袁慧秀，竇松柏，孫勝平，朱祥松，朱 凡

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

碳纖維復(fù)合材料層壓板開孔拉伸靜態(tài)力學(xué)測(cè)試研究

袁慧秀，竇松柏，孫勝平，朱祥松，朱 凡

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在增強(qiáng)材料相同的情況下考核高溫1號(hào)、中溫1號(hào)和中溫2號(hào)碳纖維復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)。從宏觀力學(xué)的角度，對(duì)三種基體材料不同鋪層方式的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行的開孔拉伸靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明中溫2號(hào)樣品的極限開孔拉伸強(qiáng)度、極限拉伸、應(yīng)變彈性模量優(yōu)于高溫1號(hào)和中溫1號(hào)樣品，接近國外同類型產(chǎn)品。中溫2號(hào)樣品的極限開孔拉伸強(qiáng)度、極限拉伸和應(yīng)變彈性模量分別為389 MPa，6420με和42.6 Gpa。

碳纖維復(fù)合材料；靜態(tài)力學(xué)；極限開孔拉伸強(qiáng)度；引伸計(jì)；應(yīng)變響應(yīng)

0 前 言

碳纖維是一種含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因具有高的比強(qiáng)度和比模量、良好的抗疲勞性、減震性、高溫性、成型工藝、破壞安全性等一系列優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于宇航、航空、汽車、導(dǎo)彈和各種武器，在材料輕量化和高性能起到至關(guān)重要的作用[1-3]。隨著我國碳纖維復(fù)合材料越來越廣泛的應(yīng)用，自主研發(fā)國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料能力的逐步增強(qiáng)，對(duì)材料性能的檢測(cè)和分析也日趨重要。復(fù)合材料層壓板開孔拉伸試驗(yàn)性能指標(biāo)是直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材主要參數(shù)[4-6]。本文選擇三種基體材料不同而增加材料相同的預(yù)浸料按兩種鋪層方式制備試樣，通過開孔拉伸試驗(yàn)得到開孔拉伸極限強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變、軸向彈性模量以及應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并將測(cè)試結(jié)果與國外同類型碳纖維復(fù)合材料比較。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)件材料

試驗(yàn)件基體材料采用國產(chǎn)高溫1號(hào)a#、中溫1號(hào)b#和中溫2號(hào)c#環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料采用CF3052高強(qiáng)度和高模量碳纖維。采用兩種方式對(duì)試樣進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，第一種鋪層方式：[45/(0,90)/45/(0,90)]s，第二種鋪層方式：[(0,90)/(0,90)/45/(0,90)/(0,90)]s。樣件尺寸和種類見表1，樣件結(jié)構(gòu)示見圖1，孔徑為6 mm，寬孔比W/D=6，無加強(qiáng)片。每種類型測(cè)試取6個(gè)樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備為MTSRT/100型電子材料試驗(yàn)機(jī)，MTS634.31F型引伸計(jì)，TestWork4.0數(shù)據(jù)采集軟件。2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

在室溫干態(tài)RTD，且溫度為23±1 ℃環(huán)境條件下，按《ASTM D5766/D5766M-02a聚合物基復(fù)合材料層壓板開孔拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》要求對(duì)高溫1號(hào)、中溫1號(hào)和中溫2號(hào)試樣進(jìn)行開孔拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移控制方式，加載速率為1 mm /min，試驗(yàn)總誤差控制在5%以內(nèi)的要求。

(1)試驗(yàn)件尺寸測(cè)量。用游標(biāo)卡尺測(cè)量試驗(yàn)件的尺寸，記錄試驗(yàn)件粘接區(qū)的實(shí)際寬度(w)、厚度(t)、孔徑(d)。

(2)安裝及加載。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室大氣環(huán)境(23±3 °C和50±10%相對(duì)濕度)中儲(chǔ)存和試驗(yàn)。試驗(yàn)件應(yīng)至少在室溫環(huán)境(23 ℃±3 ℃)環(huán)境中放置3 h，然后開始試驗(yàn)。將狀態(tài)調(diào)節(jié)后的試驗(yàn)件直接安裝到MTS RT/100電子試驗(yàn)機(jī)夾頭上。立即在保持輕微的加載力的條件下將加載力和變形調(diào)整為零。以速度為1 mm/min的條件下施加遞增拉力，直至試樣破壞。試驗(yàn)過程中記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對(duì)試件破壞面拍照，照片中應(yīng)包含試件編號(hào)，將照片編號(hào)記錄在試驗(yàn)原始記錄表中。記錄最大載荷Fmax和破壞模式。破壞模式代碼如下：LGM代表橫向通過孔中心的層壓板拉伸破壞模式，可能出現(xiàn)劈裂和分層；AGM代表在孔處層壓板的典型拉伸破壞，但通過孔的橫向中心線還保留角鋪設(shè)層，可能出現(xiàn)劈裂和分層；MGM代表在孔處層壓板的拉伸破壞，在不同的子層出現(xiàn)多種破壞模式，出現(xiàn)劈裂和分層。

2.3 數(shù)據(jù)處理

按(1)式計(jì)算極限開孔拉伸強(qiáng)度

按（2）式計(jì)算弦向拉伸彈性模量按（3）式計(jì)算極限拉伸應(yīng)變

對(duì)于每一組試驗(yàn)，計(jì)算每一種測(cè)量性能的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和B基準(zhǔn)值(B基準(zhǔn)值為在95%的置信度下，90%的性能數(shù)據(jù)群的最小值) 。

按（4）式計(jì)算平均值公式

按(5)式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差

按(6)式計(jì)算離散系數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開孔拉伸試樣在中心孔處面積最小，應(yīng)力集中在孔的周邊，由最弱鏈理論可以得出正常破壞應(yīng)在中心孔處，材料破壞為明顯的脆性斷裂。高溫1、中溫1和中溫2樣品在室溫條件下的開孔拉伸試驗(yàn)的破壞模式均為橫向通過孔中心的層壓板拉伸破壞模式，可能出現(xiàn)劈裂和分層，是可接受的開孔拉伸試驗(yàn)破壞模式。

表1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)Tab.1 The design of test samples

圖1 樣件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the test sample

圖2 試驗(yàn)件尺寸示意圖Fig.2 The dimensions of the test sample

表2 測(cè)試結(jié)果Tab.2 The test Results

室溫條件下，高溫1號(hào)、中溫1號(hào)和中溫2號(hào)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在第一種鋪層方式 [45/(0,90)/45/ (0,90)]s和第二種鋪層方式[(0,90)/(0,90)/45/(0,90)/ (0,90)]s下的開孔拉伸試驗(yàn)極限強(qiáng)度柱形圖分別見圖3和圖4，斷裂應(yīng)變柱形圖分別見圖5和圖6，兩種鋪層方式彈性模量柱形圖見圖7。

除強(qiáng)度和模量之外，許用應(yīng)變是層合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值，也是復(fù)合材料選材最主要的參數(shù)之一。開孔拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果主要通過對(duì)許用應(yīng)變、強(qiáng)度和模量的考核，并結(jié)合破壞應(yīng)變的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和B基準(zhǔn)值來最終確定選材方案。

圖3 [45/(0,90)/45/(0,90)]s鋪層方式柱形圖Fig.3 Thefor the [45 / (0, 90) / 45 / (0, 90)]s laminating manner

圖4 [(0,90)/(0,90)/45/(0,90)/(0,90)]s鋪層方式極限柱形圖Fig.4 Thefor the [(0, 90)/ (0, 90)/45/ (0, 90)/ (0, 90)]s laminating manner

通過選擇高溫1號(hào)、中溫1號(hào)和中溫2號(hào)三種基體材料不同而增強(qiáng)材料相同(均為CF3052)的預(yù)浸料，按兩種不同的鋪層方式([45/(0,90)/45/(0,90)]s鋪層方式和[(0,90)/(0,90)/45/(0,90)/(0,90)]s)制備試樣的開孔拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，在增強(qiáng)材料相同的的情況下，中溫1號(hào)的極限開孔拉伸強(qiáng)度偏低，高溫1號(hào)和中溫2號(hào)材料相當(dāng)；中溫2號(hào)材料的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和B基準(zhǔn)值高于中溫1號(hào)和高溫1號(hào)；中溫2號(hào)和高溫1號(hào)的模量值最接近設(shè)計(jì)要求。在基體材料和增強(qiáng)材料均相同的情況下，鋪層方式對(duì)破壞應(yīng)變會(huì)有影響，隨著0度鋪層的增加，開孔拉伸試樣破壞應(yīng)變會(huì)逐漸減小。將本次驗(yàn)證結(jié)果與國外同類型復(fù)合材料技術(shù)指標(biāo)相比，國外碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度（非開孔拉伸強(qiáng)度）為500 MPa左右，應(yīng)變?yōu)?500 μ ε左右。本次測(cè)試的中溫2號(hào)碳纖維復(fù)合材料極限開孔拉伸強(qiáng)度在330～400 MPa，應(yīng)變?yōu)?400～6800 μ ε，最接近國外同類型碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 [45/(0,90)/45/(0,90)]s鋪層方式εi柱形圖. Fig.5 The εifor the [45 / (0, 90) / 45 / (0, 90)]s laminating mannerr

圖6 [(0,90)/(0,90)/45/(0,90)/(0,90)]s鋪層方式εi形圖Fig.6 The εifor the [(0, 90)/ (0, 90)/45/ (0, 90)/ (0, 90)]s laminating manner

4 結(jié) 論

圖7 兩種鋪層柱形圖Fig.7 Thefor two laminating manners

通過對(duì)國產(chǎn)高溫1號(hào)、中溫1號(hào)和中溫2號(hào)三種基體材料不同而增強(qiáng)材料相同的預(yù)浸料的兩種鋪層方式的復(fù)合材料極限開孔拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析，可得出以下結(jié)論：碳纖維復(fù)合材料中溫2的極限拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變、彈性模量等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于高溫1號(hào)和中溫1號(hào)復(fù)合材料，強(qiáng)度和應(yīng)變指標(biāo)也最接近國外同類型產(chǎn)品，因此中溫2材料是優(yōu)先選用的材料，能滿足某型直升機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)要求。在基體材料和增強(qiáng)材料均相同的情況下，鋪層方式對(duì)破壞應(yīng)變會(huì)有影響，隨著0度鋪層的增加，開孔拉伸試樣破壞應(yīng)變會(huì)逐漸減小。

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The Static Open-hole Tensile Test for Carbon Fiber-reinforced Composite Laminates

YUAN Huixiu, DOU Songbai, SUN Shengping, ZHU Xiangsong, ZHU Fan
(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China )

In order to meet the requirements of the designed structure, the static mechanical properties of high temperature sample 1, medium temperature samples 1 and 2 of carbon fiber-reinforced composites were tested. The static open-hole tensile strength tests were conducted on the composite boards laminated with the above-mentioned three matrix samples in different manners. Results show that the ultimate open-hole tensile strength, ultimate tensile strength and elastic modulus of medium temperature sample 2 were 389 MPa, 6420 με and 42.6 GPa, respectively, better than those of high temperature sample 1 and medium temperature sample 1, while approximate to those of the same products from abroad.

carbon fber reinforced composite material; statics; ultimate open-hole tensile strength; extensometer; strain response

TQ174.75

A

1000-2278(2014)02-0159-04

2013-11-19

2014-04-10

袁慧秀(1974-)，女，高級(jí)工程師。

Received date: 2013-11-19 Revised date: 2014-04-10

Correspondent author:YUAN Huixiu (1974-), female, Senior engnieer.

E-mail:eyong6483@sina.com