史　昱，韓　嘯

（1.山東交通學院理學院，濟南 250357； 2.大連理工大學工程力學系，遼寧大連 116024）

汽車復合材料層合板準靜態(tài)力學性能的試驗測定*

史昱1，韓嘯2

（1.山東交通學院理學院，濟南 250357； 2.大連理工大學工程力學系，遼寧大連 116024）

以應用于某新能源電動汽車的復合材料層合板為研究對象，利用萬能試驗機和靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)等提出了可靠的復合材料層合板準靜態(tài)拉伸和壓縮力學性能試驗測定方法，從而為復合材料結構在汽車輕量化中的設計和應用提供了試驗依據(jù)。該層合板結構采用±45°交叉鋪層方法，由2層碳纖維、1層芳綸纖維和2層玻璃纖維層疊構成。試驗結果表明，該復合材料層合板在準靜態(tài)拉伸時呈現(xiàn)沿±45°方向和層間分離擠壓的斷裂失效模式，這與其內(nèi)部纖維鋪層方向是一致的。同時，由于在復合材料板材中加入了增韌和板材失效時起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復合材料層合板的整體力學性能較常見碳纖維增強復合材料板材，其彈性模量和強度性能均有所降低。

復合材料；汽車輕量化；力學性能測試；失效強度；彈性模量

近年來我國能源緊缺和環(huán)境污染等危機越來越嚴重，汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，節(jié)能減排也成為行業(yè)發(fā)展新方向，車身輕量化技術越來越多地受到各大汽車生產(chǎn)廠商的關注。典型的車身輕量化手段包括優(yōu)化新結構、發(fā)展新工藝和使用新材料等［1］。使用高性能輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)鋼材是實現(xiàn)車身輕量化最為有效的方法之一，已得到廣泛研究和應用［2-3］。車身輕量化材料主要包括高強度鋼材、鎂鋁合金、工程塑料和復合材料等，其中碳纖維復合材料（CFRP）強度大、質(zhì)量輕，在超級跑車與賽車車身上使用較為廣泛［4］。近年來，隨著碳纖維原絲成本的不斷降低，CFRP越來越多地出現(xiàn)在乘用車車身結構中［5-6］。寶馬公司是使用CFRP較為廣泛的整車制造企業(yè)之一，通過CFRP材料在BMW7系車身結構中的合理利用，有效降低了整車質(zhì)量，進而降低整車重心，極大提升了汽車操控性與燃油經(jīng)濟性；同時得益于CFRP材料高強度，車身碰撞安全性也得到很大提升［7］。鑒于車身復雜性能與成本控制要求，在短期時間內(nèi)，輕質(zhì)材料如CFRP還不能夠完全替代傳統(tǒng)車身材料（如鋼），多種材料在車身結構的共同應用則會成為一種常態(tài)。德國學者HAHN等提出過“混合材料結構”概念，即異質(zhì)材料車身結構，力求在合適部位使用合適材料［8］。

筆者研究一種應用于某新能源電動汽車上的復合材料層合板的準靜態(tài)拉伸和壓縮性能，該層合板結構以環(huán)氧樹脂為基體，采用±45°交叉鋪層方法，由2層碳纖維、1層芳綸纖維和2層玻璃纖維層疊構成。通過對復合材料層合板試件開展準靜態(tài)拉伸和壓縮測試，直至試件失效，以獲取其準靜態(tài)相關力學性能參數(shù)，從而為復合材料結構在汽車輕量化中的設計和應用提供試驗依據(jù)。

1 　實驗部分

1.1 主要原材料

纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料：某汽車集團公司。

1.2 主要設備及儀器

萬能試驗機：WDW-100型，長春科新試驗儀器有限公司；

靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)：DH3815N型，江蘇東華測試技術股份有限公司。

1.3 試件制備

（1）拉伸試件制備。

復合材料準靜態(tài)拉伸試件幾何形狀參考ASTM D 3039-2014標準，具體尺寸見圖1。為了防止復合材料夾持端在試驗過程中發(fā)生滑移，需要在試件兩端粘貼加強墊片，同時采用粘貼應變花方式測量試件在拉伸過程中的軸向與橫向應變，如圖2所示。首先在制備好的試件表面涂抹丙酮，以去除表面油污；然后使用萬能膠水將應變花和端子粘貼在試件中部區(qū)域；最后使用焊錫將應變花引線相連接。筆者采用靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)記錄并分析應變，采用1/4橋路測量應變。

圖1　 復合材料拉伸試件幾何尺寸

圖2　 復合材料準靜態(tài)拉伸試件

（2）壓縮試件制備。

復合材料準靜態(tài)壓縮試件尺寸參考ASTM D 6641-2014標準，詳細信息如圖3所示。按照測試標準的相關要求，為了有效降低試件在壓縮載荷下發(fā)生屈曲的可能性，設計制備了復合材料準靜態(tài)壓縮測試（CLC）加載夾具。CLC夾具利用兩側的緊固螺栓使得復合材料壓縮試件緊密貼合到夾具的內(nèi)表面上，以達到夾持的效果。壓縮試件本身有效測試段較短，從而有效避免了試件局部發(fā)生屈曲的可能性。與復合材料拉伸試驗類似，為了防止復合材料夾持端在試驗過程中發(fā)生滑移，需要在試件兩端粘貼加強墊片，如圖3所示。為了測量試件在壓縮過程中的軸向與橫向應變，需要在試件表面粘貼應變片。由于試件測試段較短，因此使用兩個尺寸較小的應變片代替應變花來測量試件壓縮過程中的橫向與縱向應變，如圖4所示。

圖3　 復合材料壓縮試驗試件幾何尺寸

圖4　 復合材料準靜態(tài)壓縮試件

1.4 性能測試

（1）準靜態(tài)拉伸測試。

采用ASTM D3039-2014標準，使用萬能試驗機對復合材料試件進行準靜態(tài)拉伸測試（見圖5），試驗速率保持為2.0 mm/min。當試件發(fā)生失效破壞（以載荷峰值出現(xiàn)第一次下降為準），則立即停止試驗。測試至少5個試件，取失效載荷與位移的平均值作為結果進行討論。

圖5　 復合材料準靜態(tài)拉伸測試照片

（2）準靜態(tài)壓縮測試。

首先將復合材料壓縮試件安裝到CLC夾具中，然后將夾具放置于萬能試驗機下部壓縮空間試驗臺上開始準靜態(tài)壓縮試驗。采用ASTM D6641-2014測試標準，保持試驗機壓縮速率為2.0 mm/min，當試件發(fā)生破壞失效（以載荷峰值出現(xiàn)第一次下降為準），則立即停止試驗。測試至少5個試件，取失效載荷與位移的平均值作為結果進行討論。

2　 結果與討論

2.1 準靜態(tài)拉伸測試

復合材料試件準靜態(tài)拉伸破壞后斷裂模式如圖6所示。觀察圖6a可以看到，隨著試件發(fā)生失效破壞，復合材料試件中部出現(xiàn)一個與軸向成45°的斷口，其與該復合材料的鋪層方式有關（該復合材料內(nèi)部按照±45°交叉鋪層排布）。同時觀察試件側面（見圖6b）可以發(fā)現(xiàn)，復合材料層與層之間發(fā)生了顯著的層間分離現(xiàn)象?？梢钥吹?，試件斷裂發(fā)生在平行段，符合ASTM標準關于復合材料失效模式與有效試件的描述［9］。復合材料準靜態(tài)拉伸應力-應變曲線如圖7所示，可以看到該復合材料層合板矩形試件的拉伸曲線分為典型的彈性階段和破壞階段，并在達到破壞強度時發(fā)生失效。

圖6　 復合材料拉伸試件破壞樣貌

圖7　 復合材料準靜態(tài)拉伸應力-應變曲線

通過分析由萬能試驗機和靜態(tài)應變儀分析系統(tǒng)得到的復合材料矩形試件的準靜態(tài)拉伸試驗數(shù)據(jù)，采用材料力學相關理論，根據(jù)試件曲線的彈性部分和最大載荷，得到相應的復合材料準靜態(tài)拉伸材料參數(shù)見表1。由表1可以看到，由于復合材料內(nèi)部采用了±45°交叉鋪層排列，試件在軸向和橫向的準靜態(tài)拉伸力學性能差別不大，符合有關文獻中對疊層復合材料力學性能特征的描述［9-10］。需要說明的是，由于在復合材料中加入了增韌和板材失效時起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復合材料層合板的整體力學性能較常見的CFRP板材，其拉伸彈性模量和強度均有所降低［11］。

表1　 復合材料準靜態(tài)拉伸力學性能

2.2 準靜態(tài)壓縮測試

復合材料試件準靜態(tài)壓縮破壞后斷裂模式如圖8所示，可以看到隨著試件發(fā)生失效破壞，復合材料中部出現(xiàn)一個與軸向成45°的斷口，這一現(xiàn)象與復合材料的鋪層有關。同時觀察試件側向破壞面，可以發(fā)現(xiàn)復合材料內(nèi)部層與層之間還發(fā)生了顯著的層間分離和擠壓現(xiàn)象?？梢钥吹?，試件斷裂發(fā)生在平行段，符合ASTM D6641-2014測試標準關于復合材料失效模式的描述［11-12］，因此該壓縮測試試件均為有效。復合材料試件準靜態(tài)壓縮應力-應變曲線見圖9所示。可以看到試件的壓縮曲線分為典型的彈性階段與破壞階段，并在達到破壞強度時失效。

圖8　 復合材料壓縮試件破壞樣貌

圖9　 復合材料準靜態(tài)壓縮應力-應變曲線

通過分析由萬能試驗機和靜態(tài)應變儀分析系統(tǒng)得到的復合材料矩形試件的準靜態(tài)壓縮試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)試件曲線的彈性部分和最大載荷，得到相應的復合材料準靜態(tài)壓縮材料參數(shù)見表2所示。由表2可以看到，由于復合材料內(nèi)部采用了±45°交叉鋪層排列，試件在軸向和橫向的準靜態(tài)壓縮力學性能差別不大，符合有關文獻中對疊層復合材料力學性能特征的描述［13］。

表2　 復合材料準靜態(tài)壓縮力學性能

2.3 準靜態(tài)拉伸/壓縮曲線對比

通過對比復合材料準靜態(tài)拉伸與壓縮試驗分別得到的應力-應變曲線，如圖10所示。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，復合材料呈現(xiàn)出典型的拉壓各向同性特征，這與其±45°的鋪層方式密切相關。

圖10　復合材料準靜態(tài)拉伸/壓縮應力-應變曲線對比

3 　結論

通過對應用于某車型車身所采用的復合材料層合板開展準靜態(tài)拉伸和壓縮力學性能測試，得到了其相關材料力學性能參數(shù)，為該復合材料的設計和應用，以及隨后的數(shù)值仿真工作提供了所需的材料參數(shù)，并為復合材料準靜態(tài)力學性能測定提供了有效的試驗方法。試驗結果表明，該復合材料層合板在準靜態(tài)拉伸時呈現(xiàn)沿±45°方向和層間分離擠壓的斷裂失效模式，這與其內(nèi)部纖維鋪層方向是一致的。同時，由于在復合材料板材中加入了增韌和板材失效時起連接作用的芳綸纖維和玻璃纖維鋪層，該復合材料層合板的整體力學性能較常見CFRP板材，其彈性模量和強度性能均有所降低。

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Experimental Determination on Quasi-static Mechanical Property of Composite Laminate Used for Vehicle

Shi Yu1， Han Xiao2
（1. School of Science， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；2. Department of Engineering Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

Aimed at composite laminates applied in a new energy electric vehicle，a reliable tensile and compression testing method on composite laminates was presented by using universal testing machine and static strain analysis system，thus providing experimental data for the lightweight design and application of composite structures in automotive industry. The laminates consists of ±45° plies with two layers of carbon fiber，one layer of aramid fiber and two layers of glass fiber. The testing results show that the laminates perform a failure mode of ±45° crack and delamination，which could be attributed to its fibre direction inside. Meanwhile， as certain portion of aramid and glass fiber are used in the composites for toughness enhancement purpose，the laminate’s overall Young’s modulus and strength are relatively lower than the data of carbon fiber reinforced composites observed in published references.

composite；vehicle lightweight；mechanical testing；failure strength；elastic modulus

U466

A

1001-3539（2016）09-0092-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.020

*中國博士后科學基金面上項目（2015M581327），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目［DUT15RC（3）002］

聯(lián)系人：韓嘯，講師，碩士生導師，主要從事輕量化連接接頭多場耦合環(huán)境老化行為試驗設計和力學建模研究

2016-07-02