黃亞烽，孟憲明，吳 昊，張 賽，方 銳，鄭崇嵩，王 朋，楊智然

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

由于溫室效應(yīng)、能源危機(jī)和環(huán)境污染等全球性問題日益嚴(yán)重，作為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，交通領(lǐng)域尤其是汽車工業(yè)是節(jié)能減排的重中之重。整車輕量化不但能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，也是提升產(chǎn)品競爭力的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定和能夠大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，是整車輕量化中非常優(yōu)秀的材料選擇[1]。隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的低成本化進(jìn)程，碳纖維逐漸替代玻璃纖維成為整車輕量化的主題材料，在整車設(shè)計(jì)研發(fā)中占有越來越重要的地位[2]。

整車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用從表面覆蓋件逐漸拓展到內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，準(zhǔn)確表征碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比和應(yīng)變率效應(yīng)等靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，在整車安全研究、仿真設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用中具有越來越重要的意義。

碳纖維材料是典型的連續(xù)纖維復(fù)合材料，不同編織方式對(duì)其力學(xué)性能有非常大的影響，一般有如下幾種編織形式：單向帶編織、雙向平紋編織、斜紋編織、三維編織、緯編針編織和經(jīng)編針編織。碳纖維單向帶復(fù)合材料是指在經(jīng)向分布著大量碳纖維絲束，承擔(dān)材料的主要承載能力，在緯向上只有起固定作用的少量的碳纖維紗。本文對(duì)碳纖維單向帶6層層合板進(jìn)行測試分析，研究了0°和90°這2種加載方向的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[3-4]。

1 試驗(yàn)方法與試樣尺寸

1.1 試驗(yàn)方法

材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在CMT5205型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試精度為0.4%級(jí)，最大測試載荷為200 kN。動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)在HTM16020高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試精度為0.4%級(jí)，最大測試載荷為100 kN，測試速率為0～20 m/s。采用PHOTRON SA-Z高速相機(jī)采集試件全場變形信息，滿像素為1 024×1 024，最大采集頻率為220 000 FPS。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354—2014，動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 26203-2-2011[5]。

參考汽車實(shí)際使用工況中的應(yīng)變率范圍，除準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)外，動(dòng)態(tài)拉伸選定4種應(yīng)變率分別為：1/s、10/s、100/s和500/s[6]?？紤]碳纖維復(fù)合材料離散型，為保證測試數(shù)據(jù)可靠，適當(dāng)增加測試樣條數(shù)量[7]。由于碳纖維復(fù)合材料本身脆性較強(qiáng)，且斷裂位置難以提前確定，本文采用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)測試段全場力學(xué)行為進(jìn)行求解分析[8]。試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行噴斑處理，結(jié)合試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù)求解碳纖維復(fù)合材料層合板彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線等結(jié)果。

1.2 試樣尺寸

本文所用碳纖維單向帶材料層合板由6層國產(chǎn)T700碳纖維單向帶粘接而成，厚度為(1.9±0.1) mm。拉伸試件為矩形樣板試件，圖樣如圖1所示。為保證試件內(nèi)部纖維連續(xù)性，動(dòng)態(tài)拉伸試件僅開1個(gè)固定孔(見圖2)。

圖1 拉伸試件

圖2 動(dòng)態(tài)拉伸試件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 0°加載方向的性能分析

碳纖維單向帶材料在0°加載方向不同應(yīng)變率測試條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，斷裂前瞬時(shí)圖像如圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，材料在不同應(yīng)變率測試條件下曲線趨勢基本一致，在屈服之前處于完全彈性階段；隨后進(jìn)入塑性階段，載荷上升趨勢放緩，迅速達(dá)到抗拉強(qiáng)度；進(jìn)而整體突然劈裂破壞，整個(gè)試件未觀測到頸縮。曲線組真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要為彈性，塑性段很短，表現(xiàn)為硬質(zhì)脆性材料特性。隨著應(yīng)變率的升高，曲線整體出現(xiàn)上升趨勢,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量具有升高趨勢，最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 950 MPa。

圖3 0°加載方向試件真應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖4 斷裂前瞬時(shí)圖像

從碳纖維單向帶復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形分析上可以看出，0°主方向上排布著大量的纖維束，在0°加載過程中這些纖維束是主要的承載材料。隨著外載荷的增大碳纖維自身的抗力增加，當(dāng)達(dá)到纖維本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維束中的纖維絲由于本身隨機(jī)性在不同位置出現(xiàn)斷裂，此時(shí)的外載荷已超過樹脂基體及界面本身的承載能力，樹脂基體及界面隨之破壞，試件宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂特征[9]。由于碳纖維絲呈現(xiàn)的多位彈性材料特征，因此隨著測試應(yīng)變率的升高，其應(yīng)力滯后效應(yīng)比較顯著，表現(xiàn)為隨著應(yīng)變率的升高其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量均有升高趨勢。

2.2 90°加載方向的性能分析

碳纖維單向帶材料在90°加載方向不同應(yīng)變率測試條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，斷裂前瞬時(shí)圖像如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，材料在不同應(yīng)變率測試條件下曲線呈現(xiàn)的趨勢基本一致，與0°加載方向相比，在90°加載方向能夠觀測到較明顯的屈服點(diǎn)，材料在屈服之前處于完全彈性階段，隨后載荷上升趨勢放緩，出現(xiàn)平滑上升的塑性段，之后試件橫向斷裂，整個(gè)試件在試驗(yàn)測試中未觀測到明顯頸縮。真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與硬質(zhì)樹脂材料的力學(xué)特性類似，可見在90°加載方向上樹脂材料為主要的力的承載材料。隨著測試應(yīng)變率的升高，曲線整體、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢，最高抗拉強(qiáng)度為71 MPa，遠(yuǎn)小于0°加載方向的抗拉強(qiáng)度。

圖5 90°加載方向試件真應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖6 斷裂前瞬時(shí)圖像

從碳纖維單向帶復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形分析上可以看出，在碳纖維單向帶復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)中，除了碳纖維絲以外，其余都由基體樹脂組成，當(dāng)加載方向與碳纖維絲成90°方向時(shí)，樹脂基體是此碳纖維單向帶復(fù)合材料的主要承載材料，隨著外載荷增加，如果碳纖維絲與基體樹脂的界面粘合強(qiáng)度大于樹脂本身強(qiáng)度時(shí)，斷裂位置發(fā)生在樹脂內(nèi)部，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度為樹脂自身的強(qiáng)度，如果碳纖維絲與基體樹脂的界面粘合強(qiáng)度小于樹脂本身強(qiáng)度時(shí)，斷裂位置發(fā)生在碳纖維絲與基體樹脂的界面，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度為碳纖維絲與基體樹脂的界面強(qiáng)度。本文90°加載方向的抗拉強(qiáng)度為71 MPa，和樹脂本身的強(qiáng)度一致，斷裂發(fā)生在樹脂基體內(nèi)部[10]。

2.3 各項(xiàng)異性性能分析

依據(jù)試件全場應(yīng)變及以上結(jié)果，可求得2種加載方向上碳纖維單向帶復(fù)合材料的彈性模量和泊松比(見表1)。可見，0°加載方向上承載的碳纖維纖維束和90°方向上其基體和少量固定用纖維絲在強(qiáng)度及承載能力上差異較大，導(dǎo)致彈性模量差距超過15倍[11]。純樹脂軸向加載條件下會(huì)發(fā)生橫向變形，在90°加載條件下，橫向分布的碳纖維阻止基體頸縮進(jìn)而促使其發(fā)生橫向撕裂，這導(dǎo)致了90°加載條件下泊松比僅為0.012。

表1 碳纖維材料基本力學(xué)參數(shù)

0°與90°加載方向上的碳纖維單向帶復(fù)合材料在不同應(yīng)變率測試條件下的屈服強(qiáng)度值如圖7所示。從圖7中可以看出，碳纖維單向帶復(fù)合材料在0°與90°這2個(gè)加載方向上的屈服強(qiáng)度在每個(gè)應(yīng)變率的差距都很大。這種差異性是由于承載力主體材料力學(xué)性能不一致導(dǎo)致的，0°方向上主要承載材料為碳纖維絲，90°方向上主要承載材料為樹脂。另外，0°與90°這2個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的升高而增大，表現(xiàn)為應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。

圖7 不同加載方向各應(yīng)變率下屈服強(qiáng)度值

0°與90°加載方向上的碳纖維單向帶復(fù)合材料在不同應(yīng)變率測試條件下的抗拉強(qiáng)度值如圖8所示。從圖8中可以看出，碳纖維單向帶復(fù)合材料在90°與0°這2個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度在每個(gè)應(yīng)變率的差距都很大。這種差異性產(chǎn)生的原因與屈服強(qiáng)度相同。另外，90°與0°這2個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的升高而增大，表現(xiàn)為應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。0°方向上的抗拉強(qiáng)度最大值為1 950 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90°方向上抗拉強(qiáng)度最大值71 MPa。

圖8 不同加載方向各應(yīng)變率下抗拉強(qiáng)度值

0°與90°這2種加載方向上碳纖維單向帶復(fù)合材料不同應(yīng)變率測試條件下的斷裂伸長率如圖9所示。從圖9中可以看出，0°與90°這2種加載方向上碳纖維單向帶復(fù)合材料斷裂伸長率處于同一量級(jí)。0°加載條件下，碳纖維單向帶復(fù)合材料斷裂伸長率對(duì)應(yīng)變率敏感性較差，數(shù)值基本穩(wěn)定在0.016左右；90°加載條件下，碳纖維單向帶復(fù)合材料斷裂伸長率隨應(yīng)變率升高而增大。這種現(xiàn)象的原因是碳纖維單向帶復(fù)合材料在90°加載條件下斷裂主要是主方向纖維束阻止材料頸縮引起的橫向撕裂，應(yīng)變率升高出現(xiàn)的整體變形滯后性導(dǎo)致了斷裂伸長率隨應(yīng)變率增大而增大。對(duì)比分析各應(yīng)變率結(jié)果的差異，碳纖維單向帶復(fù)合材料在0°加載方向?qū)?yīng)變率敏感性主要表現(xiàn)為純彈性體的應(yīng)力滯后效應(yīng)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率升高而增大；90°加載方向應(yīng)變率敏感性較高，主要體現(xiàn)在塑性階段，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率升高增幅明顯。

圖9 不同加載方向各應(yīng)變率下斷裂伸長率

3 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)在0°和90°加載條件下，碳纖維單向帶復(fù)合材料彈性模量分別為99.7和6.02 GPa，泊松比分別為0.33和0.012。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)切實(shí)考慮其各向異性的巨大差異。

2)不同應(yīng)變率條件下，0°加載方向主要體現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差異，斷裂伸長率基本保持一致；90°加載方向屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率均隨應(yīng)變率升高而增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)考慮不同碰撞工況下的力學(xué)性能差異。

3)碳纖維材料不同細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)性能具有決定性影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)使用中，應(yīng)充分考慮不同編織及鋪層方式導(dǎo)致的力學(xué)性能差異。

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