李曉宇，張艷

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710089）

T700/LT-03A層合板在不同環(huán)境下的拉伸性能研究

李曉宇，張艷

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710089）

在室溫、低溫和濕熱三種環(huán)境下，對(duì)碳纖維層合板分別開(kāi)展了靜力和拉-拉疲勞試驗(yàn)。得到了T700/LT-03A層合板的拉伸性能和破壞機(jī)理。在抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能方面，室溫環(huán)境優(yōu)于其它兩種環(huán)境。試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明：T700/LT-03A層合板在三種環(huán)境下的應(yīng)力結(jié)果較為接近；與室溫環(huán)境下的結(jié)果相比，低溫和濕熱環(huán)境下層合板的應(yīng)力分別減少了3.37%和4.3%，而濕熱環(huán)境下層合板的應(yīng)力增大了5.69%。環(huán)境對(duì)該層合板的疲勞性能影響較大。研究成果對(duì)碳纖維復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供一定的參考。

碳纖維層合板；濕熱；應(yīng)力；疲勞

Abstract:The tensile properties and fatigue behavior of carbon fiber reinforced composite laminates were tested at different temperatures in tensile and tension–tension fatigue process. The tensile properties and failure mechanism of T700/LT-03A laminates were obtained by this way. Through comparing the tensile properties at three different temperatures, it was obtained that the tensile properties at room temperature was higher than those at other temperatures. The results showed that the static strength of T700/LT-03A laminates under the three kinds of temperature was not obviously changed, and the static strength at low temperature was reduced by 3.37% compared with at room temperature, and the static strength in hot and humid environment was reduced by 4.3% compared with that at room temperature. Compared with the ambient temperature, the stress value of the hot and humid environment was increased by 5.69%, and the stress value had a great influence on the number of fatigue cycles. The paper can provide some reference for application of carbon fiber composites in the future.

Key words:Carbon fiber laminate;Hot and humid;Composite;Fatigue

碳纖維是繼玻璃纖維之后出現(xiàn)的第二代纖維增強(qiáng)材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。隨著航空航天對(duì)材料的需求，特別是為了適應(yīng)不同環(huán)境下的飛行性能，復(fù)合材料在不同溫度下的研究也越來(lái)越廣泛。因此對(duì) T700/LT-03A復(fù)合材料進(jìn)行不同環(huán)境的應(yīng)力和疲勞性能的研究非常有必要。

曹海建[3]利用有限元軟件ANSYS分析了三位整體中空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型的壓縮力學(xué)性能，汪源龍[4]對(duì)碳纖維（CCF300）/雙馬樹(shù)脂（GW300）復(fù)合材料層合板進(jìn)行了高溫環(huán)境下的拉伸和壓縮性能實(shí)驗(yàn)，研究其在不同溫度下的基本力學(xué)性能變化。朱振濤[5]等對(duì)復(fù)合材料層合板的拉伸和剪切進(jìn)行了試驗(yàn)分析，等到了層合板的基本力學(xué)性能的分散性結(jié)果。吳以婷[6]等研究了濕熱環(huán)境下 Carbon/Epoxy復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明吸濕使得材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的上升在應(yīng)變率較低時(shí)比較明顯。H.Mivehchi和 A. Varvani-Farahani[7,8]研究了溫度對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料累積損傷的影響，并引用文獻(xiàn)中室溫和高溫下的試驗(yàn)對(duì)其理論進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明疲勞壽命隨著溫度的升高而下降。Samirkumar M.Soni[9,10]等通過(guò)試驗(yàn)研究了碳/環(huán)氧和玻璃/環(huán)氧夾層結(jié)構(gòu)在 22、0和-60 ℃時(shí)的疲勞性能，結(jié)果表明-60℃下兩種材料的疲勞壽命都極大提高，并進(jìn)行了有限元分析。吳振[11]研究了濕熱力載荷下復(fù)合材料層合板力學(xué)行為，得到了濕熱膨脹系數(shù)對(duì)濕熱行為的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合材料的研究還主要集中在靜力方面，而對(duì)低溫和濕熱下復(fù)合材料的疲勞研究還報(bào)道得不多。

本文通過(guò)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬對(duì)比分析了T700/LT-03A層合板在不同環(huán)境下的拉伸性能，并研究了室溫、低溫和濕熱的拉-拉疲勞試驗(yàn)，分析了不同溫度環(huán)境下復(fù)合材料疲勞性能的差異和應(yīng)力值對(duì)疲勞的影響。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)件材料為T(mén)700/LT-03A層合板，鋪層順序?yàn)閇-45/90/45/0/902/-45/90]S；加強(qiáng)片采用玻璃纖維增強(qiáng)材料制作；層合板與加強(qiáng)片間用膠膜 SY-24C粘接。圖1給出試樣的形狀。在試件表面幾何中心粘貼正交電阻應(yīng)變計(jì)，測(cè)量其橫向和縱向的應(yīng)變值。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Sample size

碳纖維層合板靜力、拉-拉疲勞試驗(yàn)均在液壓伺服 INSTRON8801試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)配有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理，測(cè)試精度高。室溫試驗(yàn)環(huán)境為25 ℃，干態(tài)。低溫為-55 ℃，濕熱(70 ℃)濕度(85%)。進(jìn)行靜力拉伸和拉—拉疲勞的試驗(yàn)，其中試件在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)每加載2萬(wàn)次測(cè)1次應(yīng)變。試驗(yàn)的應(yīng)力比R=0.06，加載頻率為10 Hz。圖2為進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的圖片。

圖2 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)Fig.2 Test machine system

2 試驗(yàn)結(jié)果表

圖3和表1給出了T700/LT-03A層合板在三種環(huán)境下的溫度—載荷圖及均值表。材料尺寸相同。

從表1可以看出，在三種環(huán)境下，T700/LT-03A層合板在室溫下的靜強(qiáng)度最高，低溫環(huán)境下的應(yīng)力比室溫環(huán)境下降3.37%，而濕熱環(huán)境下的強(qiáng)度最低，濕熱環(huán)境下的應(yīng)力比室溫環(huán)境下降了 4.3%。T700/LT-03A在三種環(huán)境下測(cè)得的破壞載荷的變異系數(shù)較小，特別是濕熱條件下的變異系數(shù)為3.66%，均不超過(guò) 7%，說(shuō)明這復(fù)合材料層合板在三種環(huán)境下靜力拉伸性能的分散性較小，試驗(yàn)結(jié)果能夠較好地反映材料的性能。

圖3 溫度-載荷圖Fig.3 Temperature load diagram

表1 T700/LT-03A在不同溫度的最大破壞載荷Table 1 Failure load of T700/LT-03A at different temperatures

圖4為典型的試驗(yàn)破壞圖片。

圖4 試件靜力破壞圖Fig.4 Static failure diagram of specimen

圖4可以看出材料在室溫下的破壞方式主要為纖維斷裂，低溫環(huán)境下基體為脆性，拉伸先引起層間分層，所以破壞方式表現(xiàn)為層間分層和纖維斷裂，層間破壞相對(duì)嚴(yán)重，斷口較室溫下粗糙。

圖5和表2給出了T700/LT-03A層合板在三種環(huán)境下的疲勞壽命，所有疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力比R均取0.06，加載頻率取10 Hz，T700/LT-03A層合板的疲勞最大載荷為28.69 kN（最大破壞載荷的65%）。

表2 T700/LT-03A在三種環(huán)境下的疲勞壽命Table 2 Fatigue life of T700/LT-03A in three environments

圖5 溫度-疲勞壽命圖Fig.5 Temperature fatigue life diagram

從圖6可以看出， T700/LT-03A復(fù)合材料層合板在三種環(huán)境下的疲勞壽命有很大差異。

本文提出了一種以壓電陶瓷片為載體的無(wú)線超聲波霧化系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機(jī)械共振的原理，通過(guò)單片機(jī)的無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)智能控制，可以節(jié)約資源。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物種植等農(nóng)業(yè)控制環(huán)境中，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

圖6 試件疲勞破壞圖Fig.6 Fatigue failure diagram of specimen

與室溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下材料的疲勞壽命下降了82.2%，濕熱環(huán)境下疲勞壽命下降了99.4%，這表明T700/LT-03A的疲勞性能隨著環(huán)境的變化變化明顯，整體疲勞保持率較低。低溫和濕熱下疲勞的斷口較為整齊，從表中可以看出T700/LT-03A在三種不同的環(huán)境下的疲勞壽命的變異系數(shù)都偏大，表明T700/LT-03A疲勞壽命的分散性都比較大。

3 有限元分析

對(duì) T700/LT-03A復(fù)合材料層合板進(jìn)行了拉伸載荷作用下的損傷破壞仿真分析。在 ABAQUS軟件中編制 USDFLD材料子程序來(lái)定義復(fù)合材料層合板的拉伸損傷失效行為。具體過(guò)程是在每一載荷步根據(jù)應(yīng)力大小判斷該材料積分點(diǎn)的損傷狀態(tài)，如果滿足失效準(zhǔn)則，說(shuō)明單元在該點(diǎn)發(fā)生失效，則降低該處的材料性能（包括強(qiáng)度參數(shù)和模量參數(shù)）；反之，則繼續(xù)加載，逐漸增加載荷直到芯層完全損傷為止，由此實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合板拉伸破壞的損傷分析過(guò)程[12]。

3.1 失效準(zhǔn)則

復(fù)合材料層合板的失效采用Hashin準(zhǔn)則，纖維拉伸失效判據(jù)

基體拉伸作者剪切失效判據(jù)

面內(nèi)剪切失效判據(jù)

式中：σ1——沿纖維方向的應(yīng)力分量；

σ2——橫向應(yīng)力；

Sr——面內(nèi)剪切剩余強(qiáng)度；

Yr——橫向剩余強(qiáng)度。

在子程序中定義了三個(gè)場(chǎng)變量Field variable（簡(jiǎn)記為FV1、FV2和FV3），該場(chǎng)變量用于標(biāo)記材料積分點(diǎn)處單元的失效情況。若FV1=1，則單元發(fā)生基體失效，若 FV2=1，則單元發(fā)生剪切失效，若FV3=1，則單元發(fā)生纖維斷裂失效；反之，若FV1=0，或FV2=0，或FV3=0，則表明單元沒(méi)有失效。

3.2 有限元模型

層合板長(zhǎng)110 mm，寬15 mm，采用2D Pshell單元模擬T700/LT-03A復(fù)合材料層合板，并賦予每個(gè)單元屬性，單元的鋪層順序?yàn)椋?5°/0°/-45°/90°/0°2/45°/0°］s，每層均采用不同的材料性能，以方便實(shí)現(xiàn)仿真分析中各個(gè)單元性能的下降。在Patran軟件中建立網(wǎng)格模型，共分為3×22個(gè)單元。層合板一端固定，在另一端的每一節(jié)點(diǎn)上施加平行于X軸方向的集中力。圖7為施加了載荷和約束之后的層合板。

圖7 載荷約束圖Fig.7 Load constraint diagram

模型一共劃分為 66個(gè)單元，對(duì)于每個(gè)單元有16個(gè)鋪層，所以在仿真過(guò)程中通過(guò)程序分別給 16×66個(gè)積分單元賦予不同的材料屬性。表3給出材料在室溫環(huán)境下的初始屬性，隨著疲勞加載的進(jìn)行，各單位的材料屬性按照一定的規(guī)律衰減，然后通過(guò)FORTRAN程序重新給每個(gè)單位賦衰減后的材料屬性。給加載點(diǎn)附近的單元賦予較大的剛度和強(qiáng)度值，消除仿真過(guò)程應(yīng)力集中的影響，提高仿真模擬的準(zhǔn)確性。

表3 LT-03A/T700復(fù)合材料的基本性能Table 3 Basic properties of LT-03A/T700 composites

3.3 仿真結(jié)果

圖7列出了不同環(huán)境下的LT-03A/T700復(fù)合材料的仿真應(yīng)力值。

圖8 不同環(huán)境下的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram in different environments

圖 8中可以看出，室溫下的應(yīng)力值為 1 634.9 MPa，低溫下的應(yīng)力值為1 636 MPa，濕熱環(huán)境下層合板的應(yīng)力值為1 727.87 MPa。與室溫下相比，濕熱環(huán)境下的應(yīng)力值上升了5.69%。高溫濕熱下層合板的疲勞循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)小于室溫，說(shuō)明隨著應(yīng)力值的增加，層合板的疲勞壽命，越??；反之，應(yīng)力值越低，材料的疲勞壽命越大，這個(gè)結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4 結(jié) 論

在室溫、低溫和濕熱環(huán)境下，對(duì)碳纖維T700/LT-03A復(fù)合材料層合板分別開(kāi)展了試驗(yàn)和模擬研究。靜力試驗(yàn)研究表明：室溫環(huán)境下層合板的拉伸強(qiáng)度高于其他兩種環(huán)境，其次是低溫和濕熱環(huán)境；該層合板整體拉伸強(qiáng)度的分散性變化不大，變異系數(shù)均小于 7%，可適用于不同環(huán)境。疲勞試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明：三種環(huán)境下層合板疲勞壽命的分散系數(shù)均較大，而且濕熱環(huán)境下疲勞壽命遠(yuǎn)低于室溫環(huán)境的疲勞壽命；溫度環(huán)境對(duì)該層合板的疲勞性能影響較大，該層合板強(qiáng)度越高疲勞性能越低。

［1］Ramadan A. Esmaeel, Farid Taheri. Delamination detection in laminated composite beams using the empirical mode decomposition energy damage index[J]. COMPOSITE STRUCTION, 2012,01∶1-9.

［2］Cagri Ayranci, Jason Carey. 2D braided composites∶A review for stiffness critical applications[J]. COMPOSITE STRUCTION,2008,85(01)∶43-58.

［3］曹建海,錢(qián)坤,魏取福,等..三維整體中空復(fù)合材料壓縮性能的有限元分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011,28(1) ∶230-234.

［4］汪源龍,程小全,范周,等.國(guó)產(chǎn)CCF300雙馬樹(shù)脂層合板高溫拉伸與壓縮性能試驗(yàn)研究.[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011,28(3) ∶180-184.

［5］朱振濤, 王佩艷, 王富生, 岳珠峰. 復(fù)合材料層合板拉壓和面內(nèi)剪切性能的分散性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 材料工程,2010,6∶20-25.

［6］吳以婷,葛東云,李辰. 濕熱環(huán)境下Carbon/Epoxy復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)壓縮性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2016, 33(2) ∶259- 264.

［7］H. Mivehchi, A. Varvani-Farahani. The effect of temperature on fatigue strength and cumulative fatigue damage of FRP composites[J]. Procedia Engineering, 2010,2∶2011–2020.

［8］H. Mivehchi , A. Varvani-Farahani. The effect of temperature on fatigue damage of FRP composites[J]. J Mater Sci , 2010 ,45∶3757–3767.

［9］Susumu Kumagai, Yasuhide Shindo, Akihiro Inamoto. Tension–tension fatigue behavior of GFRP woven laminates at low temperatures[J].Cryogenics, 2005,45 ∶123–128.

［10］Samirkumar M. Soni, Ronald F. Gibson, Emmanuel O. Ayorinde. The influence of subzero temperatures on fatigue behavior of composite sandwich structures[J]. Composites Science and Technology,2009,69∶829–838.

［11］吳振,劉子茗.濕熱力載荷下復(fù)合材料層合板力學(xué)行為[J].工程力學(xué),2016,33(11)∶11-20.

［12］李曉宇,王佩艷.碳纖維/PMI泡沫夾芯復(fù)合材料的彎曲特性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(5)∶1261-1265.

Tensile Properties of T700/LT-03A Laminates Under Different Environments

LI Xiao-yu,ZHANG Yan

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Shaanxi Xi’an 710089, China）

TQ 050.4

A

1671-0460（2017）09-1757-04

西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（批準(zhǔn)號(hào)：JC2011025）資助。

2017-06-12

李曉宇，男，講師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)復(fù)合材料的力學(xué)行為研究。E-mail：115553448@qq.com。