-S檢驗方法對其進行分布假設檢驗。K-S檢驗的基本原理是將需要做統計分析的數據和另一組標準數據進行對比，求得其與標準數據之間的偏差，判斷偏差值是否落在要求的置信區間內，若偏差值落在了對應的置信區間內，則說明被檢測的數據滿足要求。在顯著性水平為0.05的情況下對上述復合材料強度的威布爾分布參數進行了K-S檢驗，檢驗結果表明：縱向拉伸強度、面內剪切強度和層間剪切強度均服從雙參數威布爾分布，分布參數如表2所示。

表2 T700/Epoxy強度性能的威布爾分布參數及K-S檢驗結果

圖5為纖維纏繞平板試件和復合材料層合板試件的面內剪切應力-應變曲線。

圖5 兩種試件面內剪切應力-應變曲線對比

從圖中可以看出，兩種試件的面內剪切應力-應變均呈現明顯的非線性特性，纖維纏繞復合材料試件和復合材料層合板試件在拉伸的初始階段表現出較為相似的行為，但是纖維纏繞復合材料的面內剪切失效應變明顯大于層合板的失效應變。纖維纏繞復合材料剪切非線性特性與其細觀尺度上的纖維交疊結構密切相關，且纖維交疊結構對拉伸過程中試件內部的損傷擴展起到了阻礙作用，使得纖維纏繞復合材料剪切試件能夠承受比復合材料層合板更大的剪切變形。

3 結論

通過上述研究，得出以下主要結論：

1)纖維纏繞復合材料結構和復合材料層合板結構的剪切應力-應變曲線均呈現出明顯的非線性特征；纖維交疊結構對纖維纏繞復合材料結構內部的損傷擴展起到了阻礙作用，使得其面內剪切失效應變明顯大于復合材料層合板的失效應變。

2)根據纖維纏繞復合材料強度性能的分布規律，認為復合材料強度性能服從雙參數威布爾分布，采用最大似然估計法對威布爾分布參數進行了擬合計算，并對擬合結果進行了K-S檢驗，結果表明：在顯著性水平為0.05時，纖維纏繞復合材料的縱向拉伸強度、面內剪切強度和層間剪切強度均服從雙參數威布爾分布。