炭纤维混杂复合材料研究与应用状况.pdf
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1、 4 8 新 型 碳 材 料 第兰四瑚 如一 炭纤维混杂复合材料研究与应用状况 前 言 一 彗刍 晾 航空概大学，磷t 增彀 以碳纤维为增强树料的聚合物 复合材 料一 碳纤维复合材 料(C F RP)，以 其 高 比 模量 高比强度的优点，率先在航空航天等 领域得到较多的应用，与铝合金材料及玻璃 纤 维复合材料相 比，显示出先进复合材 料的 特点但是，碳纤维复台材料性脆，断裂伸 长小，这一弱点使其应用范围受到限制。人 们发 现 用玻 璃纤维 或芳 纶代替 部分 碳野 维所得到 的碳纤维混 杂复合材 料，可 在 其 他性能基本保持 不变 的情况 下，韧 性有大 幅 度 改善 混杂纤维复合材料 自
2、7 0 年代初开发以来 得到了很大的发展。尤其是碳纤维混杂复台 材料，具有设计 自由度大 综合性能好 成 本较低 等优异的特 点。一种设计得 当的碳纤 维 混 杂复台材料，不 仅是 优异的结构材料，而 且还具有某 些优 异的功能 特 性 是 一 种 良好 的结 构型功能 材料。因此，在航空 航 天 汽车、船舶 体育器械 建筑 联药卫 生 等领域得到了越来越多 的应 用。同时，也 吸引了 国内外 众多学者对 其进行 大量而 卓有 成 效 的研究 本文结合作者近 年来 的研究工作，将碳 纤维混杂复台材料的研究与应用状况 分六 个 方 面作 简单介绍。一、混杂类型 H前，混杂 复合材 料中，多用玻璃
3、纤维 或芳纶与碳纤维混杂，其混杂方式主要有如 下几种 ：(I)层内混杂 由两种或两种以上纤 维组成 同 一 铺层 铺叠而 成 见 图 1(a)：(2)层问混杂 一由两种或两种以上的 不同纤维铺层 相闻铺叠而成。见 图1(b)：上接 1 0 页 1 3 r t 竹e n s，M4 t e fi l 0 En$mc c r i n 鐾，1 钾No 8，3 5(1 9 9 9)l 4 Da r e i t G PC t b o n 四，No 5，7 5 9(1 9 8 9)1 5 N F吐 吐 d a e t a1，C a r b o a 1 8 8 p r o c e e di n g s 0 f
4、 a n I n t e r n a t in a l 0 1 l C a r b o n Uni v e r Si t y o f Ne wc a S t t e UP o a ry a e UK1 98 8 l 6 M d a ma e t a 1 C a r b o a z g N o 4，9 9 9(1 9 9 8)1 7 儿玉昌也等 日本炭素学会第 十五回年会要旨集 P7 9(1 9 9 8)l B 松村雄次 化学与工业()4 3 N o 3 3 5 8(1 9 9 0)I 9 王 茂章 煤化工与台成燃料信息t No 3 3 T(1 9 9 0)2 o 山田豢弘 藤井政喜，机能材辑(
5、日)，No 9-3 6(1 9 8 8)2 1 S Ot a MJ Ma t e r S c i 2 1 2 9 Z 7(1 9 8 6)盟 r 迁一史，角菩均机能材料(日)，N o 5 2 1(1 9 9 9)2 3 古J l l 昌范 大竹尚登，案形材(日)，N o l 1 1 4(1 9 8 9)2 4-蒋翔卉主辅，盒剐石薄膜研究进展化学工业出 版社09 9 1)2 5 村上睦盟等炭素应用技术柏薪进展(日)P 1 1 6 (1 9 8 8)2 6 C L Re n s c h e r e a I，J Ma t e r Re s 4 H0 3 4 9 2 (1 9 8 9)2 7 M Fu
6、 Ku d a e t a 1 J a p a n e s cJ Ap p 1 p h y s 2 8 N o 1 J 2 z(t 9 8 9)2 8 层山千里 竹田弘化学与工业(日)r 4 3-N 0 1 0-1 6 9 7(1 9 9 0)2 9 岛昭化学工学 5 2 N o 9 1 3(1 9 8 8)3 0 川 籍 隆昌，纤维学会巷(日)4 4-4 3 9(i 9 8 8)维普资讯 http:/ 雏三 四斯 新 型 碟 材 料 4 9 (3)层 内一 层问混杂 同 时存 在层 内 和层间两种混杂形式。见图 l(c)；(4)央 ：混杂一 由一种纤维铺层 作 面 板，另一种纤维铺层作 芯子
7、铺叠而成。见 图 1(d)(5)织物混 杂 山两种或 两种以上纤 维在径、纬两方 向上交织而成的织物。见图 1(e)：(6)多向织物混杂 由两种或两种以 上纤维在空间不同方向上编织而成的体型织 物。见图 l(f)，(g)：(7)短切纤维混 杂 由 婀种或两种 以 上短 切纤维 随机分 布在树 脂基 体 中所构成。见 图 1(h)除此 之外，还 有束 内混 杂，即在一束纤 维 内存在两种或两 种以上 的单丝，这主要 刖 于实 验室 研究。A耋 B耋 (e)囊蜒曲涯采 (一 层 规自申有两种鲆蠢)糍 糍 (h)短枷纤维温泉(d)亮艿蔼杂 囤1 掘杂类型 维普资讯 http:/-6 0 折 型 破
8、材 辩 I|兰 四期 但是 更多 的学者对 拉仲断裂应变 混 杂 二、混 杂效应(2)效应引起兴趣，并 确定了拉伸 变混杂效应 系数计算式：混杂 效应是混 杂复合材料 中一种特异 的 物理 现象，是 睢一纤维复合材料所没有 的，盐 多种不同纤维交互作 用瞬结果 1 混杂效应定 义及裹现形式 混杂复台材料的某些性能偏离混合定律 哭系的现象称为混杂效应向增加偏离称为 正敏墩，阳减少偏离称为负效应。混杂敞应表现在 许多方面，如 在力 学上 可表现在强度 模量，疲劳特 性，断裂功 捌 断裂应变等性 能方 面 图 2为碳纤维混杂复 材 料典 型 拉仲 妲力 一 成 曲 线。图 中 J!拉伸应力一立变 鲺
9、 i)、e “分别为碳纤维复合材料，混杂纤 维复台材料阿断裂应变；e I I)为混杂复台材 料 _ l，碳纤维断裂后，高断裂应变复合材料(玻璃纤维或芳纶复台材料)的断裂应变 截多实验结果表叫：e ”要比e I)高，有时 甚至搿述 4 o。这是 断裂应变 盼混 杂教应。2 混 杂效应系数 混 杂敏应通常 片 混杂 散应 系数(R j 来度 趾。不可的璺力状态R值是不同的。根据雠 杂效应定 义R可 表示 为 R t M 一Mm，)，M(1)式 中：Mt 杂 复合材料 某性 能的 实验 值 M 菜 能按混合定律计算凹值。R t 一(；一 I I)e(I)(2 1 式 中符号 说 明见图 2。R 与阿
10、种纤维 的断裂 应变差值成 正 比。同时与混 杂 比，界面数有 较大关系一般随界面数增多而拄商。5 混 杂效 应产生机理 拉伸断裂应变混杂效应对混杂复合材料 及 其结构设计是有实际 意义 因此，很多学 者对它的产生机理作了大 量的实 验研 究工 作 提 出了许多种观 点，现归 纳为 以下 四种 弛 论：(1)止 裂雕论 这种理论亦称裂 纹扩展理 论。认为纯碳 纤维复合材料拉伸破坏是突然发生 的，且破 坏时有裂纹沿横截面迅速扩展，破坏过程瞬 间完成。加入玻璃纤维或芳纶后，碳纤维 的 裂纹扩展要受到玻璃纤维或芳纶的阻碍，使 裂纹终止或转变成界面分层，变成纵裂纹，导致破坏是非突发性的。即 延长了 破
11、坏 过 程，在宏观上反映出断裂应变增大 L 2)热应变理论 该理 论又称热效应 理论在混杂复台材 料中，由于两 种纤维 的热膨胀 系数 不同 而 对热 的影响也不 同。侧如碳纤维 与玻璃纤 维混杂碳纤维的纵向热膨胀系数为负值且 趋近 于零，而 玻璃纤维为 正值，当加温 固化 成 型后又冷至室温时，山 热效应作 刷，造 成零载荷一 F 碳纤维受雎，玻璃纤维受拉。若 沿纤维方向给一拉伸载荷，碳纤维先由受眶 状态变为应力为零 自由状态，而后随载荷增 大转变 为拉伸应 娈。因此，当达到 碳纤维断 裂应力时，其断裂应变提高丫但足，这种 机理产生 的混杂效 应只 占l 0 嘶 (?)多次断裂理论 有 时也
12、称之 为纤维束理论。用激光 衍射 技术观察纤维与基体帖接很好的碳纤维混杂 维普资讯 http:/ 第三四靴 薪 型 破 材 料 复台材料 的托 仲破 坏过程，可发现碳纤维 多 次断裂。为碳纤 维断裂 以后 盼裂纹不 直接 传 入玻璃纤维或 芳纶中，而是 转化为分层 裂 纹。由于这种裂纹 长度 有 限，经 过一 一 段 长度 后，载荷 又可 以重新 由界面 传递 到碳 纤 维 上碳纤维 继续承载。因此，导致 第二次断 裂，第三次断裂点至整体失效，宏观上 断裂 应 _ 竖增大。(4)强度分 布理 论 也 可称 为断裂应变分布理论。碳纤维 强度是 按概 率分布的。当某些 碳纤 维 达 到 断裂应力
13、时，另一些碳 纤维则尚未达 到断 裂应力，所以碳纤维的断裂是先后发生在 纯碳 纤维复台材 料 r【j，一旦某些较 弱 的碳纤 维首先破坏，造 成应力 集q ，使 槎个 复台 材 料迅速发 生整体破坏最初破坏 的 变 值和 最终破坏的应变值相差很 小在混杂复 台材 料 中，碳纤维破坏是 逐步 进行 的，最初 破坏 婀应变值和 最终破坏 时应变值 相差较大，所 以断裂应变得到提高作者在实验中发现，不同瞬碳纤维或同一种碳纤维若浸渍不同的 树脂基体，其丝柬拉仲强度时分布函数是有 差 异的。见表 1。襄1 漫胺纤姥束拉伸强度概 率分布特征 嵌纤维 l；蝗 纤维 2 纶 l 垃 璃 纤】酚 醛环 氧 l
14、双 酣 A 环氧I改 性双 马 采酰 兰 二 W W 或G W G业W G一正 志菏。表 明：在碳纤维复 合材料 中只 要加入少量 的 玻 璃纤维或芳 纶，便可 有效地提高 其抗 冲击 能力，冲击韧性可增加 1 至 5 倍。作者的研 究 电得到 类似结果 3 ，见 图 3。图 中a k 为 冲击韧性衰示试件单位面积上所消耗的冲 4 3 目 u -2 -l 1 一 一。；_ CFR p-2 O C F f t：镶 DT 图3各 混杂复 台材料 层压 板的a 与DI 值 击能；DI 为冲击韧性指数：表 示试 件受 冲 击 过程 中，扩展能 与弹性贮能 之比。若 H a 与DI 来分析材 料的冲击
15、特 性，从 图 3又 可 发现，用玻璃 纤维 和芳纶分别 与碳 纤 维 混 杂所得 到阿混杂 复台材 辩盼a ，DI 值是很 不相 的。即碳纤维玻璃纤维混杂有利于 提高a“而碳纤维一 芳纶混杂则有 利 于提 商 DI。说 明这两种纤 维对 碳纤维 复合 材 料的 增韧机制是有差异时。研究结果还表明。混 杂复台材料的a k _白 J 以通过讹 合定 律 来 估 算。四 基本力学 性能特点 三、冲击特性 在碳纤维复台材 料中加 入 _r 玻 璃纤 维或 碳纤维 泄杂复 台材料作 为结构材料 比碳 芳 纶后，基 术力 学性能有 怎样变化 一直魁人 纤维 复合材料l、J j 范 广 其主要一个源 因
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