CFRP在不同应变率和温度下的力学性能试验研究*

黄　靓，张怀安，肖　岩，朱德举

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙　410082)



CFRP在不同应变率和温度下的力学性能试验研究*

黄靓，张怀安，肖岩，朱德举†

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙410082)

摘要：采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)制备了CFRP，利用MTS液压伺服高速机对CFRP试件在4种应变率(25,50,100和200 s(-1))和6种温度(-25,0,25,50,75和100 ℃)下进行测试.试验结果表明，在相同温度(室温25 ℃)下，除200 s(-1)应变率下的韧性外，拉伸强度和韧性随着应变率的提高而明显增大.在相同应变率(25 s(-1))下，与室温相比，随着温度的升高或降低，CFRP的拉伸强度和韧性都将降低.试件破坏形态在不同应变率下并没有明显区别，但在不同温度下有所改变.最后，通过Weibull分析，研究了拉伸强度在不同条件下的变化规律.

关键词：碳纤维增强复合材料；应变率；温度；应力应变；韧性

纤维增强复合材料(FRP)具有比强度高，可塑性好，比模量高等优点，在众多FRP中，碳纤维增强复合材料(CFRP)以其优良的性能在土木工程中得到广泛的应用[1-2].因为多种原因，应用于结构中的复合材料难免会受到冲击荷载作用，比如爆炸、地震、汽车撞击、强风荷载等等[3]，伴随着爆炸和撞击，常常会形成高温环境.此外，由于工程所在环境各不相同，导致复合材料工作的温度范围也较大.因此，研究CFRP在动载和多种温度下的力学性能对于工程应用具有重要意义.

目前，国内外学者对于测试材料动态性能的方法还没有统一的标准.目前试验研究中主要采用以下方法：霍普金森杆(SHPB)、落锤系统和液压伺服高速机[4-5].测试方法的选择取决于测试试件应变率所在的区间.SHPB主要用于测试材料在高应变率下的性能.Amos等[6]研究了CFRP在静载和应变率为400～600 s-1下的力学性能，结果显示随着应变率的增大，材料刚度随之变大，但对强度影响不明显.Naik等[7]测试了CFRP在140～400 s-1应变率范围内的力学性能.落锤系统和液压伺服高速机主要测试材料在1～200 s-1中应变率范围内的力学性能[8-10].Adams等[11]通过冲击方法研究碳纤维和玻璃纤维增强复合材料在静载到25 s-1应变率下的拉伸力学性能.Shokrieh等[12]研究了玻璃纤维增强复合材料在应变率为0.001～100 s-1的力学性能.Zhu等[13]测试了水泥基复合材料在静载和中应变率下的力学性能.AI-Zubaidy等[14]测试了CFRP在静载到应变率为87.4 s-1的力学性能.但是关于CFRP在中应变率下的力学性能研究还相对较少，而且动态测试比较困难，根据学者之前得到的结论，CFRP的强度在动载下有的升高，有的下降[15].因此，有必要进行更多的CFRP在中应变率下的试验，为工程应用提供基础.

纤维增强复合材料在不同温度下的力学性能有所不同，这是因为温度对于环氧树脂胶体和纤维的力学性能有影响，而且胶体和纤维的热膨胀系数不同也会产生温度应力从而影响复合材料的拉伸强度.Im等[16]研究了不同层数的CFRP板材在高低温下的冲击性能.Suvarna等[17]进行了CFRP在30～90 ℃的低速冲击试验和弯曲试验. Hong等[18]测试了CFRP在-75～75 ℃的冲击力学性能.Rio等[15]通过霍普金森杆研究了两种角度(0°,90°)的CFRP在室温和低温下的力学性能，结果表明，低温对轴向强度的影响不显著.但是有关CFRP在高低温下的动态拉伸力学性能的研究却鲜有报道，因此，有必要进行CFRP在高低温下的试验，更全面地分析CFRP的力学性能.

本文研究单向碳纤维增强复合材料在应变率为25～200 s-1和温度为-25～100 ℃的力学性能，通过分析试件强度和韧性的变化研究应变率和温度对其力学性能的影响.同时，试验采用高速相机记录试件破坏过程，研究应变率和温度对试件破坏模式的影响，从而为CFRP的工程应用提供理论基础.

1试验测试

1.1试样制备

选用湖南固特邦公司生产的JN-C3P改性环氧胶粘剂和单向碳纤维布，每束碳纤维含碳纤维丝12 k，为了保证单向碳纤维布的整体性，纤维束长度方向每隔5 mm有一条横向定位白线.使用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)制备试件，得到的CFRP中碳纤维体积含量为30.7%.通过定制的铝模具，可以一次成型50 cm×80 cm×0.55 mm的单层CFRP板材.再根据试样大小进行剪裁.试样要包含尽量多的碳纤维束以反映真实的CFRP力学性能，但考虑试验仪器夹具大小的限制，因此试样尺寸设计宽度为22 mm，约8束碳纤维束，标距长度25 mm，总长105 mm，两端使用相同的环氧树脂粘贴40 cm×22 cm×0.3 mm的铝片，如图1(a)所示．防止试件加持处发生应力集中，造成试件端部破坏．在显微镜下观察试样横截面，如图1(b)所示,由图1(b)可以看出，碳纤维丝都被环氧树脂浸透，没有气泡存在，所以可以更加真实地得到CFRP的力学性能.

图1　测试试样

1.2测试方法

试验在美国亚利桑那州立大学的MTS液压伺服高速机上完成，试验装置如图2所示.

图2　试验装置

仪器最大量程为200 kN,加载速度最高可达14 m/s，通过调节阀门，可以控制加载速度.试验前先调节阀门，测试拉伸速度为预定速度后，再安装试

件，进行试验测试.夹具为不锈钢制成，通过楔形块可以有效夹紧试件，避免试件在测试过程中发生滑移.环境箱采用电阻丝加热和液氮制冷，工作温度为-60～200 ℃，环境箱内置风扇，可使箱内温度均匀变化.本试验选取25,50,100和200 s-14种应变率和-25,0,25,50,75和100 ℃ 6种温度进行测试.同时使用Phantom高速相机，采用20 000帧/s的频率记录试件破坏过程.

2测试结果

2.1应变率对力学性能的影响

CFRP的应变率分别为25,50,100和200 s-1下的应力-应变曲线如图3所示．应变率分别为25，50，100 s-1的试验组各重复8个试样，应变率为200 s-1的试验组重复5个试样．高应变荷载作用下，纤维内会产生应力波以及反射应力波，以达到应力平衡状态.图3是在荷载施加到试样的初始时刻开始记录，直到试样拉断结束.

图3　不同应变率下的应力-应变曲线

在材料动态测试中，很难达到类似静载的应力平衡，而是动态的应力平衡.使用霍普金森杆进行试验时,判断应力动态平衡的准则是荷载脉冲在试件内部反复传递3次以上.美国汽车工程师学会(SAE)标准建议至少在试件测试区域内有10次以上的弹性反射波才能被认为是应力平衡.根据文献[9]可知,试件达到动态应力平衡所需时间为：

T=2nL/v.

(1)

式中:L为试件长度；v为弹性应力波在材料内的速度；n为应力波的传递次数.应力波传输速度为:

(2)

式中：E为弹性模量；ρ为材料密度.将式(2)代入式(1)，得

(3)

由式(3)可知，T越大，n则会越大.若T在最小值时满足条件，则其余情况均满足.而T随着应变率的增大而减小，因此选择CFRP在200 s-1下的试验值进行计算.在200 s-1下应力达到最大值所需时间为0.4 ms左右，CFRP弹性模量为235 GPa，密度为1.8 g/cm3，计算得n为68,大于建议值，因此试件内部应力满足动态应力平衡条件.

因为受力过程中试样的反作用力会降低加载速率，使试样实际应变率低于初始应变率[3]，图3中所标识的是每个试样的实际应变率(并非测试编号)，为了方便对比分析，文中采用初始应变率.部分试件实际应变率明显过低，予以舍去.每个试件的尺寸在3个位置用游标卡尺进行测量，取平均值计算试件截面面积从而计算试件应力值.由图3可知，应变率越大，试件应力-应变曲线的离散性越高.应变率分别为25 s-1和50 s-1下的应力-应变曲线形状相似，在经历初始线弹性阶段后，纤维束逐渐断裂，引起应力在到达峰值前产生较大波动，随后完全断裂，应力立刻降为零.但在较高应变率100 s-1和200 s-1情况下，应力-应变曲线基本保持线性上升至峰值，应力波动区域明显减小或消失；峰值后应力快速下降直至试件彻底破坏.

根据不同应变率下的应力-应变曲线，可以得到CFRP力学性能的应变率效应.图4给出了试件的拉伸强度和韧性与应变率的关系.总体来说，各个参数随着应变率的增加而增加.应变率为25，50,100,200 s-1对应的拉伸强度分别为874±73,907±71,985±139和1 114±108 MPa,拉伸强度与应变率基本呈线性关系，从25 s-1到200 s-1，拉伸强度增幅达到27.5%.应变率分别为25，50，100和200 s-1所对应的韧性分别为35.79±8.51,41.43±5.7,47.49±13.7和43.74±10.6 MPa，应变率由25 s-1到100 s-1其韧性基本呈线性上升，增幅达到32.7%，但应变率从100 s-1到200 s-1其韧性并无增加，反而有7.9%的下降.

图4　应变率对材料力学性能的影响

2.2温度对力学性能的影响

CFRP在6种不同温度(-25，0，25，50，75和100 ℃)下的应力-应变曲线如图5所示，所有温度试验均在25 s-1应变率下进行，每种温度测试了8个试样，由图5可知，试验重复率较好.图6给出了CFRP拉伸强度和韧性与温度的关系.在温度分别为-25，0，25，50和75 ℃下其拉伸强度分别为846±61，832±27，874±73，861±65和850±91 MPa，增减幅度在5%以内，可见在此温度范围内对CFRP的强度影响不显著，但升温至100 ℃时，拉伸强度降低为651±78 MPa，较之常温(25 ℃)下降幅度为25.5%，这是因为环氧树脂胶体达到玻璃化温度，软化后刚度和强度下降显著.相比拉伸强度，韧性对温度较为敏感，相比常温下的韧性，升温或降温都会造成韧性的下降.在温度分别为-25，0，25，50，75和100 ℃下其韧性分别为25.35±5.63，31.1±7.07，35.79±8.51，25.95±5.13，27.31±9.01和21.62±5.22 MPa，与常温相比，分别下降了29.2%,13.1%,27.5%,23.7%和39.6%.韧性随温度下降而下降是因为CFRP在低温下变脆，变形能力降低，从而承担能量的能力减弱.对于温度升高的情况，在温度未达到100 ℃之前，韧性下降的幅度基本维持不变，到100 ℃时，幅度增大较多.这是因为CFRP试件受热软化，在高温下最大应变相比常温减小32%左右，但强度变化幅度不大，因而韧性降低幅度相似，但在100 ℃下强度降低幅度较大，同时应变减小，所以韧性降低较多.

图5　不同温度下的应力-应变曲线

2.3应变率和温度对破坏形态的影响

图7给出了CFRP试件在不同应变率下的破坏形态图.由图7可知，试件破坏并没有一个整体的断裂截面，每根纤维束的断面并不相同，但同一根纤维束断裂在同一截面.纤维束断面多在纤维布的定位白线处，这是因为试件采用VARI工艺成型，试件整体厚度一致，但由于定位白线的存在，导致该处的胶体较其余地方偏薄，形成一个相对薄弱的地方，导致断裂容易在该处发生.定位白线处的胶体在测试后可以观察到有轻微的剥离现象，可以说明在测试过程中，应力容易在此处集中.试件断裂面并未呈现出纤维拉断的特性，因为每根纤维丝都在环氧树脂胶体内均匀分布，因此断裂时更多呈现胶体断裂特性，断裂面比较平整.图8是使用高速相机记录的试件在4种应变率下的破坏过程，从中可以看出，破坏过程并没有显著区别.因为试件偏差、安装试件偏差和仪器偏差等诸多因素，试件所有纤维束很难同时断裂，试件破坏时，CFRP可能会分裂为几根纤维束后再分别断裂.观察破坏后试件图，4种应变率的破坏形态也基本相似，这与AI-Zubaidy等[14]的发现一致.

图6　温度对材料力学性能的影响

图9给出了试件在6种温度下的破坏形态图，从图中可以看出，试件破坏截面基本在试件中间.和不同应变率下破坏形态相似，破坏面不是同一个截面，而是由不同纤维束破坏截面组成，但这种现象随着温度的升高而减弱，在100 ℃情况下，破坏面基本为一个整体，纤维束的散落现象基本消失.这是因为胶体软化，使得试件的脆性降低.同样地，随着温度升高，在定位白线处的胶体轻微剥离现象也随之减弱，在100 ℃的情况下已经基本消失.

图7　试件在不同应变率下的破坏形态

图8　试件在不同应变率下的破坏过程

3Weibull 分析

因为碳纤维表面缺陷分布的不确定性，其强度不可避免地呈现离散性，因此用平均强度来表征其力学性能.用二参数Weibull分析处理其数据是比较理想的方法.二参数Weibull分布的基本形式如下：

(4)

(5)

式中：N为试件测试总数；i为试件在拉伸应力σ下破坏的个数.

图9　试件在不同温度下的破坏形态

图10给出了拉伸强度在不同应变率和温度下的累积破坏概率图.由图10(a)可知，随着应变率的增加，曲线向高强度方向移动，而且移动幅度与应变率近似成线性关系，说明CFRP的强度随应变率的增加而近似线性增加，这也可从图4(a)中验证.由图10(b)可以明显看出，升温测试的拟合曲线只有一条离其他曲线较远，另外5条曲线位置接近.由此可知，温度升高到100 ℃后对CFRP强度的影响才比较明显，其他温度下的影响并不显著.此外，值得注意的是，100 ℃下的强度分布范围明显增加，这是因为环氧树脂软化后，试件破坏模式发生改变，并不集中发生在试件定位白线薄弱处，所以强度分布范围增加.

图10　累积破坏概率曲线

4结论

本文进行了CFRP在4种应变率和6种温度下动态拉伸测试，针对其力学性能和破坏形态进行了分析，主要结论如下：

1)随着应变率的提高，除200 s-1下的韧性，CFRP的拉伸强度和韧性均有明显增加.拉伸强度在该应变率范围内基本呈线性增加，相比25 s-1下的力学性能，强度增加幅度最大为27.5%，韧性增加幅度最大为32.7%；

2)与常温下力学性能相比，升温和降温均造成力学性能的下降.相对拉伸强度，韧性随温度的变化更显著.而拉伸强度只有温度到达100 ℃后才有明显下降；

3)不同应变率下的破坏形态并无显著区别，在不同温度下，随着温度的升高，破坏模式趋向于一个整体的断裂面.

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Experimental Study of Mechanical Properties of CFRP under Different Strain Rates and Temperatures

HUANG Liang, ZHANG Huai-an, XIAO Yan, ZHU De-ju†

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China)

Abstract:In this work, carbon fiber reinforced plastic(CFRP) were fabricated using vacuum assisted resin infusion (VARI). Specimens were tested under four strain rates (25, 50, 100 and 200 s(-1)) and six temperatures (-25, 0, 25, 50, 75 and 100 ℃) by means of a servo-hydraulic high rate testing system. The results show that tensile strength and toughness increase with the increasing strain rate under the same temperature (room temperature 25 ℃) except the toughness under 200 s(-1). At the same strain rate of 25 s(-1), on the other hand, the tensile strength and toughness at the room temperature are higher than those under other temperatures. The failure patterns of CFRPs were nearly similar under four investigated strain rates, but different under six temperatures. Moreover, Weibull analysis was carried out to quantify the change of tensile strength under different conditions.

Key words:CFRP; strain rate; temperature; stress-strain; toughness

中图分类号：TB332

文献标识码：A

作者简介：黄靓(1974-)，男，湖南株洲人，湖南大学副教授，博士†通讯联系人，E-mail:dzhu@hnu.edu.cn

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB026200)；湖南省科技计划重点资助项目(2014WK2026)；湖南省杰出青年基金资助项目(2015JJ1004)；湖南大学交叉学科研究项目

*收稿日期：2015-02-06

文章编号：1674-2974(2016)03-0090-08