玻璃纤维层内-层间混杂复合材料拉伸破坏模式研究.pdf

２０１５年第１２期玻璃钢／复合材料８７单向碳／玻璃纤维层内－层间混杂复合材料拉伸破坏模式研究马腾，李炜（１．东华大学纺织学院，上海２０１６２０；２．纺织面料技术教育部重点实验室，上海２０１６２０）摘要：采用碳纤维／玻璃纤维层内混杂单向布，设计了５种不同混杂结构和５种不同混杂比的试件，研究了混杂结构、混①杂比对碳纤维／玻璃纤维面内混杂复合材料０。拉伸破坏模式的影响，建立了各自的拉伸破坏模式。结果表明：相同混杂比、②不同混杂结构试件的破坏模式可归结为３类，在进行相同混杂比、不同混杂结构设计时要避免使用两半式［Ａ３］结构；相同混杂结构、不同混杂比试件的拉伸断裂应力和应变的变化趋势相反，其破坏模式可归结为两类。此种情况下，碳纤维／玻璃纤维混杂比控制在３：２左右时拉伸性能较好。关键词：碳纤维；玻璃纤维；碳纤维／玻璃纤维层内混杂；混杂比；混杂结构；拉伸破坏模型中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１５）１２－００８７－０７混杂复合材料可以通过不同类型的纤维、不同类型纤维的混杂比、不同的混杂方式等形式来满足不同用途的性能要求，获得不同于单一纤维复合材料的拉伸、弯曲、压缩等性能，使得复合材料的设计自由度更大，改善或提高复合材料的某些性能，也是有效降低复合材料成本的一个有效途径。目前，混杂复合材料的研究对象主要集中在层间混杂形式。董安琪等研究了单层层间结构、单层双层混合层间结构、夹芯结构的碳纤维／玻璃纤维…（Ｃ／Ｇ）混杂试件的拉伸性能；周光明用混杂比为２：１和１：１的单向Ｃ／Ｇ层内混杂布进行实验，结果表明混杂比为２：１和１：１的混杂材料较纯碳纤维复合材料断裂伸长率提高了约３３％和４７％；Ｙｏｕｎｇ－Ｊｕｎ——Ｙｏｕ、ＹｏｕｎｇＨｗａｎＰａｒｋ、ＨｙｅｏｎｇＹｅｏｌＫｉｍ等研究比较了几种相同碳玻纤维体积含量的碳玻混杂棒状单向纤维增强体复合材料的拉伸性能，结果表明当截面上碳纤维均匀分散时其临界应力较纯碳试样增加了３３％；ＰｅｎｇｇａｎｇＲｅｎ、ＺｅｎｇｐｉｎｇＺｈａｎ等采用高模量碳纤维Ｍ４０和高强力碳纤维Ｔ３００，分别制作了层内和层间混杂复合材料，结果表明层内混杂复合材料的拉伸、弯曲、剪切性能主要由纤维体积含量决定，层间混杂复合材料的拉伸性能主要由混杂比决定，而其弯曲和层间剪切性能主要由叠放次序决定；危春阳提出了与混杂比有关的单向Ｃ／Ｇ混杂复合材料拉伸一次和二次破坏理论，两种破坏之间存在一个碳纤维相对含量的临界值；张用兵等研究了在Ｃ和ＵＨＭＷＰＥＦ（超高分子量聚乙烯纤维）混杂比相同的情况下，分别采用层内混杂、夹心混杂和层间混杂３种混杂结构制备的复合材料的力学性能的差异；邓宗才等研究了芳纶、玄武岩、玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料的单轴拉伸力学性能，分析了纤维种类、碳纤维相对体积含量、铺层方式等混杂参数对混杂效应的影响；曾金芳等研究了铺层参数对Ｆ一１２芳纶纤维与ＨＴＡ．Ｐ３０碳纤维混杂复合材料纵向拉伸性能及混杂效应的影响；宋焕成等进行了Ｃ／Ｇ混杂复合材料的层间、层内及夹芯结构试样在拉伸试验中混杂效应的理论估算与实验研究，揭示了混杂比、分散度对混杂效应的影响规律，建立了估算混杂效应的经验公式；何小兵等研究了５种Ｃ／Ｇ混杂比、４种层间混杂铺设方式及３种结构胶对Ｃ／Ｇ层间混杂纤维纵向极限拉伸性能的影响，分析了Ｃ／Ｇ层间混杂复合材料拉伸性能改善机理¨；陈汝训研究了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度，并讨论了最优混杂比的选取方法；ＣｈｅｎｓｏｎｇＤｏｎｇ等设计了几种混杂比不同的Ｃ／Ｇ混杂结构，进行３点弯曲实验，研究了这几种Ｃ／Ｇ层间混杂复合材料板的弯曲性能，并分析了各自的破坏模式１２］；ＧｅｒｇｅｌｙＣｚ６１和Ｍ．Ｒ．Ｗｉｓｎｏｍ从断裂应变能量角度出发，根据碳纤维层断裂分层前后的模量和韧性指标等通过理论计算得出了３层碳玻混杂夹芯结构（Ｇ／Ｃ／Ｇ）碳层拉伸过程中呈现多次破坏的临界厚度；同时ＭｅｉｓａｍＪａｌａｌｖａｎｄ、ＧｅｒｇｅｌｙＣｚ６１、Ｍ．Ｒ．Ｗｉｓｎｏｍ归纳出了Ｇ／Ｃ／Ｇ层间混杂结构拉—收稿日期：２０１５－０６３０作者简介：马腾（１９９０一），男，硕士，主要从事复合材料方面研究。通讯作者：李炜，博士，教授，博士生导师，主要从事碳纤维复合材料研究，ｌｉｗｅｉ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。镪｜｜ｏ∞¨｜｜：２０１５年第１２期玻璃钢／复合材料９３裂应力和应变的变化趋势相反，其破坏模式可归结为两类。在进行相同混杂结构、不同混杂比结构设计时碳／玻比控制在３：２左右时拉伸性能较好。参考文献［１］董安琪，段跃新，汤祥祥，等．单向碳纤／玻纤混杂复合材料层合板铺层结构的研究［ｃ］．中国北京：第１７届全国复合材料学术会议，２０１２．［２］周光明，梁中全，赵谦．Ｃ／Ｇ层内混杂复合材料力学性能的实验—研究［Ｊ］．宇航材料工艺，２００４，（Ｏ５）：２１２５．［３］Ｙｏｕｎｇ－Ｊｕｎ，Ｙ．，ｅｔａ１．，ＨｙｂｒｉｄｅｆｆｅｃｔｏｎｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＲＰｒｏｄｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，—２００７，８０（１）：１１７１２２．［４］Ｒｅｎ，Ｐ．，ｅｔａ１．ＨｙｂｒｉｄＥｆｆｅｃｔｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＭ４０一Ｔ３００ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＢｉｓｐｈｅｎｏｌＡＤｉｃｙａｎａｔｅＥｓｔｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２０１０，３１（ｔ２）：２１２９－２１３７．［５］危春阳，李荣云，丁立明．层内混杂纤维复合材料的拉伸性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９８８，（０４）：６－ｌ０．［６］张用兵，史俊虎，王利．混杂方式对ＣＦ／ＵＨＭＷＰＥＦ混杂复合材料力学性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（０２）：１７－１９．［７］邓宗才，李建辉．混杂ＦＲＰ复合材料单轴拉伸性能研究［Ｊ］．玻—璃钢／复合材料，２００８，（Ｏ３）：３０３４．［８］曾金芳，乔生儒，丘哲明，等．Ｆ一１２／ＣＦ混杂复合材料纵向拉伸性能研究［Ｊ］．固体火箭技术，２００４，（Ｏ１）：６０．６３．［９］宋焕成，邓浩，梁志勇．混杂纤维复合材料混杂效应的理论估算—与实验［Ｊ］．航空学报，１９９０，（叭）：６５６９．［１Ｏ］何小兵，曹勇，严波，等．ＧＦＲＰ／ＣＦＲＰ层间混杂纤维复合材料极限拉伸性能［Ｊ］．重庆交通大学学报（自然科学版），２０１３，—（０６）：１１５３１１５６．［１１］陈汝训．混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究［Ｊ］．—固体火箭技术，２００５，（０３）：２１９２２１．［１２］Ｄｏｎｇ，Ｃ．，Ｊ．Ｄｕｏｎｇ，Ｉ．Ｊ．Ｄａｖｉｅｓ．ＦｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳ－２ｇｌａｓｓａｎｄＴＲ３０Ｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｐｏｘｙｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．—ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２０１２，３３（５）：７７３７８１．—［１３］Ｃｚｅｌ，Ｇ．，Ｍ．Ｒ．Ｗｉｓｎｏｍ．Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｐｓｅｕｄｏｄｕｃｔｉｌｉｔｙｉｎｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｇｌａｓｓ／ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｈｙｂｒｉｄｉｓａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｉｎ－ｐｌｙ—ｃａｒｂｏｎｐｒｅｐｒｅｇ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔａ－ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕ—ｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１３，５２：２３３０．—［１４］Ｊａｌａｌｖａｎｄ，Ｍ．，Ｇ．Ｃｚｅｌ，Ｍ．Ｒ．Ｗｉｓｎｏｍ．Ｄａｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｓｅｕｄｏ—ｄｕｃｔｉｌｅｔｈｉｎｐｌｙＵＤｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ－Ａｎｅｗａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔａ－ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１５，６９：—８３９３．［１５］曾帅，贾智源，侯博，等．碳纤维．玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能［Ｊ］．复合材料学报．’’ＳＴＵＤＹ０量～ＩＨＥｒｌＥＳｌＬＥＦＡＩＬＵＲＥＭＯＤＥＳＯＦＵＮＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬＣＡＲＢ０ＮＦＩＢＥＲ／ＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＩＮＮＥＲＰＬＹ．ＩＮＴＥＲＰＬＹＨＹＢＲＩＤＣ０ＭＰ０ＳＩＴＥＳＭＡＴｅｎｇ．ＬＩＷｅｉ，（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｘｔｉｌｅｉｎＤｏｎｇＨｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎａｂｏｕｔＴｅｘｔｉｌｅＦａｂｒｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｕｓｅｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｉｎｎｅｒｐｌｙｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｆａｂｒｉｃｓｔｏｄｅｓｉｇｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆ４ｔｙｐｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ５ｔｙｐｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｂｒｉｄｒａｔｉｏｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｉｘｅｄｒａｔｉｏｏｎｔｈｅ０。ｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆＣ／Ｇｉｎｎｅｒｐｌｙｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓａｒｅｇｉｖｅｎ①ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｒＩ１ｈｅｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｍｉｘｅｄｒａｔｉｏｂｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃａｎｂｅｓｕｍｍｅｄｕｐｉｎｔｈｒｅｅｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ．Ｗｈｅｎｗｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｍｉｘｅｄｒａｔｉｏｂｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｂｒ②ｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌｉｋｅ［Ａ３］ｓｈｏｕｌｄｂｅａｖｏｉｄｅｄ；Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｓｔｒｅｓｓ—ａｎｄｓｔｒａｉｎｈａｖｅｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｅｄｒａｔｉｏｓｃａｎｂｅｓｕｍｍｅｄｕｐｉｎｔｗｏｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｃａｓｅ，ｗｅｃａｎｇｅｔｂｅｔｔｅｒｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙｗｉｔｈｔｈｅｍｉｘｅｄｒａｔｉｏｓｏｆＣ／Ｇｔｏｂｅａｒｏｕｎｄ３：２．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ；Ｃ／Ｇｉｎｎｅｒｐｌｙｈｙｂｒｉｄ；ｈｙｂｒｉｄｒａｔｉｏ；ｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ—｜≮薯ｊ｝４｜。；０脚