碳纤维增强复合材料的中低应变率力学性能试验研究

惠旭龙，刘小川，白春玉，舒挽，葛宇静

（中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065）

碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度、耐腐蚀、抗老化等特性，已被广泛应用于飞机结构中[1]。飞机在使用过程中不可避免会发生鸟撞、冰雹撞击、坠撞等威胁到飞行安全的问题，为提高飞机的安全性，并尽可能减轻飞机质量，就需要了解碳纤维增强复合材料的动态力学特性，获得材料在不同应变率下的力学性能参数，为复合材料飞机结构的抗冲击设计和仿真分析提供准确的材料参数。李勇[2]等在应变率0.001~50 s-1范围内利用实验方法研究了碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇脂复合材料在不同应变率和温度条件下的拉伸性能及损伤模式，发现材料的拉伸强度和弹性模量随应变率的增加而提高，随温度的升高而降低。Zhang[3]等在应变率7×10-5~240 s-1范围内研究了碳纤维增强编织复合材料的动态力学性能，发现材料的拉伸强度、拉伸模量和失效应变均具有明显的应变率敏感性，但在较低应变率范围内影响较小。KIMURA[4]等在应变率10-5~102s-1范围内研究了碳纤维增强复合材料的应变率敏感特性，发现材料的拉伸强度和拉伸模量均受应变率影响较大，而失效应变受应变率影响较小。

文中结合电子万能试验机和高速液压伺服材料试验机获得应变率 6.7×10-4~500 s-1范围内[(±45°)]4s和[(±45°)]8两种铺层碳纤维增强树脂基复合材料的动态力学性能，分析材料拉伸强度和失效应变的应变率敏感特性及断裂行为。

1 力学性能试验

试验件为碳纤维增强树脂基复合材料，基本参数见表1。为保证不同加载速度下试验件应力状态的一致性，准静态拉伸试验和动态拉伸试验采取相同的试验件尺寸，如图1所示。

表1 材料基本参数

1.1 准静态拉伸试验

准静态拉伸试验平台为 INSTRON 8801电子万能试验机，拉伸载荷通过试验机自带的载荷传感器测得，传感器量程为 100 kN。拉伸应变通过接触式引伸计测得，加载速度为 2 mm/min，名义应变率为6.7×10-4s-1。每种铺层材料各进行4次重复性试验，得到材料的准静态真实应力应变曲线如图2所示。可看出两种材料的试验结果均具有较好的一致性，且不同铺层方式下材料的力学性能区别较大。其中[(±45°)]8铺层结果呈现出明显的黏弹性特性，而[(±45°)]4s铺层结果表现出一定的弹塑性特性。两种材料的准静态拉伸破坏结果如图3所示，可见[(±45°)]4s铺层破坏形式为燕尾型损伤，[(±45°)]8铺层破坏形式为剪切破坏。

1.2 中低应变率拉伸试验

中低应变率拉伸试验平台为高速液压伺服材料试验机[5]，其最大加载速度为20 m/s，可承受最大冲击动载为100 kN。试验件的安装状态如图4所示，试件通过下夹具固定在试验机上，初始时上夹具与试件不接触，通过垫块和抱紧螺栓实现上夹具与试件之间的微接触状态。试验过程中，通过液压作动筒结合气体蓄能器提供加载能量，上夹具随作动筒达到预定加载速度后，垫块在预定位置被引导杆上的凸台撞掉。此时，上夹具在抱紧螺栓作用下瞬间夹持住试件，并继续随作动筒向上运动，从而实现恒定速率拉伸。试验中可通过改变上夹具初始位置和引导杆凸台之间的距离来调整拉伸速度。

在中低应变率拉伸试验中，可利用DIC数字散斑系统测试高速拉伸过程中试件表面的应变场。其通过在试件的标距段喷涂散斑，利用高速摄像机实时采集目标区域变形的散斑图像，结合非接触分析软件和相关算法计算试件的位移场，进而得到试件表面的应变场。经后处理分析得到动态拉伸应变率，如图5所示。

得到两种铺层碳纤维复合材料中低应变率范围内的真实应力应变曲线如图 6所示。可知在应变率6.7×10-4~500 s-1范围内，应变率对两种铺层碳纤维复合材料的力学性能影响均较大。随着应变率的增加，材料的流动应力显著增大。其中[(±45°)]8铺层碳纤维复合材料的拉伸强度通过应变率强化效应可达16.9%，[(±45°)]4s铺层碳纤维复合材料可达16.2%。

2 材料失效特性分析

不同应变率加载下两种铺层碳纤维复合材料的失效结果如图7和图8所示。由图9a可以看出，从准静态到中应变率范围内，[(±45°)]8铺层碳纤维复合材料的失效模式均为剪切失效，并发生局部的纤维断裂和分层失效，且随着应变率的提高，破坏区域的分层损伤面积逐渐增大。材料的名义失效应变与应变率范围相关，在应变率6.7×10-4~10 s-1范围内变化较小，在应变率10~500 s-1范围内先减小后增大，而材料的名义失效应力随应变率的增大逐渐增大。

由图8可以看出，从准静态到中应变率范围内，[(±45°)]4s铺层碳纤维复合材料的失效模式均为燕尾形失效，并发生局部的纤维断裂和分层失效，且随着应变率的提高，破坏区域的分层损伤面积逐渐增大。材料的名义失效应变在应变率6.7×10-4~10 s-1范围内变化较小，而名义失效应力随应变率的增大逐渐增大。

3 结论

文中通过试验方法研究了中低应变率范围下[(±45°)]4s和[(±45°)]8两种铺层碳纤维复合材料的动态力学特性，主要得出如下结论。

1）试验研究了中低应变率范围内两种铺层碳纤维复合材料的动态力学性能，得到其不同应变率下的真实应力应变曲线，两种铺层碳纤维复合材料均具有明显的应变率强化效应，材料的流动应力随应变率的提高而显著增强。

2）中低应变率范围内，[(±45°)]4s碳纤维复合材料的失效模式为燕尾型破坏，[(±45°)]8为剪切破坏。两者均发生局部的纤维断裂和分层失效，且分层损伤面积随应变率的提高逐渐增大。

3）[(±45°)]8碳纤维复合材料的名义失效应变在应变率 6.7×10-4~10 s-1范围内变化较小，在应变率10~500 s-1范围内先减小后增大。[(±45°)]4s碳纤维复合材料在应变率6.7×10-4~10 s-1范围内变化较小。此外，两者的名义失效应力均随应变率的增大而逐渐增大。