CF_GF多向混杂纤维复合材料拉伸特性研究_张大兴.pdf

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1、CF/GF 多向混杂纤维复合材料拉伸特性研究张大兴张佐光(北京航空航天大学材料科学与工程系,北京 100083)摘要本文以碳纤维(CF)与玻璃纤维(GF)混杂,制成多向混杂纤维复合材料层板,并对其层板进行拉伸性能测试,观察其拉伸行为。同时在层板理论的基础上,考虑到混杂效应的作用,提出了多向混杂纤维复合材料非线性迭代强度估算模型。关键词复合材料混杂复合材料拉伸特性1前言混杂纤维复合材料层板的力学行为,不仅取决于组成层板的各单层板的力学性质,而且,还取决于铺层顺序、混杂结构形式等 1。本文从实验出发,采用工程上常用的铺层角,并保持铺层角度顺序不变,制备出不同的 CF/GF 多向混杂纤维复合材料层板

2、,并对各层板的拉伸行为进行了实验与分析。并与单向混杂纤维复合材料和多向单一纤维复合材料的拉伸行为进行了对比。同时,对该类混杂纤维复合材料的拉伸初始模量进行了估算。其研究结果为混杂纤维复合材料选材和设计应用提供了参考依据。2实验部分2.1原材料实验用增强材料是日本东丽公司生产的T 300 碳纤维和南京玻璃纤维研究设计院生产的S-2 玻璃纤维,树脂基体为航空工艺研究所生产的 QY8911 双马来酰亚胺体系,其增强材料和基体树脂情况见表 1。表 1纤维和树脂的性能性能碳纤维T 300B-3000-40B玻璃纤维S-2改性双马来酰亚胺树脂密度(g/cm3)拉伸模量(GPa)拉伸强度(M Pa)断裂延伸

3、率(%)1.723029501.42.548527603.33.42.22.2试样制备(1)层板的制备预浸料在 T PJ-2 排布机上制备,按要求铺层后在热压罐中成型。(2)固化工艺由 室 温(真 空 度 0.096MPa)升温2/min100保温10分钟加压0.2MPa恒温、恒压 30 分钟升温至177加压再加 0.20.3MPa恒温 1.5 小时后,自然冷却1997年6月 NEW CARBON M AT ERIALSJun.1997第 12 卷第 2 期新型碳材料 Vol.12 No.280以下出罐。(3)试样层压板质量检测层压板由超声波和软 X 射线探查,其各层 板分 层缺 陷 5 5m

4、m2,孔隙 含 量1.5%。(4)试样加工及尺寸试样在 MW6020 磨床上进行切割,其试样尺寸长为 220mm,宽为 25mm,厚为 2mm,加强片长度 50mm。(5)性能测试试样在标准环境条件和测试状态调节按GB1446-83 规 定进行,试 验采用设 备为MT S880-50KN 万能实验机,加载速度为2mm/min。(6)各层压板铺层形式及其参数见表 2。表 2层板铺层形与参数层压板编号铺层形式VCF%*混杂界面数M BGM BH-1M BH-2M BH-3M BC 0G/45G-45G/90G/0G/45G/-45G/90G 0C/45G-45G/90G/0C/45G/-45G/9

5、0G 0G/45C-45C/90G/0G/45C/-45C/90G 0C/45C-45C/90G/0C/45C/-45C/90G 0C/45C-45C/90C/0C/45C/-45C/90C033.6860.3782.0410006860*VCF表示混杂比。图 1CF/GF 混杂 FRP 的 P-P?L/曲线图 2CF/GF 混杂纤维FRP 的部分?-?曲线(?1 铺层不破坏,当?K?1 铺层破坏。(5)对失效铺层进行刚度降级或求极限强度结束计算,当没有铺层组破坏时,由各铺层应力分量对照各组分工程弹性常数函数关系式对混杂层板刚度 AHY进行修正,并且加载荷增量?(?越小计算精度越高),重复步骤

6、(3)、(4)计算直到出现铺层破坏。当有铺层组破坏时,首先判断是否所有各铺层均破坏,如果不是,计算发生失效层时34新型碳材料第 12卷的混杂层板载荷及各铺层应力,然后对失效铺层进行刚度降级。在此采用蔡氏刚度降级准则,限当失效铺层的纵向应力?L尚未达到纵向强度X 时,破坏发生于基体相,则该层横向的剪切刚度分量为零,纤维方向的刚度分量认为不变。若纤维向应力?L已达到纵向强度 X 时,认为破坏发生于纤维相,则该层全部刚度分量都为零。对未失效层根据其应力水平进行一步的刚度修正,重新对混杂层板进行刚度组合。再次把失效载荷作为初始载荷重复步骤(3)(4)(5)计算,直到全部铺层失效。如果全部铺层失效,则计

7、算混杂层板的极限强度,结束计算。4结论(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的模量之间,受铺层方式影响,拉伸模量与混杂比不成线性关系;(2)多向混杂纤维复合材料的拉伸强度与模量受 0 向组分铺层纤维的影响程度远高于混杂比的影响程度;(3)对 CF/GF 混杂纤维复合材料层板面内刚度,强度性能的估算采用本文提出的非线性迭代模量较为合理。参考文献1宋焕成,张佐光.混杂纤维复合材料,北京航空航天大学出版社,1989,4052陈绍杰.复合材料设计手册,北京航空工业出版社,1990,5263尤姆塔诺波尔斯基(苏),复合材料静载性能试验方法,航空工业出版社,1988,494王震鸣.复合材料力学和复合材料结构力学,北京机械工业出版社,1991,18235第 2期张大兴等:CF/GF多向混杂纤维复合材料拉伸特性研究