多向纤维复合材料拉伸行为的研究.pdf

一 多 向混杂纤维复合材料拉伸行为的研究 张 晓 宏 宋焕 成张 佐 光(北 京 航 空 航 天 大 学1 0 0 0 8 3)、o ；n，d 文摘本文采用I程上常用的铺层角，保持铺层 角度序列不变，通过改变 混杂方 式对 多向混 杂复合材料在拉伸载 荷作 用下的 力学行 为进行 1实验 分析研 完，并与单 向混杂纤维 复合材料 力学行 为进行 1比较，为混杂纤维 复合材料 准确 地进行选材 和材料 设计，为混杂复合材料更广泛运 用提供 了理论基础 Ab s t r a c t Th e t e ns i l e b e h a v i o r o f h y b r i d l a mi n a t e s wi t h t h e s a me p l y o r i e n t a t i o n s e q u e n c e(0 4 5 一 4 5 1 9 0 1 0 1 4 5 -4 5 9 0)b u t d i f f e r e n t h y b r i d s t r o c t u r e wa s i n v e s t i g a t e d a n d c o mp a r e d wi t h t h a t o f u n i d i r e c t i o n a l h y b fid l a mi n a t e s The r e s u l t s wo ul d p r o v i d e s c i e n t i f i c e v i d e n c e f o r s e l e c t i n g ma t e r i a l s，d e s i g n i n g s t r u c t u r e s a n d p r e d i c t i n g p r o p e r t i e s o f h y br i d c o mp o s i t e s，关 键 词 璺 童 堑 生 健全 芏 苎，芝 鱼 塞 全 盐 盐 墼 竺 塑 1 前言 混 杂纤 维复合材料(Hy)是指 两种或 两 种以上纤维增强同一种基体的复合材料。它不 仅保 留了单一纤维 复合材料的优点，而 且 不 同纤维 问混 杂 可 以取 长 补 短，匹 配协 调，使之具有 优异的综合性 能。混杂纤维复合 材料的设计思想是 7 0 年 代 首先由林毅提出的，之后，各国学者进行 了大量的研究。近十几年来，各国学者主要 集中于单向混杂纤维复合材料的物理性能、力学性 能的研究。对多 向混杂纤维复 合材料 的力学性能研究还很少，文献资料报遭也极 少(本文作者对世界三大数据库近十年文献 资料进行机检和对世界复合材料领域近四 年主要英文期刊进行手检结果)。可是，在工 程实践中可能大量应用的却是多向混杂纤 维复合材料，因此研究多向混杂纤维复合材 料的力学行为非常有必要，多向混杂纤维复 合材料是一个新 而又广阔的研究领域 本文采甩工程上常甩的铺层角，保持铺 宇航材料工艺1 9 9 4 年第 5 期 层角度序列不变，通过 改变混杂结构，对多 向混杂复合材料在拉伸载荷作甩下的力学 行为进行了实验分析研究，并与单向混杂纤 维复合材料力学行为进行了比较，为混杂纤 维复合材料准确地进行选材和材料设计，为 混杂复合材料更广泛运用提供了理论基础。2 实验部 分 2 1 组 分材料 实验 中所甩纤 维材料 的性 能见表 1，所 用基体为 6 2 5 所提供的改性双马来酰亚胺，牌号 q Y8 9 1 1，断裂延伸率 2 2 。衰 1 扦维性能参数及来潭 密虞 拉忡柱t 拉 强虞 袭一长亭 生产r塞 c m一0 ，日本求 曩蚵毫 盛司 s-2 蕞 青 京蕞 5 4 璃奸雏 奸睫 2 2 复合材料试样制备 维普资讯 http:/ 2 2 1 压制工艺(1)热压罐成型法 将 按要求铺好 的预浸料板放 在平 台上，按 标准封 装起 来，检查真 空度，真 空度 不 应 低于 9 6 k P a，送 于热压罐 固化。(2)固化工艺 QY8 9 1 1基体复 合材料 的固化工艺 为：由室 温 升温 至 1 6 0，恒 温 1 0 土2 mi n 后，加压 0 2 MP a，恒温恒压 3 0 土2 rai n，升 温 至 1 7 7，再加 0 2 0 3 MP a压力，恒温 恒 压 1 5 h，自然 降温 至 8 0 C以下开罐。升温速 率 为 2 rai n。2 2 2 层压板质 量检 验 层压板 由 6 2 5所甩超声波 和软 x射 线 探伤检查，分层缺陷5 mm5 mm，孔隙含 量 1 5 2 2 3试样 加工 层压板用 MW6 0 2 0磨床切割为试样。2 2 4 试样 尺寸 多向混杂纤维复合材料拉伸试样尺寸 为长 2 2 0 mm，宽 2 5 mm，厚 2 t0 1 m m，加强 片长 3 0 mm。2 3 性 能测试 试样 标准 环境条 件和 试 样状态 调节 按，GB 1 4 4 6-8 3规定进行 试验采用设备 为 MTs 8 8 O 一5 O k N 万能 实验机，加载速度为 2 mm ml n。2 4 层压板铺层形式及其参数 用于 实验 的 层压板 铺层 形式及 其参 数 见表 2。3 实验结果与讨论 3 1 应力一应变行为 试验 已证 实，聚 合物 基复合材料 的拉伸 应 力 一应变行 为取 决于 增强纤维 的材 料和 叠层方式，增强纤维同基体的相互作用，载 荷相对于材料弹性对称主轴的方向以及试 验 的环境条件。一2 8 一 表 2 层 压板 铺层形 式 与参 数 混 混 杂 层 压板 铺层形式 杂 编 号 面 嚣 比 MB G 凡 5 G 卜 5 G 9 0。儿 卜惋 k MB Hl ：0 c 5 G 卜 鲫 0 c 5 G 一 。3 3 6 8 MB H 2 6 c 一 4 5 c 鲫。5 c 一 5 c b 8 MBH一3 6c 一 6 c 一4 8 2 0 4 MB C 0 c n 一 6 c,0 c 4 一 4 注 M 最 示 多 向 复 台 材 料。图 1 是 多向混杂纤维复合材料(M Hy)完整的载荷 一 位移(P a )曲线。从该 图 中可 以看 出，多向混杂纤维复合材料在破坏 前均未 出现 拐 点或折 线，始终 为 光 滑 的 曲 线，表现 出一次破 坏的特征，这与单 向混 杂 纤维复合材料通常出现的二次破坏特征不 同2 3。g mm 图 1 MH 层压板拉伸 P 一 曲线 圈中 1 MB C 2 MB H-3 I 3 MB H-1 I 4 M】瑚 一 Z 5 M BG 多 向混杂纤 维复合材料 的应力一 应变()行为不但从其破坏特征上表现 出自 身的特 点，而且在小应力水平条件下应力一 应变响应也显示出不同于单向混杂纤维复 合材料的特征(图 2)。从图 2中可以看出：首先，多向混杂纤维复合材料 的应力一 应变响应介于两多向单一纤维层板之问 多 宇 航材 料工 艺1 9 9 4年第 5期 维普资讯 http:/ 圈 2 M Hy层 压 扳拉 伸部 分 01 0 0 MP a 前)t曲线 圉中 1 MB CI 2 MB H一3 I 3 MB H一1 4 M BH-2I 5 M BG 向混 杂纤 维 复 合 材料 的应 力 应 变行 为；当 0。向 为 纯 碳 板(C F RP)时，类 似 于 M C F RP的应 力一 应 变行 为；当 0。向为 纯玻 板(GFRP)时，类似 于 M GFR P 的应 力一 应 变行 为。并且还可 以进 一步 看出，在多向混 杂纤维复合材料中，0。向为何种组分层对应 力 一应变 行为 的影 响大于混 杂 比的影响。其 次，当拉 应 力 为 拉 伸 强 度 的 1 6到 1 4时，就 已经 可以观察到 多 向混 杂纤维 复 合 材料 明显 的应力 一应变 响应 的非线性，其 非线性 程 度主要 取决 于 在应 力方 向 GF RP 的刚度分担 比例 对于 多向层合板拉 伸应 力一 应变 曲线出 现 非线性的原因通常可归为(1)材料原因(2)几何 因素；(3)损伤原因。为了证 实是 哪些 原 因使 多 向层板 的拉 伸应力一 应变 曲线出现非线性，我们又做 了 对 同一根试 样在较 小载 荷下 反复 加载 的实 验，记 录每次 应力一 应 变 曲线。其结 果 见 图 3。由图 3可 以得 出结 论：多 向混 杂 纤维 复合材料在拉伸应力仅为强度值的 1 6 到 1 4以前，应力一 虚变 曲线出现非线性的主 要 原 因是在拉 伸过 程中层 板 内产 生了永 久 宇航材料工艺 9 9 4年第 5期 图 3 MHy层压 扳同 一根 试样(MBH一2)反复 加 载的 a e 曲线 圈中 ：2 0 0 MP a，E 一 1 1 7 d一 2 0 0 MP a，1 1 5 =2 0 0 MP a，1 1 4 ；=2 0 0 MP a，1 1 4 性损伤。因为如果是其它两个原因引起的，那么图 3 的曲线、相同。只有当 材料经第一次拉伸后产生微 裂纹，出现永久 性损伤，不 加大 载荷 再在 同样 的应力永 平下 重复加载，裂纹不会进一步扩展，才造成、曲线相同。3，2 模量 及泊松比 多向混杂纤维复合材料的混杂比、模量 及泊松 比见表 3。衰 3横量 墨泊 松比 MB H MB H MB H 号 M BG M Bc 性 一1 一2 一3 蔑杂 比 y 3 3 6 8 6 0 3 7 8 2 0 4 1 0 0 棋1 GP a 2 2 9 3 4 8 2 1 2 6 3 8 5 0 2 9 5 3 9 1 泊橙 比 0 2 7 0，3 0 0 5 0 0 4 9 札3 0 表中数据表 明，毒向混杂纤维复合材料 的拉伸模量(文中如特别指明均措初始模 量)有如下规律：(1)多向混杂纤维复合材料的拉伸模量 介于两单一纤维复合材料之间，这一点与单 向混杂纤维复合材料具有相同的规律。但就 纵 向拉伸模量与混杂比的关系而言，多向混 杂 纤维复 合材 料与单 向混杂纤 维 复合材 料 一29 维普资讯 http:/ 就有 很大 的不 同 混 杂 比与拉伸模量无线性 关 系。如，MB H一 2的 混 杂 比 虽 然 为 6 O 3 7 ，但其 模 量只 青 MB C 的 5 0 左 右，相 反 MB H一【的 混 杂 比为 3 3 6 8 ，但 其模 量 却是 MB C的 9 0 。(2)O。向 为 CF RP的 层 压板，其 模量 要 比 o。向为 GF RP的层压板 的模量大 1倍左 右。因此 就多 向混杂纤维复 合材 料而 言 在 O。向少 量 C F的 加入就 可大 大 提 高 层板 的 刚度。(3)相 比较而 言，士4 5 及 9 O。向纤维 种 类对 多 向混杂纤 维的复 合材 料模 量影 响较 小，用碳纤维在土4 5。和 9 O。向代替玻璃纤维 只 能使 多 向混 杂纤维 复合 材料 的模量有 较 小 的上 升。综 合以上事 实，对 于多 向混杂纤维 复合 材料的模量来说，o 向为何种组分层的影响 比起 混杂 比的影响来讲是 主要 的。分析 表 3中泊松 比的数据 可 以发 现，多 向混杂纤 维复合 材料 的泊松 比 同单 向混 杂纤维复合材料的规律是不同的，单向混杂 纤 维复 合材料 的泊松 比介 于两单 一纤 维 层 板 之 间，而 多 向混 杂 纤 维 复合 材 料 无此 规 律。多 向混 杂纤维 复合材料 的泊 松 比大大 扩 展了多向单一纤维层板的取值范围 3 3强度 衰 4 多向混杂纤维复合材料的曩度 M B H M B H M 明 翁 母 M B G M B c 性 一1 一2 一3 混杂比V O 3 3 6 8 6 0 3 7 8 2 0 4 0 0 强 度 MP s 3 9 3 9 7 4 9 8 0 6 4 6 3 2 7 5 1 4 3 0 5 9 8 4 9 分析表 4中的数据可以看出，多向混杂 纤维复合材料的强度介于两纯纤维层板之 间 在 O 向用 C F R P代 替 GFR P，拉伸 强度 显著 提高 因此用少量 C F就 可 明显地 改善 M GF RP的 拉 伸强 度 在 土 4 5。和 9 0 向用 GF RP代替 CF RP 拉 伸强 度 有 所 下降，就 多向混杂纤维复合材料的强度而言，0。向为 何 种组分 层的影 响 比起 混杂 比而言 依然 是 主要因素。3 4 拉伸破坏模 式 聚合物基复台材料的宏观拉伸破坏模 式主要 由增强纤维 叠层 形式 决定，但 复 合材 料组 分的力学性能和组分 间的作用，工 艺缺 陷和试榉尺 寸效应等也是基本影响因素。本 实验 所 有试样 的断 口均 发生 在试 样 的试验 段，表现 出综 合破 坏模式，即有 O。向 纤维 断 裂 和增 强 纤维 局部 从 基 体 中拔 出；9 O。和 4 5。向沿纤维 向劈 裂，出现“V”形 的破 坏 断 面；并 且 可 以观 察 到 明显 局部 分 层 现 象，整 个破坏 表现为猝 断特 征。4 结论 1 多 向混 杂纤维 复合材 料 层压板 的拉 伸应力一 应变 曲线出 现非线 性 其 非线 性 程 度 与混杂结构和铺层 序列 有关。2 多 向混 杂纤维 复合材 料 层压板 0 方 向纤维 的种类是 影响拉伸性 能 的主要 因素；在 O。方 向加 入少 量 的 C F取代 GF，可 以成 倍地提高层压板的强度和模量；而混杂比则 与拉 伸性能关 系不大；另外 土4 5 、9 0。向纤 维的种类对拉 伸性 能影响不大。3 多向混杂纤维复合材料泊橙比的取 值不再总是介于两单一纤维层板之间，多向 混 杂纤 维复合 材料 的泊松 比大大 扩展 了多 向单一纤维层板 的取值范围。参考文献 1 泉 顾 海，唐羽 章混 杂复 合 材 料 1 9 8 7年 9 月：1 2 K r e t s i s G A r e v i e w 0 f t h e t e n s il eO D I T -p r e s i v e，fle x u r a l a n d s h e a r pr o p e r t i e s of h y b r i d i br e l e _mf 0 r c e d p l a s t i c s Comp o s i t e，1 9 8 7 1 8 (1)，1 2 2 3 3航 空航 天 工业部 科 学技 术 研 究院 编 复 合 材料设 计 手册 航 空工业 出版 社-1 9 9 1：5 2 2 5 5 4 宇航材料工艺1 9 9 4年第 5期 维普资讯 http:/