高低溫環境對碳纖維增強塑料剪切性能的影響＊

孫閃閃，方允偉，文治天

（南京國材檢測有限公司，南京 210012）

0 前言

碳纖維增強塑料（CFRP），具有重量輕、比強度高、比剛度高、加工成型方便、熱穩定性能、抗疲勞性能和減振性能好等優點，已被廣泛應用于航空航天［1，2］、航海、風力發電、汽車、化工、紡織、電子電氣、壓力容器、建筑、體育休閑等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。碳纖維等高性能纖維作為國家重點優先發展的關鍵材料，是我國經濟發展和國防建設不可或缺的戰略性材料。CFRP復合材料的力學性能主要取決于纖維的性能、樹脂的性能和復合材料的界面性能等。復合材料的界面是指復合材料中增強材料與基體樹脂接觸所構成的界面，復合材料的界面性能對材料的綜合性能有重要的影響［3］，良好的界面性能能夠避免材料在受力過程中過早的破壞，從而充分發揮增強纖維的承載能力。縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均表征的是復合材料層與層之間的剪切性能，反映的是復合材料層與層之間產生相對滑位移時所產生抵抗的能力，從一個應用的角度反映了復合材料基體與增強體之間的界面強弱，不同的是縱橫剪切強度采用±45°偏軸拉伸的方法進行測試，而短梁層間剪切強度采用三點彎曲的方法進行測試。

CFRP在工程應用中，不可避免地受到嚴寒、酷暑等周圍特殊環境的影響，在特殊環境中復合材料的界面性能會出現不同變化，使CFRP的力學性能也呈現不同的變化。不少學者在高低溫老化對碳纖維增強塑料剪切性能的影響方面做了研究，比如張婷等研究了溫度、高低溫循環及凍融循環對連續碳纖維增強聚苯硫醚復合層板層間性能的影響［4］，張玲峰等研究了纖維布、剪切面、溫度對多軸向拉擠復合材料面內抗剪性能的影響［5］，葉國方等在研究耐高溫環氧樹脂及其預浸料的制備與性能時對其層間剪切性能做了分析研究［6］。本文對T800碳纖維增強塑料在-50 ℃、-40 ℃、23 ℃、70 ℃、120 ℃、150 ℃和200 ℃溫度下分別進行縱橫剪切性能和短梁層間剪切性能測試，由此分析研究溫度對復合材料剪切性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

T800碳纖維增強塑料，紗線沿0°方向鋪制的單向板材用以短梁層間剪切試驗，依據JC/T773-2010《纖維增強塑料 短梁法測定層間剪切強度》制備短梁層間剪切試驗試樣，試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm。紗線沿±45°方向鋪制的層合板用以縱橫剪切試驗，依據GB/T3355-2014《聚合物基復合材料縱橫剪切試驗方法》制備縱橫剪切試驗試樣，試樣尺寸為250 mm×25 mm×4 mm，不粘貼加強片。

1.2 實驗儀器

電子強力試驗機：量程：100 kN，精度：0.5級，進口；

高低溫試驗箱：工作溫度范圍：-70~350 ℃，進口。

1.3 實驗方案

本試驗依據溫度（-50，-40，23，70，120，150和200 ℃）和測試性能（縱橫剪切和短梁層間剪切）共設計14組試驗，每組試驗有效數據個數均為5個，并計算每組試驗的平均值、變異系數和性能保持率，其中性能保持率是指該性能測試的平均值與23 ℃常溫下該性能測試平均值的百分比。具體設計試驗矩陣如表1所示。

表1 CFRP高低溫性能設計試驗矩陣

縱橫剪切性能和短梁層間剪切性能分別依據標準GB/T3355-2014和JC/T773-2010進行測試，在進行測試前，將試驗環境箱和試驗夾具預熱到所需的測試溫度，再將試樣安裝在夾具中，關上環境箱，待溫度達到測試溫度時開始計時，保溫5~10 min后開始測試，試驗結束后記錄每根試樣的強度，檢查試樣失效模式，剔除破壞模式不可接受的數據。

1.4 性能表征與計算

1.4.1 縱橫剪切性能

縱橫剪切強度依據式（1）進行計算：

式中：

S——縱橫剪切強度，MPa；

Pmax——剪應變等于或小于5%的最大載荷，N；

w——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

1.4.2 短梁層間剪切性能

短梁層間剪切強度依據式（2）進行計算：

式中：

τ ——剪切強度，MPa；

Pmax——破壞載荷或最大載荷，N；

w——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

2 試驗結果分析

CFRP 縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度在不同溫度下的試驗結果如表2所示，縱橫剪切強度隨溫度的變化曲線如圖1所示。短梁層間剪切強度隨溫度的變化曲線如圖2所示。

圖1 縱橫剪切強度隨溫度的變化

圖2 短梁層間剪切強度隨溫度的變化

表2 剪切性能測試結果

分析測試結果可知，溫度由23 ℃降低至-40 ℃和-50 ℃后縱橫剪切強度由97.97 MPa升高到124.7 MPa和132.3 MPa，分別提高了27.2%和35.0%；短梁層間剪切強度由111.4 MPa升高到128.9 MPa和133.3 MPa，分別提高了15.7%和19.6%，即隨溫度降低至-40 ℃和-50 ℃時縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均有顯著提高。這主要是由于碳纖維和基體樹脂的熱膨脹系數存在差異，基體樹脂的熱膨脹系數大于碳纖維的熱膨脹系數使碳纖維在低溫環境下會受到樹脂的夾緊力，即增加了基體與纖維的結合度，形成了強界面，提高了界面的相容性［7，8］，提高了纖維和樹脂間層間性能，即提高了縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度。

當溫度由23 ℃升高至70 ℃時，縱橫剪切強度由97.97 MPa升高到98.20 MPa，提高了0.2%，短梁層間剪切強度由111.4 MPa升高到112.4 MPa，提高了0.9%；當溫度升高至120 ℃、150 ℃和200 ℃高溫時，縱橫剪切強度降低到61.68 MPa、53.71 MPa和46.80 MPa，分別降低了37.0%、45.2%和52.2%，短梁層間剪切強度降低到68.17 MPa、56.16 MPa和46.48 MPa，分別降低了38.8%、49.6%和58.3%，即溫度升高至70 ℃時縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度基本不變，溫度達到120 ℃時縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均顯著降低，溫度由120 ℃升高至150 ℃以及持續升至200 ℃時縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均呈現顯著下降趨勢。這主要是由于溫度在70 ℃時纖維增強體和基體樹脂間的界面結合效果幾乎不變，即碳纖維增強塑料的界面性能幾乎不變，溫度升高至120 ℃時，由于基體樹脂的模量變小使基體樹脂軟化明顯、基體樹脂的粘結力降低使基體樹脂和纖維間的結合力下降，從而降低了纖維與基體樹脂間的層間性能，即降低了碳纖維增強塑料的界面性能。隨著溫度升高至200 ℃，碳纖維增強塑料中的纖維與基體樹脂間的界面結合效果越來越弱，其縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度顯著下降。

縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度性能保持率隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 性能保持率隨溫度變化折線圖

分析圖3可知，隨溫度的變化縱橫剪切強度性能保持率整體變化趨勢與短梁層間剪切強度性能保持率整體變化趨勢基本一致，溫度由-50 ℃升高至23 ℃，再升高至200 ℃，在整個過程中隨著溫度的升高，縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均整體呈現顯著下降趨勢。由于基體樹脂和增強體纖維之間的熱膨脹系數的不同，隨著溫度的升高，將導致兩者之間的粘接力下降、基體樹脂軟化，使碳纖維增強塑料層與層之間的剪切強度降低，從而使CFRP的縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均隨溫度的升高而大幅度下降。

3 結論

（1）溫度由23 ℃降低至-40 ℃和-50 ℃時由于基體樹脂的熱膨脹系數大于碳纖維的熱膨脹系數使碳纖維在低溫環境下會受到樹脂的夾緊力，改善了基體樹脂與纖維的界面結合效果，使縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均有明顯提高。

（2）當溫度由23 ℃升高至70 ℃時纖維增強體和基體樹脂間的界面結合效果幾乎不發生變化，因此縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度無顯著變化；

（3）當溫度升高至120，150和200 ℃時，纖維與基體樹脂間的界面結合效果顯著變弱，因此縱橫剪切強度和短梁層間剪切強度均顯著降低。

（4）溫度在-50~200 ℃范圍內，在整個過程中隨著溫度的升高，碳纖維增強塑料縱橫剪切強度整體呈現顯著下降趨勢，短梁層間剪切強度同樣整體呈現顯著下降趨勢，隨溫度的變化縱橫剪切強度性能保持率整體變化趨勢與短梁層間剪切強度性能保持率整體變化趨勢基本一致。