混杂纤维复合材料的冲击特性.pdf

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1、第 1 O 卷第 5期 1 9 8 9年5月 航 宅 学 报 ACT A AERONAUn CA ET AST RONAUTI CA S I NI C A 0 N o S May 1 9 89 混杂纤维复合材料 的冲击特性 北京航空航天大学张佐光 宋焕成 THE I MPA CT PR0PERTI ES OF HYBRI D C0MP0S I TES Be l n g Ut dv e r Mt y o f Ae g n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s Zh an g Zuo guan g a nd So ng H u anc h e n g 摘

2、要率文通过 C h a r p y冲击试验，对混杂纤维复合材料的 冲击强度、冲 击 韧性指 数随混杂 比、界 面数变化的规 律 以及 冲击 混杂效应作 了研 究，并且建 立 了冲 击强度 估算 模型。关键词 混杂复合材料，冲击试验，混杂效应，力学特性。Ab s t r a c t H y b r l d i z a t i o n i s a n e f f e c t i v e wa y t o i mp r ov e t h e t os g h ne s s o f c o mpo s i t e s I n t hi s p a p e r a n e x p e r i me nt

3、 a l i n v e s t i g a t i o n o n i mpa c t h e ha v l o r o f hy b r i d c o m p os i t e s i s c on d u c t e d b y u s i ng Cha r py i m p a c t t e s t Th e v a r i a t i o n of i mp a c t s t r e n g t h a n d i mp a c t t o u g hn e s s i n d e x o f C K a n d C G h y b r i d c o m p o s i t

4、e s o f d i f f e r e n t ma t r i c e s w l t h h y b r i d r a t i o a n d i n t e r f a c e nu mb e r i s r e v e a l e dTh e d yn a mi c h yb r i d e f f e c t i s a l s o i n ve s t i g a t e d f r o m d i f f e r e n t a s p e c t s M e a n whi l e,t h e e s tima t i n g mo d e l f o r i mpa c

5、 t s t r e ng t h i s e s t a b l i s he d a n d t he e s t i ma t e d va l s e s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h e xp e r l m e nt e d o n e s，Us i n g t hi s mod e l,t h e h yb r i d e f f e c t c o e f f i c i e n t s b a s e d o n d i f f e r e n t d e f i n i t i o ns a r e or g a ni

6、c a l l y r e l a t e d Th i s p r o vi d e s b as i s f o r f u r t he r s t u dy o f i mp a c t c o n s t i t u t i v e e quat i on Ke y w or d s h ybr i d c o mp o s i t e s，i mp a c t t e s t i n g，h yb r i d e f f e c t，me c h a ni c a l pr ope r t i e s 一，前 言 混杂纤维复台材料(简称 H F R P)具有优异的综台性船，不仅 比

7、强度、比刚度高，而且还 有良 好的 冲击 韧性“。本文 采用 玻璃 鲆维(S-2 GF)、芳 族聚 酰 胺 纤维(Ke v l a r-4 9：KF)与 碳纤维(T 一 3 O 0 c F)提杂，分别增强 6 4 8 树脂 基体(L E R 8 一 0 7 8 嘶)和 6 8 2 8 栅脂基体(HE R 8 =1 2 3 嘶)，制作单向混杂 复台材料层压板(见 表 1)，进行仪器化 Ch a r p y冲击试验，并 通过实验所得 的 载荷一 形变 曲线，对 冲击韧性 指数、冲击强度 以及 混 杂效应进 行 了研究。1 9 S B 年 0月 2丑收到 维普资讯 http:/ 航 空 学 报 第1

8、 0 卷 表 1 混杂 复合材料层 压板参 数o L ER C G、C K T f ER C K 试 样号 铺居 彤式 试 样 号 铺 层 形 式 界 面 i GFR P (GI B)日 0 KF RP (KI B)C 一1 (CG】B)3 4 C一1 CK I 6)I C一2 (Ca Gl a)l o 9 C一2 。(c3 K J 3)C一3 (Gl J)。l 9 4 C 一3 (CE K l L)。C一4 (岛 G9)2 9 2 C一4 (C7 K)t C一5 c|G7)4 o 5 C一5 (K)C一7 (CI 3 G3)日 g 9 6 C一7 c】3)。CFRP (Ct B)日 l O

9、D CF RP C】B)s C 一7 (C1 5 Ka)自 72 0 B一1 (Ca KB C4 )。C一5 岛K7)。4 3 0 B一2 (岛 K3 C 2 K3 Q Ka 。C一4 C T KD)t 3 1 0 B3 (Cs K8 C0 K2 C KCKs)。C一3 (Cs K】1)。2 l _ 0 Bd (岛 K,C KCKz CKC K3)。C一2 (Cs K】3)自 1 1 9 B一6 C(CK)e CK3|Cl (口(】B)s 3 8 KFRP K】0)，D 二、实验结果与讨论 l 冲击藏精一 形挛曲线的特征 图 1给 出了几 种 HFRP的 C h a r p y冲击载荷一 形变

10、 曲线。由该 图可 以看 出(1)纤维类 型不 同，冲击 峰数各异。CI G-HFR P呈明显 的三级 破坏，每一条 载荷一 形 变曲线上均 出现一 个主峰，二个次 峰。C K HFR P则 不 同，除 主 峰明显外，只有一 个不 明显 的次峰，基本 上属 二级破坏。CFR P则是 一个尖单 峰，为明显 的一级 破坏。由 于纤 维在复 合材料 中是主 要的承 载者，因而它 的种类不 同，材料必然 反映 出冲击行为是 不 同 的。(2)冲击峰形 随混杂比不 同而变 化。随着碳纤维 相对体积 含 量()的增加，冲 击 形变 减小，冲击 峰变窄。混杂 比直接影 响 峰的面 积。l (3)次峰随 界面

11、 数增加而 消失。界面数(指两种纤 维的接触 面积)不同，就 是铺层 形式不同。在恒定棍杂比的情况下，冲击峰因界面数变化而变化。界面数 由少列多，次 峰逐渐 消失。因为界面 数多，两种纤维间相互 制约 的能 力增强，受力较 均匀。(4)峰 的面积还 与基体 有关。LER-C K 的冲击峰要 略太子 HER C K，但 峰形基 本相似，这反 映 出基 体与纤维 间的匹 配作用。综上所述，由于峰是 能量贮存 和释放 的 结果，故 峰形反映 出增韧机制和 破坏机制。2 冲击 韧性指数 反映材料 冲击 韧性 好坏 的 一个 常用 参数是 冲击韧性指数 DI。实验 中测得 的 DI示 于图 2。从 图

12、2中发现，三种 HFRP的 D，有一个 共 同 的 特点；随 增加而 变化的 趋势是 致的。增加，DI首 先下 降，而后几乎在 一2 1 嘶时，出现最小 值，之后 维普资讯 http:/ 第 5 期 张 佐光 等：混 杂 纤堆 复 音材 料 的 冲 击 特 性 戡 营 八 I 八 I l I、人 J(i I -B 3 B一 B 八 I 田 i a r 盯冲 击 载荷一 形 变 曲线 壹 J 薛 圈 2 D I 与混杂赶的关系 又增加。不过最大值与最小值之差不天。另外L E R-C K的D I略高于H E R c K 因 为L E R 体系的断 裂应 李不仅小子H E R 体系，而且还小于C F

13、，材 料在开始受冲的瞬闯，基体先予纤维破坏，使纤维阔过早地失去了 协同 作用，从而 减 少 了 弹 性 贮 能，DI 增大 DI 还与界面数有很大 的 熹。由袁 2 得知，界面教为 2 的 c 一4(蹇芯结椅)的 口，-几乎要比相同混杂比的B 型(层同结构)系列的大。即；层问混杂材料的 D I 小予夹芯 混 杂材料 遗 一结果 与 Ma I I i c k 。等 人的实验 结果一 致。可解释为：KF R P在芯层，不 仅 可将 外层 的 C F RP隔离 开，以便充分发 挥 CFRP的 刚度，同时还 可 以阻止表 层裂纹 维普资讯 http:/ 航 空 学 报 第l O卷 表 2 DI与界 面

14、我 的关系(HER-C K)试 样 号 c 一4 B1 日一2 日一3 BI Be l 界 茸 戥 2 1 4 I 8 2 6 D，3 4 Z 7 1 6 2 5 4 2 3 冲击 强度 冲击强度。是 指单位面 积上所消耗 的冲击 功，也是 反 映材料 韧性 的一个指 标。(1)纤维类 型及 混 杂比对 的 界面数 影 响 图 3 醋 出了几 种 HF RP的 0 与 混杂 比的关 系。图 中的点为 实 测值，实线为计 算值。图 3表 明，混杂 后 的 C G、c K 的 值 分别 在 GF RP，KFRP与 CF RP之 间，且 随 F增 加，均下降，这是减 少 了 韧性 纤 维 的缘故“。

15、另 外，同是 LER体 系，C G 的 比 cK的高，这 说 明 GF 对改善 C FRP的 冲 击 韧 性 要 优 于 KF。因为 GF瘸 良好 的应 变 率敏感(嘶)圈 3 几种 I-I F R P 的 性，它本身远 程无 序 的微 晶结构 使得在 冲击载荷 下 能够产生 较 大的 塑性流动。因 此 GFR P的 0 达 a T J e ra ，比KFR P大 3 O。(2)基 体类型及 界面 数对 0 的影响 同为 C K混 杂，树脂 基体不 同，也 不 相同，见 图 3。当 p ，6 0 时，则 相反。实验结果 还表明，HER-C FR P 的 0 要 比 LER-C FRP的大5 O

16、，而 HER-KF RP的 0 又 要 比 LER-KF RP的小 3 O。这说明韧性较好的树脂基体 对于提高断袭应变较小的复合材料 的冲击强度有明显效果，圈 4 =种不同基体的CF R P 冲击断 口的S EM置片(4)HE R CF RPt(6)I：、R C FRP 维普资讯 http:/ 第 6 期 张佐光等：混杂野维复台材辩的i 击特性 A 2 7 l 而对 于 断裂应变 较大的复台 材料效果不 明显，甚至 有 负作 用。这种现 象可从纤维 与树脂 问 的匹 配上 来解 释。由于 HER体 系 的断裂 应变与 CF的差不 多，因而 在冲击力作用 下，纤维 与基 体有 良好 的“协 同”

17、效应，能够 充分 发挥 出纤维的 作用，使 冲击 能较大，另一 方面，因为 LE R体 系 的断裂 应变远小 于 CF，在 CF达到 断裂应变之 前，基体 早 已破坏，纤维 与基体 不能“协 同 作用，故冲击 能 较低。图 4示 出了异种基 体的 C FRP冲 击断 日 的 s EM 照 片。另 外，0 几乎不 随界面数变 化，即不 受铺 层形 式的影 响。见图 3。(3)d 的佶算模 型 通 过对 实验 得到 的大 量冲击峰的模 型化处理，可得如 图 5的三角形峰模 型。图 中虚 线是 CF RP冲击 峰，实线 是 HF RP的冲 击蜂。令、，OA=L(C)，OC=C)，C=C)OB=L(H

18、，)，DB=I (H)，OD=I f(H，)即：工(C)=(C)+C)，L(H j 一(H)+(H，)再考 虑 习混杂效 应系数，便可得 到冲 击强度估算式=a 一(c)(1 斗 R o)C Z(c)+t一(c)月 十，(c)月 (1)式 中 为峰形 修正系数，它与基 体、纤维、混杂 比、界面 数 有关，本 文当 廿 F 3 0 眄时 取 一1 2，当 V 3 0 嘶时取=1 1。其余 符 号见后 文说明。应用(1)式计算得 到 的 也 示于圉 3(见 图中实 线)。与实测 值 有 较 好 的吻 台。4 冲击 混豪效应 效应 是 HFRP的一 个 特殊 的力 学性 质，通 常是 用一 个相对

19、的量 一 混杂效应 系 月 来 描 述 其 大 小。不 同的定义，月有不 同的值。(1)能 量前 混杂 效应系数 月。定义 为=(2)式 中()、(C)分别 为 HF RP、CF RP的 冲 O c D B 韭佑 击强度。将 R 列于 表 3。可 知，月。随 增大 而 图 5 冲击晦模墅图 减小，而与界面数 几乎无关。不过 LE R C K 的 Re l*要远 大于 HER-C，K，而 L ER-C G 的 月。又要 高于 LE R-c K。因此，可 以通 过 兄 比较 不同韧性纤维对 改善 C F RP冲 击强度作用 的大小。(2)形 变的混杂 效应 系数 由于 GF、C F加入 到 C F

20、R P中，可 以 提高 C F RP的 断裂应 变，故 月又 可 用 形变 定 义。(a)总形变 的混杂效 应 系数 月 定义为 RL=(3)J-，式 中 L(H，)、(C)分别 为 HF RP、CF RI 的冲击 总形 变。见 值 见表 3。维普资讯 http:/ A2 f 2 航 空 学 报 第1 0 眷 表 3 混杂 效应 系数 1 种垄 No 月 t j o Rj j RL 月 l C一1 l 5 0 1 4 7 1 6 2 0 B 6 7 3 0 O 1 7 C一2 1 2 l 5 1 l 6 5 1 0 6 7 0 4 2 0 1 1 、I ER C G C一3 l 5 1 4 9

21、 1 6 4 口 7 6 9 3 口 O O 5 C 一4 0 7 2 1 3 3 1 4 5 1 g O 5 8 2 9 O O B C一5 0 3 1 1 8 9 1 9 2 6 1 7 8 3 2 0 0 7 s _ C一7 O 3 4 1 7 0 1 8 2 7 4 7 B O 0 2 C一1 1 8 1 1 6 9 】8 7 0 6 7 8 2 3 0 27 C 一2 2 1 1 6 7 1 8 B A O 8 O 2 5 3 0 刹 U R C K C一3 1 5 5 1 5 4 1 7 O 口 g 7 2 2 2 e 一O 2 1 C 一4 O 8 l l 4 B 1 5 6 1

22、 8 3 e 7 1 9 0 B C 一5 0 46 1 7 1 l 6 3 7 O 7 2 1 7 5 一O 1 0 C 一7 O 鸽 1 7 8 1 8 O 7 7 t 7 4 1 1 6 一 O 2 5 r C l O O 日 1 0 1 0 5 l：L 6 3 O O g 0 3 C一2 一0 O g l 2 5 t 1 暑 6 8 S 0 3B 一O 33 I l CK C一3 0 1 2 0 0 1 0-O 8 3 2 7 0 “一 O 3 0 C I 一O 1 8 1 2 岫1 22 6 0 8 i O 4 9 0 3 7 C 一 6 0 1 8 O 3 9-1 52 2 0 3

23、 一 O 3 5 、C一7 0 50 1 1 0 1 0 5 22 2 6 0 20 一O 2 7 B-1 一O l 1 0 1 1 O “O 8 O O B-2 一0 2 5 1 3 1 1 3 1 5 t 1 5 0 5 9 瞰一 C，B-3 0-O 1 0 1 0 2 E 4 =8 O “B一4 一O-2 3 1 1 7 1 1 2 1 0 0 7 B-6 一O-n 1 1 1 0 6 2 6 2 7 O“(b)分形 变的 混杂效应 系数 冠 R|一 R+Rp p 一 蠡(4)(5)(8)式中(，)，(c)为 HF R P，C F R P的 弹性形变，(日)，(c)为 相应的破坏扩 展形

24、变。月r、，R 也到于表 3。可见 胄，均远小于 p 即!R R,I 大。说明 GF或KF 的加入，主要增加了 C F R P的破坏扩展形变。马，B 还与基件有关，L E R的马，均 高于 H骂 R的相应值。因此，月 h 厦 月 币 仅能反映基体一 纤维的匹配作用，而且还艟 揭示韧性纤维的作用机理。C 3)最大应力 的混杂效应系数 兄 宅(7)式中 a 一(日，)，口 (C)分剐为 HF R P，C F R P的最大冲击 应力。从表 8 看 出。月 几 乎为负值。说明韧性纤维的加入，会 降低(c)-这 与静载荷下三点弯曲情况相类、似。由于两种纤维的模量及断裂伸长率不同，在同一载荷下，这两种纤维

25、不能同步作用，承载程度 差剐很大，又 园韧性纤 维 占有一 定的体积分数，等效于减 少了 CF的 体积含量，维普资讯 http:/ 第 5 期 张佐 光等 混 杂 纤维 复 台 材辩 的 冲击 特 性 A胛 3 故使 C F R P的最大应力值 降低。然而 KF加入对 a 一(C)的 降低程度要远高于 GF加 入 的情况。这 与造成 KF压 缩强度低 的 自身 结构有关 三、结 论 1 、DI几乎与 混杂比、界面 数 及 纤维、树 脂 类 型有关。只有 a 、”均相对较 大 时，方 能说 明材 料韧性好。2，GF优于 KF对 cFRP冲击韧性 的 改善效果。3 文 中的强度估算模型，能较好 地

26、估算 冲击 强度，并特 不 同定义 的月联系 起来。4 所定义 的几 个撼 杂效应系数，可从不 同角度反映 动态 馄杂效应 的大小，均与混 杂 比、界面 教有关。尤其 月“月 还可 反映 出韧性纤 维的增韧机理。参 考文 献 C 1)Hd B e J d C h a f P y i m p a c t o f u i d i r e c t i o n a l g r a p h i t e r a mi d，e p o x y h y b r i d o s mp o s l t e s C o mp o-s i t e Ma t e r i a l s-1 9 7 7；3 7 5 一$8

27、8 C 2)Ha r r i s B，Bu n s e l l A R I mp a c t p r o p e r t；e s g r a s s抽 r e c a r b o n f i b r e h y b r i d c o mp o s i t e s C o mp o s i t e s，Se p t e mb e r 1 9 7 5 p 1 7 5 2 0 1 C 3)Ma l l i c k P K Br o u t ma u L J S t a t i c a n d i mp a c t p r o p e r t i e s o f l a mi n a t e d h y b r i d c omp o s i t e s J Te s t E v i l 1 9 7 7 (5)1 9 0 2 0 0 ，C )Ma,o m G-Dr u k k e r E，We i n b e r g A-B n b a j i J R e l e 8 h r。p o i mp a c t b e h a v i o u r 0 f e x r b e n k -T h x r h y b r i d c o mp o s i t e=Co mp o s i t e s-1 9 8 6 l 7：t 2)1 5 0 1 5 3，维普资讯 http:/