不同工艺复合材料层合板冲击性能研究

熊风 孙泽玉 高洪平 王士杰 张辉 余木火

摘 要：本文通过金相显微镜以及煅烧法对不同工艺T700/YPH-41T（12 k）体系碳纤维复合材料的纤维体积含量测定以及采用落锤冲击试验机对冲击性能表征。实验结果表明板材采用热压罐工艺比采用真空袋工艺的纤维体积含量高，分别为77.3 %、55 %；板材采用不同工艺其冲击响应不同，具体表现在最大冲击力、冲击接触时间、冲击最大位移等；最后整理归纳冲击数据，得到相同能量冲击下真空袋工艺板材的冲击能量吸收率比热压罐工艺板材的冲击能量吸收率高。

关键词：复合材料；制备工艺；落锤冲击试验机

中图分类号：V261 文献标志码：A

复合材料（Composite Materials）对于我们来说是一类既古老又先进、既熟悉又陌生的材料。从复合材料这个名字我们可以得知，其应该有两种或以上的具有不同物理与化学性质的材料通过复合成型的材料。

纤维复合材料是一种很常见的复合材料，从20世纪30年代在美国开始发展，后来受到广泛应用。纤维复合材料一般由纤维作为增强体，树脂作为基体。纤维是复合材料的主要承力组分，一般拉的力学性能（拉伸、弯曲）均由增强材料承担；基体主要作用于粘合，使增强材料成型为一个整体，进而起到一个分配应力以及均衡应力的功能，从而使得纤维增强材料的性能得到完全的作用，在这种作用下会使得复合材料的力学等方面性能要远远比单一组分材料的力学性质要好。

随着汽车轻量化的发展，碳纤维复合材料在汽车上的应用是不可逆转的发展趋势，但是在汽车高速行驶的过程中，不可避免地会有石子以不同速度被溅起，从而冲击到汽车的复合材料覆盖件。但是由于预测石子冲击对复合材料板的损伤分析比更加困难，对金属材料的损伤分析且相关文献鲜见报道，因此研究冲击对碳纤维复合材料夹芯板的研究显得十分必要。

1 实验部分

1.1实验原材料

主要实验原料名称、规格及生产厂家见表1。

表1 主要实验原料

材料名称 材料规格 生产厂家

编织预浸料 T700/YPH-41T（12 k） 上海华征复合材料有限公司

丙酮 JYJ 361-2014 永华化学科技（江苏）有限公司

普通热镶嵌料 PT2231 特鲁厉

1.2 实验仪器

实验测试如下，具体参数见表2。

2 实验过程及结果

2.1 样品制备工艺

本实验采用T700/YPH-41T（12 k）体系的碳纤维预浸料；具体制备工艺如下：

（1）采用真空袋工艺，先将预浸料铺好并抽真空，将烘箱温度设为120 ℃，待温度升至设定温度后保温2 h，最后降温取出板材。

（2）热压罐工艺（先升温到80℃后升压到400 kPa，保温保压0.5 h后升温到125 ℃保温保压1 h，最后降温到60 ℃后降压）。

2.2 金相显微镜复合材料纤维分布以及纤维体积含量表征

制备样品，尺寸为2 mm*3 mm。通过镶嵌机，用普通镶嵌树脂（PT2231）处理样品制得金相试样，用不同目砂纸打磨，直达到2500目换粒径为0.005mm的AL2O3打磨抛光。最后采用金相显微镜研究复合材料碳纤维分布最后计算得出纤维体积含量。

对比图1，得到不同工艺的复合材料纤维与树脂、树脂与树脂间没有明显缺陷。图1（b）表明，采用热压罐工艺制备的样品在同一范围内的纤维丝束数量要高于图1（a）采用真空袋工艺成型的样品。

由图1（c）（d）计算得到，真空袋工艺制备材料的纤维体积含量在55%左右，同理计算得到热压罐工艺制备材料的纤维体积含量在77.3 %左右。

2.3 煅烧法纤维体积含量测试

制备样品，热压罐工艺样品尺寸为50mm×27mm×3mm，真空袋工艺样品尺寸为34mm×39mm×4 mm。放入管式炉，温度设为800 ℃，煅烧时间为6h。实验完成后用丙酮洗去杂物，烘干称重。热压罐样品纤维重6.65 g；真空袋工艺样品纤维重5.15g。计算得到热压罐工艺样品纤维体积含量为68.2 %，同理得到真空袋工艺样品的纤维体积含量为54.3 %。数据与金相显微镜计算不同，原因是碳纤维煅烧时有部碳纤维被氧化和丙酮清洗碳纤维时有部分短的碳纤维被洗出未计入重量。

2.4 复合材料冲击动态力学性能研究

图2为初始能量（10 J）下，热压罐工艺和真空袋工艺复合材料层合板的冲击-位移、位移时程、位移-速度、能量-位移曲线。从下面4张图可以得知在冲击阶段相同位移下，热压罐工艺板材冲击接触力大于真空袋工艺的板材、熱压罐工艺板材冲击瞬时速度小于真空袋工艺的板材、热压罐工艺板材冲击吸收大于真空袋工艺的板材；相同时间下，热压罐工艺板材冲头的位移小于真空袋工艺的板材。

T700/YPH-41T（12 k）采用热压罐工艺制备板材的最大冲击力7442N、冲击时间3.23 ms、冲击最大位移3.1mm；真空袋工艺板材最大冲击力5029N、冲击时间3.97 ms、冲击最大位移4.2mm。这是由于热压罐工艺制备层合板的成型过程中处于一个高压状态，纤维体积含量高，板材刚性强。

2.5 实验原始数据计算与统计

不同工艺制备T700/YPH-41T（12 k）预浸料复合材料的冲击数据统计见表2。数据处理得到在相同能量下，真空袋工艺制备板材冲击能量吸收率（冲击吸收能量 /初始冲击能量）为42.3%，热压罐工艺制备板材冲击能量吸收率为35%。出现上述差异原因是由于真空袋工艺板材纤维体积含量比热压罐工艺制备材料的低，而树脂部分在冲击过程中有增韧效果，能吸收一部分能量，故其冲击能量吸收率的值比热压罐工艺材料的高。

3 实验总结

实验结果为碳纤维复合材料制备工艺的研究设计提供了依据，实验结果表明：

（1）T700/YPH-41T（12 k）体系预浸料，采用热压罐工艺制备复合材料的纤维体积含量比真空袋工艺制备复合材料的高。热压罐工艺样品纤维体积含量为77.3 %，真空袋工艺样品的纤维体积含量为55%。

（2）不同工艺T700/YPH-41T（12 k）体系复合材料的冲击响应不同。热压罐工艺制备的预浸料板材最大冲击力7442N、冲击时间3.23 ms、冲击最大位移3.1mm；真空袋工艺板材最大冲击力5029N、冲击时间3.97 ms、冲击最大位移4.2mm。这是由于热压罐工艺板材纤维体积含量高，板材刚性强。

（3）不同工艺T700/YPH-41T（12 k）体系复合材料的冲击能量吸收率不同。热压罐工艺制备板材冲击能量吸收率为35%、真空袋工艺制备板材冲击能量吸收率为42.3%。真空袋工艺比热压罐工艺制备板材冲击能量吸收率的值高，是由于真空袋工艺板材纤维体积含量比热压罐工艺制备材料的低，其韧性比热压罐工艺制备的板材强。

参考文献

[1]Chang I Y， Lees J K. Recent Development in Thermoplastic Composites： A Review of Matrix Systems and Processing Methods[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials， 1988， 1（3）： 277-296.

[2]方立.连续纤维增强热塑性复合材料制备及其性能的研究[D].华东理工大学，2012.

[3]Broutman L J. Composite materials[M].Academic Press， 1974.

[4]刘丽妍. 亚麻增强树脂基复合材料的开发与研究[D].天津工业大学，2005.

[5]倪礼忠，陈麒.聚合物基复合材料[M].华东理工大学出版社，2007： 22-29.

[6]曾帅，贾智源，李炜.一种复合材料纤维体积含量的测试方法[P]. 上海：CN104730211A，2015-06-24.

[7]GB /T 2577—2005，玻璃纖维增强塑料树脂含量试验方法[S].