碳纤维单向带复合材料的静动态力学性能研究

黄亚烽，孟宪明，吴 昊，张 赛，方 锐，郑崇嵩，王 朋，杨智然

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

由于温室效应、能源危机和环境污染等全球性问题日益严重，作为国民经济的重要支柱产业，交通领域尤其是汽车工业是节能减排的重中之重。整车轻量化不但能实现节能减排，也是提升产品竞争力的重要途径。碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强、结构尺寸稳定和能够大面积整体成型等优点，是整车轻量化中非常优秀的材料选择[1]。随着碳纤维产业的低成本化进程，碳纤维逐渐替代玻璃纤维成为整车轻量化的主题材料，在整车设计研发中占有越来越重要的地位[2]。

整车碳纤维复合材料应用从表面覆盖件逐渐拓展到内部结构件，准确表征碳纤维材料的拉伸强度、拉伸模量、泊松比和应变率效应等静、动态力学性能，在整车安全研究、仿真设计和生产应用中具有越来越重要的意义。

碳纤维材料是典型的连续纤维复合材料，不同编织方式对其力学性能有非常大的影响，一般有如下几种编织形式：单向带编织、双向平纹编织、斜纹编织、三维编织、纬编针编织和经编针编织。碳纤维单向带复合材料是指在经向分布着大量碳纤维丝束，承担材料的主要承载能力，在纬向上只有起固定作用的少量的碳纤维纱。本文对碳纤维单向带6层层合板进行测试分析，研究了0°和90°这2种加载方向的静、动态力学行为[3-4]。

1 试验方法与试样尺寸

1.1 试验方法

材料准静态拉伸试验在CMT5205型电子万能试验机上进行，测试精度为0.4%级，最大测试载荷为200 kN。动态拉伸试验在HTM16020高速动态试验机上进行，测试精度为0.4%级，最大测试载荷为100 kN，测试速率为0～20 m/s。采用PHOTRON SA-Z高速相机采集试件全场变形信息，满像素为1 024×1 024，最大采集频率为220 000 FPS。准静态拉伸试验参考标准GB/T 3354—2014，动态拉伸试验参考标准ISO 26203-2-2011[5]。

参考汽车实际使用工况中的应变率范围，除准静态拉伸试验外，动态拉伸选定4种应变率分别为：1/s、10/s、100/s和500/s[6]。考虑碳纤维复合材料离散型，为保证测试数据可靠，适当增加测试样条数量[7]。由于碳纤维复合材料本身脆性较强，且断裂位置难以提前确定，本文采用数字图像相关方法对测试段全场力学行为进行求解分析[8]。试验前对试件进行喷斑处理，结合试验机采集数据求解碳纤维复合材料层合板弹性模量、泊松比、屈服强度和真应力-应变曲线等结果。

1.2 试样尺寸

本文所用碳纤维单向带材料层合板由6层国产T700碳纤维单向带粘接而成，厚度为(1.9±0.1) mm。拉伸试件为矩形样板试件，图样如图1所示。为保证试件内部纤维连续性，动态拉伸试件仅开1个固定孔(见图2)。

图1 拉伸试件

图2 动态拉伸试件

2 试验结果与分析

2.1 0°加载方向的性能分析

碳纤维单向带材料在0°加载方向不同应变率测试条件下的真应力-应变曲线如图3所示，断裂前瞬时图像如图4所示。从图3和图4中可以看出，材料在不同应变率测试条件下曲线趋势基本一致，在屈服之前处于完全弹性阶段；随后进入塑性阶段，载荷上升趋势放缓，迅速达到抗拉强度；进而整体突然劈裂破坏，整个试件未观测到颈缩。曲线组真应力-应变关系主要为弹性，塑性段很短，表现为硬质脆性材料特性。随着应变率的升高，曲线整体出现上升趋势,屈服强度、抗拉强度以及弹性模量具有升高趋势，最高抗拉强度达到1 950 MPa。

图3 0°加载方向试件真应力-应变曲线图

图4 断裂前瞬时图像

从碳纤维单向带复合材料的细观结构变形分析上可以看出，0°主方向上排布着大量的纤维束，在0°加载过程中这些纤维束是主要的承载材料。随着外载荷的增大碳纤维自身的抗力增加，当达到纤维本身的抗拉强度时，纤维束中的纤维丝由于本身随机性在不同位置出现断裂，此时的外载荷已超过树脂基体及界面本身的承载能力，树脂基体及界面随之破坏，试件宏观表现为脆性断裂特征[9]。由于碳纤维丝呈现的多位弹性材料特征，因此随着测试应变率的升高，其应力滞后效应比较显著，表现为随着应变率的升高其屈服强度、抗拉强度以及弹性模量均有升高趋势。

2.2 90°加载方向的性能分析

碳纤维单向带材料在90°加载方向不同应变率测试条件下的真应力-应变曲线如图5所示，断裂前瞬时图像如图6所示。从图5和图6中可以看出，材料在不同应变率测试条件下曲线呈现的趋势基本一致，与0°加载方向相比，在90°加载方向能够观测到较明显的屈服点，材料在屈服之前处于完全弹性阶段，随后载荷上升趋势放缓，出现平滑上升的塑性段，之后试件横向断裂，整个试件在试验测试中未观测到明显颈缩。真应力-应变曲线与硬质树脂材料的力学特性类似，可见在90°加载方向上树脂材料为主要的力的承载材料。随着测试应变率的升高，曲线整体、屈服强度和抗拉强度呈现上升趋势，最高抗拉强度为71 MPa，远小于0°加载方向的抗拉强度。

图5 90°加载方向试件真应力-应变曲线图

图6 断裂前瞬时图像

从碳纤维单向带复合材料的细观结构变形分析上可以看出，在碳纤维单向带复合材料的细观结构中，除了碳纤维丝以外，其余都由基体树脂组成，当加载方向与碳纤维丝成90°方向时，树脂基体是此碳纤维单向带复合材料的主要承载材料，随着外载荷增加，如果碳纤维丝与基体树脂的界面粘合强度大于树脂本身强度时，断裂位置发生在树脂内部，此时的抗拉强度为树脂自身的强度，如果碳纤维丝与基体树脂的界面粘合强度小于树脂本身强度时，断裂位置发生在碳纤维丝与基体树脂的界面，此时的抗拉强度为碳纤维丝与基体树脂的界面强度。本文90°加载方向的抗拉强度为71 MPa，和树脂本身的强度一致，断裂发生在树脂基体内部[10]。

2.3 各项异性性能分析

依据试件全场应变及以上结果，可求得2种加载方向上碳纤维单向带复合材料的弹性模量和泊松比(见表1)。可见，0°加载方向上承载的碳纤维纤维束和90°方向上其基体和少量固定用纤维丝在强度及承载能力上差异较大，导致弹性模量差距超过15倍[11]。纯树脂轴向加载条件下会发生横向变形，在90°加载条件下，横向分布的碳纤维阻止基体颈缩进而促使其发生横向撕裂，这导致了90°加载条件下泊松比仅为0.012。

表1 碳纤维材料基本力学参数

0°与90°加载方向上的碳纤维单向带复合材料在不同应变率测试条件下的屈服强度值如图7所示。从图7中可以看出，碳纤维单向带复合材料在0°与90°这2个加载方向上的屈服强度在每个应变率的差距都很大。这种差异性是由于承载力主体材料力学性能不一致导致的，0°方向上主要承载材料为碳纤维丝，90°方向上主要承载材料为树脂。另外，0°与90°这2个方向上的屈服强度都随着应变率的升高而增大，表现为应变率增强效应。

图7 不同加载方向各应变率下屈服强度值

0°与90°加载方向上的碳纤维单向带复合材料在不同应变率测试条件下的抗拉强度值如图8所示。从图8中可以看出，碳纤维单向带复合材料在90°与0°这2个方向上的抗拉强度在每个应变率的差距都很大。这种差异性产生的原因与屈服强度相同。另外，90°与0°这2个方向上的抗拉强度都随着应变率的升高而增大，表现为应变率增强效应。0°方向上的抗拉强度最大值为1 950 MPa，远远超过90°方向上抗拉强度最大值71 MPa。

图8 不同加载方向各应变率下抗拉强度值

0°与90°这2种加载方向上碳纤维单向带复合材料不同应变率测试条件下的断裂伸长率如图9所示。从图9中可以看出，0°与90°这2种加载方向上碳纤维单向带复合材料断裂伸长率处于同一量级。0°加载条件下，碳纤维单向带复合材料断裂伸长率对应变率敏感性较差，数值基本稳定在0.016左右；90°加载条件下，碳纤维单向带复合材料断裂伸长率随应变率升高而增大。这种现象的原因是碳纤维单向带复合材料在90°加载条件下断裂主要是主方向纤维束阻止材料颈缩引起的横向撕裂，应变率升高出现的整体变形滞后性导致了断裂伸长率随应变率增大而增大。对比分析各应变率结果的差异，碳纤维单向带复合材料在0°加载方向对应变率敏感性主要表现为纯弹性体的应力滞后效应，屈服强度与抗拉强度随应变率升高而增大；90°加载方向应变率敏感性较高，主要体现在塑性阶段，屈服强度与抗拉强度随应变率升高增幅明显。

图9 不同加载方向各应变率下断裂伸长率

3 结语

通过上述研究，可以得出如下结论。

1)在0°和90°加载条件下，碳纤维单向带复合材料弹性模量分别为99.7和6.02 GPa，泊松比分别为0.33和0.012。在实际应用中，应切实考虑其各向异性的巨大差异。

2)不同应变率条件下，0°加载方向主要体现为屈服强度和抗拉强度的差异，断裂伸长率基本保持一致；90°加载方向屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率均随应变率升高而增大。在实际设计应用中，应考虑不同碰撞工况下的力学性能差异。

3)碳纤维材料不同细观结构对其宏观力学性能具有决定性影响，在实际设计使用中，应充分考虑不同编织及铺层方式导致的力学性能差异。

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