黃靚　張懷安　肖巖　朱德舉

摘 要：采用真空輔助樹脂灌注成型工藝（VARI）制備了CFRP，利用MTS液壓伺服高速機對CFRP試件在4種應變率（25，50，100和200 s-1）和6種溫度（-25，0，25，50，75和100 ℃）下進行測試.試驗結果表明，在相同溫度（室溫25 ℃）下，除200 s-1應變率下的韌性外，拉伸強度和韌性隨著應變率的提高而明顯增大.在相同應變率（25 s-1）下，與室溫相比，隨著溫度的升高或降低，CFRP的拉伸強度和韌性都將降低.試件破壞形態(tài)在不同應變率下并沒有明顯區(qū)別，但在不同溫度下有所改變.最后，通過Weibull分析，研究了拉伸強度在不同條件下的變化規(guī)律.

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；應變率；溫度；應力應變；韌性

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0090-08

纖維增強復合材料（FRP）具有比強度高，可塑性好，比模量高等優(yōu)點，在眾多FRP中，碳纖維增強復合材料（CFRP）以其優(yōu)良的性能在土木工程中得到廣泛的應用[1-2].因為多種原因，應用于結構中的復合材料難免會受到沖擊荷載作用，比如爆炸、地震、汽車撞擊、強風荷載等等[3]，伴隨著爆炸和撞擊，常常會形成高溫環(huán)境.此外，由于工程所在環(huán)境各不相同，導致復合材料工作的溫度范圍也較大.因此，研究CFRP在動載和多種溫度下的力學性能對于工程應用具有重要意義.

目前，國內外學者對于測試材料動態(tài)性能的方法還沒有統(tǒng)一的標準.目前試驗研究中主要采用以下方法：霍普金森桿（SHPB）、落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機[4-5].測試方法的選擇取決于測試試件應變率所在的區(qū)間.SHPB主要用于測試材料在高應變率下的性能.Amos等[6]研究了CFRP在靜載和應變率為400～600 s-1下的力學性能，結果顯示隨著應變率的增大，材料剛度隨之變大，但對強度影響不明顯.Naik等[7]測試了CFRP在140～400 s-1應變率范圍內的力學性能.落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機主要測試材料在1～200 s-1中應變率范圍內的力學性能[8-10].Adams等[11]通過沖擊方法研究碳纖維和玻璃纖維增強復合材料在靜載到25 s-1應變率下的拉伸力學性能.Shokrieh等[12]研究了玻璃纖維增強復合材料在應變率為0.001～100 s-1的力學性能.Zhu等[13]測試了水泥基復合材料在靜載和中應變率下的力學性能.AI-Zubaidy等[14]測試了CFRP在靜載到應變率為87.4 s-1的力學性能.但是關于CFRP在中應變率下的力學性能研究還相對較少，而且動態(tài)測試比較困難，根據(jù)學者之前得到的結論，CFRP的強度在動載下有的升高，有的下降[15].因此，有必要進行更多的CFRP在中應變率下的試驗，為工程應用提供基礎.

纖維增強復合材料在不同溫度下的力學性能有所不同，這是因為溫度對于環(huán)氧樹脂膠體和纖維的力學性能有影響，而且膠體和纖維的熱膨脹系數(shù)不同也會產生溫度應力從而影響復合材料的拉伸強度.Im等[16]研究了不同層數(shù)的CFRP板材在高低溫下的沖擊性能.Suvarna等[17]進行了CFRP在30～90 ℃的低速沖擊試驗和彎曲試驗. Hong等[18]測試了CFRP在-75～75 ℃的沖擊力學性能.Rio等[15]通過霍普金森桿研究了兩種角度（0°，90°）的CFRP在室溫和低溫下的力學性能，結果表明，低溫對軸向強度的影響不顯著.但是有關CFRP在高低溫下的動態(tài)拉伸力學性能的研究卻鮮有報道，因此，有必要進行CFRP在高低溫下的試驗，更全面地分析CFRP的力學性能.

本文研究單向碳纖維增強復合材料在應變率為25～200 s-1和溫度為-25～100 ℃的力學性能，通過分析試件強度和韌性的變化研究應變率和溫度對其力學性能的影響.同時，試驗采用高速相機記錄試件破壞過程，研究應變率和溫度對試件破壞模式的影響，從而為CFRP的工程應用提供理論基礎.

1 試驗測試

1.1 試樣制備

選用湖南固特邦公司生產的JN-C3P改性環(huán)氧膠粘劑和單向碳纖維布，每束碳纖維含碳纖維絲12 k，為了保證單向碳纖維布的整體性，纖維束長度方向每隔5 mm有一條橫向定位白線.使用真空輔助樹脂灌注成型工藝（VARI）制備試件，得到的CFRP中碳纖維體積含量為30.7%.通過定制的鋁模具，可以一次成型50 cm×80 cm×0.55 mm的單層CFRP板材.再根據(jù)試樣大小進行剪裁.試樣要包含盡量多的碳纖維束以反映真實的CFRP力學性能，但考慮試驗儀器夾具大小的限制，因此試樣尺寸設計寬度為22 mm，約8束碳纖維束，標距長度25 mm，總長105 mm，兩端使用相同的環(huán)氧樹脂粘貼40 cm×22 cm×0.3 mm的鋁片，如圖1（a）所示.防止試件加持處發(fā)生應力集中，造成試件端部破壞.在顯微鏡下觀察試樣橫截面，如圖1（b）所示，由圖1（b）可以看出，碳纖維絲都被環(huán)氧樹脂浸透，沒有氣泡存在，所以可以更加真實地得到CFRP的力學性能.

1.2 測試方法

試驗在美國亞利桑那州立大學的MTS液壓伺服高速機上完成，試驗裝置如圖2所示.

儀器最大量程為200 kN，加載速度最高可達14 m/s，通過調節(jié)閥門，可以控制加載速度.試驗前先調節(jié)閥門，測試拉伸速度為預定速度后，再安裝試

件，進行試驗測試.夾具為不銹鋼制成，通過楔形塊可以有效夾緊試件，避免試件在測試過程中發(fā)生滑移.環(huán)境箱采用電阻絲加熱和液氮制冷，工作溫度為-60～200 ℃，環(huán)境箱內置風扇，可使箱內溫度均勻變化.本試驗選取25，50，100和200 s-1 4種應變率和-25，0，25，50，75和100 ℃ 6種溫度進行測試.同時使用Phantom高速相機，采用20 000幀/s的頻率記錄試件破壞過程.

2 測試結果

2.1 應變率對力學性能的影響

CFRP的應變率分別為25，50，100和200 s-1下的應力應變曲線如圖3所示.應變率分別為25，50，100 s-1的試驗組各重復8個試樣，應變率為200 s-1的試驗組重復5個試樣.高應變荷載作用下，纖維內會產生應力波以及反射應力波，以達到應力平衡狀態(tài).圖3是在荷載施加到試樣的初始時刻開始記錄，直到試樣拉斷結束.

在材料動態(tài)測試中，很難達到類似靜載的應力平衡，而是動態(tài)的應力平衡.使用霍普金森桿進行試驗時，判斷應力動態(tài)平衡的準則是荷載脈沖在試件內部反復傳遞3次以上.美國汽車工程師學會（SAE）標準建議至少在試件測試區(qū)域內有10次以上的彈性反射波才能被認為是應力平衡.根據(jù)文獻[9]可知，試件達到動態(tài)應力平衡所需時間為：

因為受力過程中試樣的反作用力會降低加載速率，使試樣實際應變率低于初始應變率[3]，圖3中所標識的是每個試樣的實際應變率（并非測試編號），為了方便對比分析，文中采用初始應變率.部分試件實際應變率明顯過低，予以舍去.每個試件的尺寸在3個位置用游標卡尺進行測量，取平均值計算試件截面面積從而計算試件應力值.由圖3可知，應變率越大，試件應力應變曲線的離散性越高.應變率分別為25 s-1和50 s-1下的應力應變曲線形狀相似，在經歷初始線彈性階段后，纖維束逐漸斷裂，引起應力在到達峰值前產生較大波動，隨后完全斷裂，應力立刻降為零.但在較高應變率100 s-1和200 s-1情況下，應力應變曲線基本保持線性上升至峰值，應力波動區(qū)域明顯減小或消失；峰值后應力快速下降直至試件徹底破壞.

根據(jù)不同應變率下的應力應變曲線，可以得到CFRP力學性能的應變率效應.圖4給出了試件的拉伸強度和韌性與應變率的關系.總體來說，各個參數(shù)隨著應變率的增加而增加.應變率為25，50，100，200 s-1對應的拉伸強度分別為874±73，907±71，985±139和1 114±108 MPa，拉伸強度與應變率基本呈線性關系，從25 s-1到200 s-1，拉伸強度增幅達到27.5%.應變率分別為25，50，100和200 s-1所對應的韌性分別為35.79±8.51，41.43±5.7，47.49±13.7和43.74±10.6 MPa，應變率由25 s-1到100 s-1其韌性基本呈線性上升，增幅達到32.7%，但應變率從100 s-1到200 s-1其韌性并無增加，反而有7.9%的下降.

2.2 溫度對力學性能的影響

CFRP在6種不同溫度（-25，0，25，50，75和100 ℃）下的應力應變曲線如圖5所示，所有溫度試驗均在25 s-1應變率下進行，每種溫度測試了8個試樣，由圖5可知，試驗重復率較好.圖6給出了CFRP拉伸強度和韌性與溫度的關系.在溫度分別為-25，0，25，50和75 ℃下其拉伸強度分別為846±61，832±27，874±73，861±65和850±91 MPa，增減幅度在5%以內，可見在此溫度范圍內對CFRP的強度影響不顯著，但升溫至100 ℃時，拉伸強度降低為651±78 MPa，較之常溫（25 ℃）下降幅度為25.5%，這是因為環(huán)氧樹脂膠體達到玻璃化溫度，軟化后剛度和強度下降顯著.相比拉伸強度，韌性對溫度較為敏感，相比常溫下的韌性，升溫或降溫都會造成韌性的下降.在溫度分別為-25，0，25，50，75和100 ℃下其韌性分別為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，與常溫相比，分別下降了29.2%，13.1%，27.5%，23.7%和39.6%.韌性隨溫度下降而下降是因為CFRP在低溫下變脆，變形能力降低，從而承擔能量的能力減弱.對于溫度升高的情況，在溫度未達到100 ℃之前，韌性下降的幅度基本維持不變，到100 ℃時，幅度增大較多.這是因為CFRP試件受熱軟化，在高溫下最大應變相比常溫減小32%左右，但強度變化幅度不大，因而韌性降低幅度相似，但在100 ℃下強度降低幅度較大，同時應變減小，所以韌性降低較多.

2.3 應變率和溫度對破壞形態(tài)的影響

圖7給出了CFRP試件在不同應變率下的破壞形態(tài)圖.由圖7可知，試件破壞并沒有一個整體的斷裂截面，每根纖維束的斷面并不相同，但同一根纖維束斷裂在同一截面.纖維束斷面多在纖維布的定位白線處，這是因為試件采用VARI工藝成型，試件整體厚度一致，但由于定位白線的存在，導致該處的膠體較其余地方偏薄，形成一個相對薄弱的地方，導致斷裂容易在該處發(fā)生.定位白線處的膠體在測試后可以觀察到有輕微的剝離現(xiàn)象，可以說明在測試過程中，應力容易在此處集中.試件斷裂面并未呈現(xiàn)出纖維拉斷的特性，因為每根纖維絲都在環(huán)氧樹脂膠體內均勻分布，因此斷裂時更多呈現(xiàn)膠體斷裂特性，斷裂面比較平整.圖8是使用高速相機記錄的試件在4種應變率下的破壞過程，從中可以看出，破壞過程并沒有顯著區(qū)別.因為試件偏差、安裝試件偏差和儀器偏差等諸多因素，試件所有纖維束很難同時斷裂，試件破壞時，CFRP可能會分裂為幾根纖維束后再分別斷裂.觀察破壞后試件圖，4種應變率的破壞形態(tài)也基本相似，這與AI-Zubaidy等[14]的發(fā)現(xiàn)一致.

圖9給出了試件在6種溫度下的破壞形態(tài)圖，從圖中可以看出，試件破壞截面基本在試件中間.和不同應變率下破壞形態(tài)相似，破壞面不是同一個截面，而是由不同纖維束破壞截面組成，但這種現(xiàn)象隨著溫度的升高而減弱，在100 ℃情況下，破壞面基本為一個整體，纖維束的散落現(xiàn)象基本消失.這是因為膠體軟化，使得試件的脆性降低.同樣地，隨著溫度升高，在定位白線處的膠體輕微剝離現(xiàn)象也隨之減弱，在100 ℃的情況下已經基本消失.

3 Weibull 分析

因為碳纖維表面缺陷分布的不確定性，其強度不可避免地呈現(xiàn)離散性，因此用平均強度來表征其力學性能.用二參數(shù)Weibull分析處理其數(shù)據(jù)是比較理想的方法.二參數(shù)Weibull分布的基本形式如下：

圖10給出了拉伸強度在不同應變率和溫度下的累積破壞概率圖.由圖10（a）可知，隨著應變率的增加，曲線向高強度方向移動，而且移動幅度與應變率近似成線性關系，說明CFRP的強度隨應變率的增加而近似線性增加，這也可從圖4（a）中驗證.由圖10（b）可以明顯看出，升溫測試的擬合曲線只有一條離其他曲線較遠，另外5條曲線位置接近.由此可知，溫度升高到100 ℃后對CFRP強度的影響才比較明顯，其他溫度下的影響并不顯著.此外，值得注意的是，100 ℃下的強度分布范圍明顯增加，這是因為環(huán)氧樹脂軟化后，試件破壞模式發(fā)生改變，并不集中發(fā)生在試件定位白線薄弱處，所以強度分布范圍增加.

4 結 論

本文進行了CFRP在4種應變率和6種溫度下動態(tài)拉伸測試，針對其力學性能和破壞形態(tài)進行了分析，主要結論如下：

1）隨著應變率的提高，除200 s-1下的韌性，CFRP的拉伸強度和韌性均有明顯增加.拉伸強度在該應變率范圍內基本呈線性增加，相比25 s-1下的力學性能，強度增加幅度最大為27.5%，韌性增加幅度最大為32.7%；

2）與常溫下力學性能相比，升溫和降溫均造成力學性能的下降.相對拉伸強度，韌性隨溫度的變化更顯著.而拉伸強度只有溫度到達100 ℃后才有明顯下降；

3）不同應變率下的破壞形態(tài)并無顯著區(qū)別，在不同溫度下，隨著溫度的升高，破壞模式趨向于一個整體的斷裂面.

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