预埋不同质量分数碳纳米纸对CFRP低温弯曲性能影响的研究

徐继文 郑 伟 刘松良 单春海 周金磊

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.海装沈阳局驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）因耐腐蚀、质量轻、可设计性强、便于大面积成型等优点，从而被广泛应用于航空航天领域［1］。飞行器在服役期间，会长时间在低温环境中飞行，飞机上的CFRP构件，如飞机机翼、翼尖、水平尾翼等会因承受弯曲等多种应力而出现断裂、损伤等问题，而复合材料层间的结合强度较弱。大量研究表明，预埋碳纳米管、石墨烯等纳米增强材料能有效增强复合材料层的力学性能［2］。因此，本研究对预埋碳纳米纸的CFRP层合板进行研究，以此来提升复合材料在低温环境中的弯曲性能。

飞机在服役过程中，其服役高度通常为8 000～20 000 m［2］，飞机一般处在-70℃～-45℃环境中。现如今，已有国内外学者对低温环境对飞机上的CFRP构件性能的影响进行研究。张建宝等［3］对T800/607复合材料在低温中的弯曲性能进行研究，研究结果表明，单向铺层的T800/607复合材料在20 K的超低温环境中弯曲性能的变化最敏感，可使材料的弯曲强度提升71.7%。翁春晓等［4］在超低温环境中对增强复合材料进行研究，先将环氧树脂和碳纤维织物作为增强介质，将其预埋在复合材料中，观察复合材料在低温环境中的强度变化，发现在低温环境中，复合材料的弯曲强度会有所提升。对不同环境温度影响CFRP弯曲性能进行研究，结果表明，CFRP的弯曲性能在低温环境中有所增强，而在低温循环环境中有所减弱［5-8］。Bechel等［9］通过对比试验的方法研究了高低温循环加载条件对CFRP复合材料损伤累计剖面、材料韧性等的影响，结果表明，高低温循环加载会使材料内部结构产生很大的损伤，会在很大程度上影响材料的力学性能。

目前，碳纳米管、石墨烯等材料作为增强体被大范围应用［10-11］。肇研等［12］将不同含量（1wt %、2wt%、3wt%）的多壁碳纳米管与840S环氧树脂进行混合，制备多壁碳纳米管增强复合材料，测试并讨论复合材料的弯曲性能。结果表明，与原始试样相比，加入不同含量的多壁碳纳米管复合材料的弯曲模量均有所增加，最大的增加值在加入量为1wt%时获得。在弯曲强度方面，仅加入1wt%多壁碳纳米管的复合材料有所增加。Qu等［13］通过在复合材料层间预埋石墨烯，并通过热压罐固化不同体积分数的石墨烯来增强介质，研究发现，预埋石墨烯能有效提高碳纤维复合材料的低温和常温力学性能，验证了预埋体积分数为0.2%的石墨烯碳纤维复合材料对增强低温弯曲和层间的剪切性能效果最好。由于碳纳米管在树脂基体中均匀分散较为困难，常出现团聚的现象，从而造成增强效果不足，碳纳米管薄膜能很好地避免这一缺陷，很多学者已通过碳纳米纸来改善CFRP层合板的力学性能。Li等［14］通过研究碳纳米纸对CFRP构件层间弯曲强度的影响，验证了固化温度在固化CFRP层合板的试验中会产生很大影响，固化温度一旦升高，碳纳米管就会跟着树脂一起流动，其会逐渐扩散到纤维的表面，能有效增强纤维-基体界面的黏结能力，从而提高碳纤维复合材料的力学性能。Prusty等［15］在低温、高温和室温三种环境下分别对预埋碳纳米纸的复合材料进行弯曲试验，将试验结果与无预埋碳纳米纸的复合材料进行对比，结果表明，高温条件下，有无预埋碳纳米纸复合材料的抗弯强度显著下降。常温、低温环境中预埋碳纳米纸的复合材料的抗弯强度均高于无预埋碳纳米纸复合材料。

综上所述，碳纳米纸作为增强介质有着广泛的应用，而针对不同质量分数碳纳米纸的研究相对较少［16］。因此，本研究选择对预埋不同质量分数碳纳米纸CFRP层合板的低温弯曲性能进行研究，在低温环境中分别对预埋不同质量分数碳纳米纸的CFRP层合板进行三点弯曲试验，将试验结果与SEM图像结合，并进行分析，得出碳纳米纸对CFRP层合板弯曲性能的增强机理，以及不同质量分数碳纳米纸中对CFRP层合板的弯曲性能增强效果最优的选择。

1 试验部分

1.1 不同质量分数碳纳米纸的制备

本研究采用压滤法来制备不同质量分数的碳纳米纸，碳纳米管参数详见表1，制备示意图如图1所示。首先，根据60∶1的比例将不同质量的碳纳米管（100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）和曲拉通试剂（Triton X-100，天津阿法埃沙公司）混合研磨90 min，加入1 000 mL去离子水，并机械搅拌2 h。搅拌完成后，将溶液放入超声箱（LC-JY99-IIDN）中进行超声分散40 min（开始2 s，关闭2 s，功率为1 00 W），使溶液充分分散。然后将超声处理后的溶液放入离心机（TG-16W）中，并在6 000 r/min的转速下离心处理20 min，离心后取上层清液，得到多壁碳纳米管分散液。最后，将稳定的碳纳米管分散液倒入压滤器内，经压滤后得到碳纳米管薄膜，在80℃烘干箱中干燥2 h后得到碳纳米纸，碳纳米纸及其微观组织如图2所示。

图2 碳纳米纸及其微观组织图

表1 碳纳米管各项参数

图1 碳纳米纸制备示意图

1.2 试验条件

1.2.1 试验方案。为了研究预埋不同质量分数碳纳米纸对CFRP层合板低温弯曲性能的影响，设计出的弯曲试验方案如表2所示，每组5个样件。

表2 弯曲试验方案

1.2.2 试件制备。本研究使用的碳纤维/环氧树脂单向预浸料厚度为0.125 mm，预埋不同质量分数碳纳米纸的碳纤维层合板的手工铺贴顺序为［0°］8 s，共铺设16层。根据三点弯曲试验的国家标准（GB/T 3356—2014）对碳纤维增强环氧树脂复合材料进行裁剪，并直接将不同质量分数的碳纳米纸附着在CFRP层合板的第1、2层和第15、16层之间，如图3所示。最后将待固化的试件放入热压罐，在120℃和0.6 MPa的固化压力下固化2 h后，再经过1 h的降温过程，最终得到试验所需的CFRP层合板。

图3 碳纳米纸在CFRP层合板上的位置示意图

1.2.3 试验设备。该试验采用的是INSTRON 3365通用型多功能试验机，试验装置的示意图如图4所示。参照国家标准（GB/T 3356—2014）来进行试验，此次进行试验的设备其基本数据如下，压头半径为3 mm、下支撑半径为3 mm、弯曲跨度为60 mm、压头加载设置为1 mm/min、卸载速度设置为2 mm/min。

图4 三点弯曲试验装置及试件尺寸图

保持其他条件统一，在低温（-50℃）环境中对6组试件进行加载试验。在此次试验中，选择的加载方法为朝着CFRP试件中点施以连续的弯曲静力载荷，等试件达到破坏后停止试验。每组试件在相同条件下分别进行5次，并取其平均值，从而保证数据的准确性。

加载载荷、位移等试验数据可通过计算机直接获得，并转化为机械应力（σ），同时定义机械应变（ε），通过在相同应变下，比较试件所承受的最大应力来判断试件的弯曲性能。试验中通过改变载荷P来改变试件所受的机械应力。机械应力与应变见式（1）、式（2）。

式中：P为荷载，N；L为支撑跨距，mm；b为试件宽度，mm；δ为压头挠度，mm；h为试件厚度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线

在常温和低温环境中，分别对有无预埋碳纳米纸的CFRP层合板进行三点弯曲试验，并导出数据，再使用Origin软件绘制出应力-应变曲线，如图5所示。

对图5分析后可知，在常温环境中，预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的B0试件能承受的应力最大，比常温下无预埋的A0试件能承受的应力数值更大。在低温环境中，预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的B1试件能承受的应力最大，比低温环境中无预埋的A1试件能承受的应力数值更大。低温环境中预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的B1试件能承受的应力，要比常温环境中预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的B0试件能承受的应力数值更大。低温环境中无预埋的A1试件能承受的应力，要比常温环境中无预埋的A0试件能承受的应力数值大。即在常温和低温环境中，预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的CFRP层合板的弯曲性能均强于无预埋的CFRP层合板。有无预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）CFRP层合板的弯曲性能，均是低温状态中强于常温状态。

图5 有无预埋碳纳米纸CFRP层合板应力-应变曲线

在低温环境中，对预埋不同质量分数碳纳米纸的CFRP层合板进行三点弯曲试验，导出数据，并使用Origin软件绘制出应力-应变曲线，如图6所示。

图6 低温下预埋不同质量分数碳纳米纸CFRP层合板应力-应变曲线

对图6分析后可知，低温环境中，预埋不同质量分数的碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）的CFRP试件能承受的应力，均比低温环境中无预埋的A1试件能承受的应力数值大。在低温环境中，预埋不同质量分数的碳纳米纸对CFRP试件能承受的应力会随着碳纳米纸质量分数的增高而增高，但当碳纳米纸的质量分数达到一定值时，预埋碳纳米纸（碳纳米管质量700 mg）的CFRP试件能承受的应力比预埋碳纳米纸（碳纳米管质量600 mg）的CFRP试件能承受的应力数值要小，即随着碳纳米纸质量分数的增高，CFRP试件能承受的应力会呈现先上升后下降的趋势。其中，在层间预埋碳纳米纸（碳纳米管质量600 mg）时对CFRP层合板弯曲性能的增强效果最好。

2.2 碳纳米纸增强机理分析

图7为纤维-树脂-碳纳米管界面的示意图，由图7可以看出，当压头接触层合板产生裂纹时，碳纳米管通过桥接作用来阻碍裂纹的扩展，从而增加裂纹扩展所需的载荷，即提高CFRP层合板的层间弯曲性能。

图7 纤维-树脂-碳纳米管界面的示意图

由图5可知，在CFRP层合板间预埋碳纳米纸时，可产生更优异的弯曲性能，结合图7，碳纤维中的树脂能渗透到碳纳米纸中，且二者结合后的界面性能相对较好。因此，预埋碳纳米纸的CFRP层合板的弯曲性能要强于无预埋。同时，由于温度降低，纤维和树脂会出现不同程度的收缩，从而增加界面间的摩擦，以及纤维与树脂界面的黏接性。因此，预埋碳纳米纸在低温环境中对CFRP层合板弯曲性能的增强效果要强于常温环境。

由图6可知，不同质量分数的碳纳米纸对CFRP层合板弯曲性能有不同的增强效果，结合图7可以发现，随着碳纳米纸质量分数的增加，纤维中的树脂能更充分地渗透到碳纳米纸中。因此，对CFRP层合板弯曲性能的增强效果会更好，但当碳纳米纸质量分数过高时，过多的碳纳米管会成为杂质，会使碳纤维中的树脂无法充分地渗透到碳纳米纸中，导致对CFRP层合板弯曲性能的增强效果变差。

3 结论

①通过在常温、低温环境中对有无预埋碳纳米纸的CFRP层合板进行三点弯曲试验，分析试验数据后得出，在常温环境中，预埋碳纳米纸的B0试件的弯曲强度比无预埋的A0试件提高了18.9%。在低温环境中，预埋碳纳米纸的B1试件的弯曲强度相较于无预埋的A1试件提高了13.2%。在低温环境中，预埋碳纳米纸的B1试件的弯曲强度相较于常温环境中预埋碳纳米纸的B0试件提高了7.7%。在低温环境中，无预埋的A1试件的弯曲强度相较于常温环境中无预埋的A0试件提高了13.2%。验证了低温中预埋碳纳米纸能有效增强CFRP层合板的弯曲性能。

②通过在低温中对预埋不同质量分数碳纳米纸的CFRP层合板进行三点弯曲试验，分析试验数据得出，预埋碳纳米纸（碳纳米管质量100 mg）的B1试件的弯曲强度比无预埋的A1试件提高了13.2%；预埋碳纳米纸（碳纳米管质量300 mg）的C1试件的弯曲强度比无预埋的A1试件提高了17.9%；预埋碳纳米纸（碳纳米管质量500 mg）的D1试件的弯曲强度比无预埋的A1试件提高了25.1%；预埋碳纳米纸（碳纳米管质量600 mg）的E1试件的弯曲强度比无预埋的A1试件提高了33.8%；预埋碳纳米纸（碳纳米管质量700 mg）的F1试件的弯曲强度比无预埋的A1试件提高了17.1%。即在层间预埋碳纳米纸（碳纳米管质量600 mg）时，对CFRP层合板弯曲性能的增强效果最好。

③通过理论分析，并结合预埋层微观图得出，制备预埋碳纳米纸的CFRP层合板时，碳纤维中的树脂能渗透到碳纳米纸，增强了纤维/基体界面的黏接性，提高界面强度。当发生断裂破坏时，碳纳米管可通过桥接作用，在产生裂纹的初期阶段起到抑制作用，以提高树脂基体的抗破坏性能，所以预埋碳纳米纸可增强CFRP层合板低温弯曲性能。