温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响
2016-02-05张君秋孙宝忠
张君秋,孙宝忠,张 威
(东华大学 纺织学院,上海 201620)
温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响
张君秋,孙宝忠,张 威
(东华大学 纺织学院,上海 201620)
利用带有温度控制装置的分离式霍普金森杆(SHPB)测试碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的冲击压缩性能,分析温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响.结果表明: 温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的面外冲击压缩模量、最大应力及破坏形态都有很大影响.随着温度的增加,纤维与树脂界面变弱,最大应力减小,压缩模量减小;随着应变率的增加,最大应力增加,压缩模量变大. 通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现,纤维与树脂界面在100 ℃时发生变化,有大量纤维束从经、纬纱中被拉出,导致纤维束无规则断裂.
碳纤维;平纹层压复合材料;应变率;冲击压缩
平纹织物增强复合材料中纤维沿经、纬两个方向分布且相互交织,与单向纤维增强复合材料相比,其具有更好的结构稳定性和抗冲击性能[1],在装甲防护、飞机、舰船和汽车等的防撞击结构部件等动态领域有广泛应用.在使用中工程结构会受到不同温度下的冲击加载作用[2-3],研究不同应变率及不同温度下冲击压缩性能对平纹织物复合材料工程结构设计具有重要意义.
近年来,国内外学者已经开始研究温度对单向纤维增强复合材料和平纹机织物增强复合材料力学性能的影响.文献[4]测试了三维机织间隔织物增强复合材料在不同温度(20和-196 ℃)下的三点弯曲性能.文献[5]分析了低温下碳纤维机织物增强环氧树脂基层压复合材料的层间剪切强度.文献[6]在20～180 ℃条件下测试二维机织碳纤维增强层压复合材料的拉伸性能.文献[7]研究了温度从室温升到375 ℃的过程中,二维机织物碳纤维增强聚酰亚胺基层压复合材料不同方向压缩强度和失效机理.文献[8]在不同温度(25,-20和-60 ℃)下对玻璃纤维增强环氧树脂单向纤维增强复合材料进行静态压缩测试.文献[9]测试了具有单向铺层、交叉铺层、准各向同性铺层、机织物铺层等不同铺层方式的碳纤维/环氧树脂层合板在-150～20 ℃条件下低速冲击力学响应的温度效应,并结合超声波检测法和扫描电子显微镜(SEM)观测损伤机理.文献[10]研究了不同温度(20,60和100 ℃)条件下玻璃纤维/环氧树脂交叉铺层复合材料在5～70 J冲击能量范围内的低速冲击性能.文献[11]进行不同温度(-60～100 ℃)条件下玻璃纤维增强复合材料低速冲击试验,研究了试样损失面积随温度的变化.这些研究主要集中于静态和低速冲击的温度场下测试.
文献[12]用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究温度和应变率对碳纤维/环氧树脂单向复合材料压缩性能的影响,并通过SEM 观测温湿度对破坏形态的影响.文献[13]测试了平纹及缎纹碳纤维/环氧树脂层压复合材料在室温、52、79和107 ℃这4个温度下的高应变率面内压缩效应,研究了不同温度下的裂纹形态.
上述文献主要集中于单向纤维增强复合材料、交叉铺层复合材料和不同加载条件下复合材料压缩性能的研究,对于碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料在不同温度和不同应变率同时加载条件下的面外压缩性能则未见报道.为此,本文利用带有温度装置(课题组自主设计)的SHPB在温度场下测试碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料(下文简称“平纹层压复合材料”)的面外方向冲击压缩性能,探讨温度和应变率对面外冲击压缩模量、最大应力值及破坏形态的影响.
1 试 验
1.1 材料
平纹层压复合材料中的增强体碳纤维布由无锡市鹏盛碳纤维科技有限公司提供,其为平纹组织,面密度为480 g/mm2,厚度为0.48 mm,经、纬纱密度皆为30根/10 cm,每根经纱和纬纱都由12 000根单丝组成.采用江苏常熟佳发公司生产的JC-02A型环氧树脂作为基体,并用动态力学分析法(DMA)测得其玻璃化温度在110 ℃左右.
平纹层压复合材料制备采用真空辅助树脂传递模(VARTM)工艺,固化条件为：90 ℃下固化2 h,然后再将烘箱温度调至110 ℃固化1 h,最后再调至135 ℃固化4 h.试样用14层碳纤维布进行固化,固化尺寸为10 mm(长)×10 mm(宽)×4.5 mm(厚度),纤维体积分数约为60%.试样表面及横截面如图1所示.
图1 碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料Fig.1 Carbon/epoxy plain woven laminated composites
1.2 试验方法
采用SHPB测试系统分别在20、50、80和100 ℃这4个温度下测试试样不同应变率(700～900 s-1、950～1 100s-1、1 150～1 300 s-1)下的冲击压缩性能. SHPB装置示意图如图2所示,该装置所有杆直径均为30 mm,冲击杆、输入杆、输出杆和吸收杆的长度分别为400、2 000、2 000及600 mm.冲击压缩试验时,将试样放在输入杆和输出杆之间,按下打击阀,冲击杆在高压氮气的作用下沿着导管高速撞向输入杆,使输入杆获得一个压缩波脉冲,压缩波沿着输入杆传向试样的端面,一部分反射回输入杆,一部分透过试样传入输出杆.采用与SHPB匹配的温度装置实现不同温度的测试,其示意图如图3所示.
图2 SHPB示意图Fig.2 Schematic of SHPB
图3 温度装置示意图Fig.3 Schematic of temperature device
应变率变化通过调节高压氮气阀门实现,即调节阀门使冲击杆获得不同速度,进而使应变率发生变化.气压与对应的应变率变化如表1所示.加载方向为沿厚度方向压缩.同一应变率下,分别在20、50、80和100 ℃这4个温度点进行即时冲击压缩.为了使每个试样受热均匀,将试样放置在带有温度控制的加热装置中(保证此时输入杆与输出杆不在温度装置内),达到所需温度并且平衡30 min后,即时进行冲击,完成一次试验.每个温度做3次以上重复试验.
表1 试样压缩应变率与试验气压的关系
Table 1 Relationship between the strain rates of samples and gas pressures
应变率/s-1700~900950~11001150~1300气压/MPa0.1500.1750.200
2 结果与讨论
2.1 温度对平纹层压复合材料冲击压缩破坏形态 的影响
(a) 0.150 MPa
(b) 0.175 MPa
(c) 0.200 MPa图4 碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料典型破坏形态Fig.4 The typical damage modes of carbon/epoxy plain woven laminated composites
平纹层压复合材料试样面外冲击压缩典型破坏形态如图4所示.试样表面为冲击面,即为与输入杆接触面.在应变率为700～900 s-1条件下,即气压为0.150 MPa,如图4(a)所示,上下两组分别是受冲击面破坏形态及其对应的侧面破坏形态,试样冲击面树脂基体开裂,平纹增强体产生一定变形,出现剪切破坏,但基本能保持为一个整体.剪切破坏产生的原因可能是,在面外冲击时,纤维束横向受压,而纤维束纵向强度要远大于横向强度,所以其承受不了横向压力而产生劈裂,从而应力波在试样内可以得到传播.没完全解体的原因可能是平纹在垂直于加载方向的面内有波浪形的纤维束增强,减少了一部分剪切力,并缓冲了一部分应力波.随着温度的增加,破坏程度增大,且有纤维束呈散射状被压出.在20和50 ℃条件下试样侧面破坏位置在中间,而在温度为80和100 ℃作用下使得基体与增强体界面变弱,试样破坏由侧面中间扩展至整个侧面.在应变率为950～1 100 s-1和1 150～1 300 s-1条件下,即气压为0.175和0.200 MPa,如图4(b)和4(c)所示的20和100 ℃环境下的典型破坏形态,由于冲击载荷增大,试样不再是一个整体,基体破碎严重,但可看出增强体被剪切破坏,直至完全解体,试样破坏越来越严重,直至完全破碎.
平纹层压复合材料在温度为20和100 ℃、应变率为700～900 s-1条件下冲击压缩后试样的SEM测试结果如图5所示.由图5可知,在20 ℃时,纤维束基本保持完整,但在100 ℃时,纤维束开始出现开裂现象,基体破碎,并且纤维束断裂不规则,这可能是温度使得纤维与树脂界面黏结力弱化,从而开裂分散.
图5 试样典型破坏形态SEM图Fig.5 SEM images of the samples’ typical damage morphology
2.2 试验结果分析
不同试验条件下测得的结果如表2所示.
表2 不同试验条件下的测量结果
Table 2 Test results under different conditions
气压/MPa温度/℃最大应力/MPa压缩模量/GPa平均值方差平均值方差0.1502056689.3339.10.010505339.0007.70.0038045449.3337.20.01010040132.3336.60.0130.1752058322.3339.50.0135054920.3338.90.0038048349.3337.40.00310042366.3337.30.0030.20020607126.3339.90.01350562103.0009.50.01080531112.3337.50.003100483109.0007.00.003
不同应变率条件下,温度的不同对试验结果差异的显著程度作方差分析，结果如表3所示.由表3可知，温度对试样的最大应力和压缩模量的影响显著.
表3 方差分析结果
Table 3 Results of variance analysis
气压/MPa指标来源平方和自由度均方F比0.150最大应力温度50588.25316862.75误差360.00845.00374.70总计50948.2511F0.99(3,8)=7.59压缩模量温度10.5333.51误差0.0780.01390.00总计10.5311F0.99(3,8)=7.590.175最大应力温度44818.25314939.42误差316.67839.58377.45总计45134.9211F0.99(3,8)=7.59压缩模量温度11.5833.86误差0.0580.01665.28总计11.6211F0.99(3,8)=7.590.200最大应力温度24360.9238120.31误差901.338112.6772.07总计25262.2511F0.99(3,8)=7.59压缩模量温度17.8635.95误差0.0680.01794.67总计17.9211F0.99(3,8)=7.59
不同温度条件下,应变率的不同对试验结果差异的显著程度作方差分析，结果如表4所示.由表4可知,应变率对试样的最大应力和压缩模量影响显著.
表4 方差分析结果
Table 4 Results of variance analysis
温度/℃指标来源平方和自由度均方F比20最大应力应变率2546.0021273.00误差476.00679.3316.05总计3022.008F0.99(2,6)=10.92压缩模量应变率0.8920.44误差0.0760.0136.34总计0.968F0.99(2,6)=10.9250最大应力应变率1264.222632.11误差264.67644.1114.33总计1528.898F0.99(2,6)=10.92压缩模量应变率4.8822.44误差0.0360.01435.91总计4.928F0.99(2,6)=10.92
(续 表)
2.3 平纹层压复合材料在不同应变率下冲击压缩 温度效应
平纹层压复合材料在不同应变率(700～900 s-1、950～1 100 s-1、1 150～1 300 s-1),即0.150、0.175和0.200 MPa气压下,以及不同环境温度(20、50、80和100 ℃)下面外冲击压缩的典型应力-应变曲线如图6所示.由图6可知,所有曲线在压缩初始阶段均呈现线性变化,应力随应变增加而线性增加.在20和50 ℃条件下,如图6(a)和6(b)所示,当应力达到最大值后迅速下降;而在80和100 ℃时,如图6(c)所示,应力达到最大值后并未迅速下降,而是随应变增加趋于平稳,而后又迅速下降.温度越高,此平稳期越明显.而且在应变率为1 150～1 300 s-1和100 ℃条件下,试样应力-应变曲线出现平台最明显.在相同条件下,随温度的升高,最大应力变小,压缩模量变小.这一方面可能因为树脂与增强体受热膨胀的性质不同,另一方面可能是由于温度会对聚合物基体的分子运动产生很大影响,温度越高,分子动能越大,导致树脂与纤维界面黏结变弱,试样塑性增加,脆性减弱.
(a) 0.150 MPa气压
(b) 0.175 MPa气压
(c) 0.200 MPa气压图6 碳纤维平纹织物/环氧树脂复合材料在不同温度、不同应变率下的应力-应变曲线Fig.6 The stress-strain curves of carbon/epoxy plain woven laminated composite under different temperatures and different strain rates
2.4 平纹层压复合材料在不同温度下冲击压缩应 变率效应
平纹层压复合材料在相同温度和不同应变率条件下的面外压缩力学性能参数如表2所示.由表2可知,平纹层压复合材料在相同温度、不同应变率下面外冲击压缩有应变率效应,在每一个温度条件下,都有随应变率的增大,最大应力增大,压缩模量也有增大的趋势.这表明试样在面外压缩即厚度压缩方向具有应变率效应.
3 结 论
(1) 碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料面外冲击压缩具有温度效应.在相同条件下,随着温度的增加,最大应力值和模量都减小,应变有增大趋势,并且在达到最大应力值后,应力-应变曲线会有平稳期出现,温度越高,平稳期越长.而且在应变率为1 150～1 300 s-1和100 ℃条件下,试样应力-应变曲线出现平台最明显.
(2) 碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料面外冲击压缩具有应变率效应.在相同温度下,随应变率的增大,最大应力和压缩模量增大.
(3) 碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料面外压缩典型破坏模式出现剪切破坏,随着温度的升高,破坏加重,出现纤维束散开现象.在应变率为950～1 300 s-1条件下,试样开始破碎,出现单纤维束碎片,到最大应变率及温度时试样已完全破碎.由SEM观察典型破坏形态可知,当温度为100 ℃时,纤维束开裂明显,纤维断裂不规则.
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Effect of Temperature and Strain Rate on the Compression Behaviors of Carbon/Epoxy Plain Woven Laminated Composites
ZHANGJun-qiu,SUNBao-zhong,ZHANGWei
(College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)
The impact compressive properties of carbon/epoxy plain woven laminated composites were tested on the split Hopkinson pressure bar (SHPB) to analyze the effect of temperature and strain rate on the compressive properties of the composites.The results reveal that the temperature and strain rate have significant influences on the impact compression modulus,peak stress and failure morphology. With the increase of temperature,fiber-matrix interface becomes soft,which leads to peak stress and compression modulus decrease. And with the increase of strain rate,peak stress and compression modulus increase,as well. Through scanning electronic microscopy (SEM) observations,it was found that the change of fiber-matrix interface was occurred at 100 ℃. There are abundant fibers pulled out from the warp and weft yarns,which makes the irregular fracture of fiber tows.
carbon fiber;plain laminated composites;strain rate;impact compression
1671-0444 (2016)05-0636-05
2015-07-20
国家自然科学基金资助项目(11272087)
张君秋(1991—)，女，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为纺织复合材料冲击动力学.E-mail: junqiuzh@163.com 孙宝忠(联系人)，男，教授，E-mail: sunbz@dhu.edu.cn
TB 332
A
