張 耀,張 航,蔡登安,胡彥鵬,張 楠

(南京航空航天大學 航空航天結構力學及控制全國重點實驗室,南京 210016)

0 引言

復合材料是一種具備高性能的新型材料,因為其是由多種材料混合而成,所以復合材料性能受到本身細觀結構和材料本身性能共同影響。正因其優(yōu)異的力學性能,故常被用于制備力學承力構件,而除了承受軸向載荷外,彎曲也是最常見的受力方式之一[1-3]。

針對復合材料的彎曲性能,國內外眾多學者進行了詳細的研究。Morokov[4]通過逐級加載方式,配合聲發(fā)射器、顯微鏡等設備,研究了碳纖維層合板的各類損傷逐級損傷演化。由于復合材料成型工藝與誤差對性能影響極大,因此Chao[5]針對孔隙率對碳/碳復合材料彎曲性能進行了研究。白鑫[6]通過改變跨厚比,研究了層合板試驗尺寸條件對材料性能的影響。秦礽[7]通過人為預制分層的辦法,研究了分層對復合材料彎曲性能的影響。葛恩德[8]研究了裝配工藝對復合材料彎曲性能的影響,從裝配間隙高度、間隙長度等方面進行了研究。而其中,不乏一些研究對復合材料的抗彎性能進行了有效地提升。Chang[9]和嚴斌[10]發(fā)現(xiàn)z-pin不但可以對材料層間進行增韌,同時還能夠提升材料的彎曲性能,這種提升受到z-pin材質和分布密度等影響。王萌[11]將碳納米紙埋入層合板層間,預埋碳納米紙,能夠有效增強碳纖維增強復合材料的彎曲強度以及極限彎曲承載能力。Srivastava[12]通過在纖維表面噴涂納米石墨烯,改變了纖維與基體的界面性質,有效提高了碳纖維復合材料的彎曲性能。

通過相關文獻研究不難發(fā)現(xiàn),可以通過在傳統(tǒng)的層合板中添加其他物質來達到增強材料抗彎性能的目的,這是因為層合板層間區(qū)域富集了大量基體,這就導致材料層間相對脆弱,但同時也給與多余的空間來填充其他物質。此外,還能發(fā)現(xiàn)填充物的性質對材料性能也會帶來影響,多數(shù)研究中將納米級的材料作為填充物,雖然取得了較為不錯的結果,但是納米材料高昂的成本使得大部分研究無法真正做到工程應用[13]。

利用層合板的結構特點,本文在成型過程中將毫微米級不銹鋼顆粒引入復合材料層間,依靠不銹鋼剛的高強度和高剛度,改變了層合板兩層纖維之間一定具有非常薄弱的基體富集區(qū)的結構缺陷,令基體與顆粒在層間形成隨機顆粒增強復合材料薄層。另外,不銹鋼價格便宜且可塑性強,易于生產,具備工程實際應用潛力。并且由于其耐腐蝕性,可以保證在制備以及試驗過程中性能穩(wěn)定,因此,比起其他材料,不銹鋼更適合作為研究金屬顆粒對層合板性能影響的材料。通過試驗驗證得到,經(jīng)過不銹鋼增強后的碳纖維層合板具有更高的抗彎強度,并且在一定顆粒含量范圍內,層間所包含的顆粒越多,強度增強效果越明顯。從而提出了一種能夠應用于工程實際的復合材料性能提升方法,為復合材料的結構設計與優(yōu)化提供新的思路和參考。

1 材料制備方法

制備試驗件所用材料表1所示。

表1 原材料列表Table 1 List of raw material

表1中,所用的410不銹鋼顆粒是一種截面直徑0.03 mm,母線長度0.1～0.2 mm的圓柱形顆粒。

試驗件成型方法為改進的濕法手糊成型法,該成型手法具有高度靈活可操作性,制備流程如圖1所示。

圖1 材料制備流程Fig.1 Material preparation process

準備步驟包括不銹鋼顆粒的稱量,這一步是使用精度為0.1 mg的高精度電子秤,提前按照規(guī)定的顆粒含量分別將每一層所需要的顆粒提前稱量好,本文設計對比3種顆粒含量的情況,分別是30 、45 和60 g/m2,根據(jù)所鋪設層合板的面積計算所用顆粒的質量。然后將纖維布按照一定尺寸裁剪好后開始正式的鋪設步驟。首先令每一層纖維布充分與調配好的液態(tài)樹脂基體浸透,然后使用目數(shù)為100目的篩網(wǎng)將顆粒均勻的撒在纖維布上,這樣可以準確地控制每一層的顆粒含量。然后重復鋪設、刷樹脂與鋪撒顆粒等步驟,直到完全鋪設完畢后,施加一定壓力并等待試驗件24 h后完全固化成型。最后,按照所需要的尺寸與形狀,從整塊層合板上切割試驗件,這樣保證了同一批試驗件性能的穩(wěn)定。

2 試驗

通過三點彎曲試驗測試材料的彎曲性能。試驗件鋪層順序為[(0,90)]4,共4層,厚度2 mm,寬度19 mm,根據(jù)ASTM D7264/7264M-15[14]標準所述,試驗跨厚比為32∶1,所以跨距定為64 mm。

試驗采用CMT5540微機控制電子萬能試驗機,配合三點彎曲工裝進行試驗,加載方式為控制位移加載,加載速度為2 mm/min,試驗件安裝以及工裝如圖2所示。

試驗記錄加載過程中的載荷位移數(shù)據(jù)。特別需要記錄峰值以及對應的撓度值,這將作為計算和分析層合板抗彎性能的重要參考指標。

此外,為了方便對比和描述,本文中對試驗件按照如下規(guī)則編號:“去除單位的顆粒含量”-“TPB”,如30-TPB表示顆粒含量為30 g/m2的三點彎曲試驗件。

3 結果與討論

3.1 彎曲破壞形貌

通過顯微鏡觀察損傷形貌細節(jié)。試驗件損傷形貌對比如圖3所示。

圖3 試驗件損傷形貌對比Fig.3 Comparison of damage morphology of specimens

由圖3可以清晰的觀察到,碳纖維層合板在壓頭附近損傷最嚴重,存在大量的纖維斷裂和基體破損,這正是造成材料最終失效無法承載的主要原因。此外,對于復合材料層合板而言,在破壞過程中往往伴隨著嚴重的分層,特別是在彎曲破壞過程中。這是因為,即使復合材料層合板面內受載時,其也會因為處于三維的應力狀態(tài)下而產生厚度方向應力,更不用說彎曲所帶來的剪切應力。而層間是層合板最脆弱的區(qū)域,所以這就導致復合材料破壞幾乎都伴隨著分層。這與本文試驗的結果是相符的,不過可以很明顯看到,0-TPB組試驗件的分層是所有組中最嚴重,其包含的分層延加載方向擴展,而其他類型的試驗件雖然依然存在分層的現(xiàn)象,但嚴重程度輕,且裂紋長度相對較短。而其中60-TPB組試驗件的分層損傷程度最輕,推測這與層間顆粒含量有關,因為根據(jù)以往對于層間填充其他物質的研究來看,添加顆粒會有效提高材料的層間性能,如斷裂韌性以及層間抗剪切強度等[15-16],所以可能造成分層的減輕。

3.2 載荷響應與強度對比

試驗測試得到的載荷-撓度曲線以及各類試驗件的彎曲模量以及彎曲強度如圖4所示,彎曲強度σf計算和彎曲模量Ef的公式由標準給出,表達式為:

圖4 三點彎曲試驗結果Fig.4 Three-point bending test results

(1)

(2)

式(1)和式(2)中:P為峰值載荷(N);l為跨距長度(mm);b和h分別表示試驗件寬度和厚度(mm);ΔP和ΔS則分別表示載荷位移曲線線性段的載荷和位移變化值(mm)。

由圖4(a)可以看出,各類試驗件在彎曲過程中,首先都會經(jīng)歷較長的線性變形階段,而在到達極限之前會出現(xiàn)輕微的載荷波動甚至下降,這說明此時材料已經(jīng)開始損傷,所以整體的剛度發(fā)生了變化。而當載荷達到峰值后,會迎來一個非常顯著的突降階段,但這并不會令層合板立刻完全失效而導致載荷降為零,而是會在繼續(xù)加載過程中隨著損傷的不斷累積,出現(xiàn)載荷逐漸下降的現(xiàn)象。通過下降段的曲線對比可以看到,在出現(xiàn)損傷后,填充了顆粒的組仍能在較長的一段形變范圍內保持載荷高于0-TPB組的極限載荷。

由圖4(b)可以看到,當在層間添加一定量的410不銹鋼顆粒后,碳纖維層合板的抗彎曲破壞性能有明顯的增強。并且,隨著層間顆粒含量的提高,其彎曲強度明顯提高,當顆粒含量達到60 g/m2時,材料的平均彎曲破壞強度從0-TPB的401.8 MPa提升至569.6 MPa,提升了41.8%。此外,從提升率的變化趨勢來看,可以發(fā)現(xiàn)其與顆粒含量存在明顯的正相關關系,這說明材料強度具備進一步提高的潛力。

同樣隨著顆粒含量提高的,還有材料的抗彎剛度,因為隨著顆粒密度的增大,材料的彎曲模量也在逐漸增加,這說明層間添加顆粒這一方法能夠有效提高材料抵抗彎曲變形的能力。

但是,通過對比可以發(fā)現(xiàn),不同試驗件在載荷達到峰值時,對應的最大撓度非常接近,根據(jù)試驗件跨距中點外表面最大應變公式,有:

(3)

式(3)中,δ為跨距中點撓度(mm)。

于是得到不同類型的試驗件載荷達到極限時外側的應變,如表2所示。

表2 載荷峰值處應變Table 2 Strain at the peak load

從表2中數(shù)據(jù)已經(jīng)可以初步看出,不同組之間在失效應變上差別非常小,為了進一步驗證數(shù)據(jù)之間是否真實存在差別,采用配對樣本的T-檢驗方法對各組數(shù)據(jù)與0-TPB數(shù)據(jù)之間進行分析,檢驗水平α=0.05,得到顯著性系數(shù)p對比,如表3所示。

表3 T-檢驗顯著性(p)對比Table 3 Significance (p) comparison by T-test

通過T檢驗發(fā)現(xiàn),試驗中各組試驗件峰值載荷所對應的應變與無顆粒增強的試樣沒有明顯差別。根據(jù)復合材料的應變失效理論分析,可以推測出顆粒的加入并沒有很大程度上改變層合板的失效方式,也沒有參與到破壞中,起到承載作用并最終破壞的仍然是碳纖維織物以及基體,添加顆粒起到的作用實則是阻礙了材料在受載過程中的形變,也就是在相同載荷下,其撓度下降,從曲線中表現(xiàn)出來就是材料整體剛度增強,這并不代表強度與剛度直接掛鉤,而是對于彎曲而言,令材料沿受載方向產生更強的彎曲阻抗。除了本文中提到的方法外,通過阻礙材料結構彎曲變形達到提高其抗彎曲性能的其他思路和可行性也得到了研究和驗證[17]。

另外,由于顆粒加入后,材料的密度不可避免地會增加,因此還需要比較增韌前后材料的彎曲比強度(Sσ)和彎曲比模量(SE)變化情況。具體的計算公式為:

(4)

(5)

式(4)和式(5)中,ρ表示的材料的整體密度(g·cm-3)。

通過計算,可以得到如表4所示的結果。

表4 比強度和比模量Table 4 Specific strength and specific modulus

很明顯,雖然隨著顆粒密度增加,材料的密度(質量)會逐漸增大,但材料彎曲強度和彎曲模量的提升均比密度提升更加明顯,因此材料的比強度和比模量都仍然是逐漸增加的。

3.3 細觀結構與增強機理

為了進一步研究顆粒對于材料彎曲性能提升機理,分別利用Micro-CT技術以及掃描電子顯微鏡(SEM)對完好試驗件以及將表面剝離后的試樣斷口進行了觀察,從細觀角度進行對比與研究,掃描結果如圖5所示。

圖5 層間細觀結構掃描圖Fig.5 Scan of interlayer meso structure

通過對內部細觀結構的觀察,可以看到大量不銹鋼顆粒緊密且隨機地嵌入到層間樹脂中,并且由于成型過程中的壓力,大多數(shù)顆粒均分布在一個平面內。正是因為這樣的結構特征,使得碳纖維層合板的層間形成了一層被顆粒面內增強的復合材料薄層結構,而不銹鋼的強度和模量都遠遠大于環(huán)氧樹脂,這令該薄層具備了比原本樹脂更強的力學性能。等效于在相鄰纖維層之間插入了更不易彎折的復合材料薄板。相比原來,彎曲產生的應力會被薄板分擔去更多,因此在相同載荷下,碳纖維承受的應變顯著減小。

此外,由于顆粒的加入,使層合板的層間剪切強度、層間斷裂韌性等層間性能都得到提升,而復合材料分層往往是造成其性能下降的最常見因素,因此防止分層裂紋過早地產生以及阻礙分層范圍在失效前進一步擴展都能夠提高材料的承載能力。

4 結論

本文制備了一種層間含不銹鋼顆粒增韌的碳纖維/環(huán)氧復合材料層合板,并通過試驗研究了該方法對材料彎曲性能的增強效果與作用機理,得出以下結論:

1) 以濕法手糊成型的方式,可以方便地將顆粒以準確的含量混入層合板層間,并且顆粒會在層間嵌入到基體當中,待基體固化后與其混合形成一層顆粒增強的復合材料薄層,該薄層具有比單純樹脂更高的強度和模量,對增強彎曲性能起到關鍵作用。

2) 未使用顆粒進行層間增強的碳纖維織物層合板的彎曲強度為399 MPa,而僅以很少量的顆粒就能使層合板的抗彎強度有較大幅的提升,且在一定范圍內,顆粒含量越高其抗彎強度也越高。當每層顆粒含量分別為30、45和60 g/m2時,層合板的彎曲破壞強度分別達到了454、506以及569 MPa,相比無顆粒的試驗件,分別提升了13.8%、26.6%以及41.8%。

3) 不銹鋼顆粒的添加雖然會使材料密度增加,但在顆粒密度為30～60 g/m2,其彎曲比強度和彎曲比模量也始終是隨顆粒密度增加而逐漸增大的。

4) 層間添加不銹鋼顆粒會對層合板在彎曲過程中的分層起到抑制作用,使其損傷中的分層失效減輕。添加不銹鋼顆粒不會使材料的失效應變發(fā)生較大改變,但同時實現(xiàn)了材料的抗彎強化,為復合材料的設計與優(yōu)化提供了新的思路和參考。