李曄，張連旺，張堯州，鐘翔嶼，包建文

(1.航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300; 2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300;3.先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101300)

0 引言

碳纖維具有高強(qiáng)、高模、輕質(zhì)等特點(diǎn)，以其為增強(qiáng)體制備的復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、體育器材等領(lǐng)域[1]。T300級、T700級等碳纖維復(fù)合材料已有較充分的研究與應(yīng)用[2]；T800級碳纖維為高強(qiáng)中模型碳纖維，與T300級碳纖維相比，其纖維拉伸強(qiáng)度提高了50%以上，拉伸模量提高20%以上，由于性能優(yōu)異，美歐等相繼在新研機(jī)型上大規(guī)模應(yīng)用了高強(qiáng)中模型碳纖維復(fù)合材料[3]。例如Boeing787在機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)上大量采用了高強(qiáng)中模型碳纖維復(fù)合材料[4]，但我國對于以國產(chǎn)T800級碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料應(yīng)用還處于起步階段。

樹脂傳遞模塑(resin transfer moulding，RTM)技術(shù)作為復(fù)合材料液態(tài)成型工藝中的典型代表，目前成為復(fù)合材料低成本化制造的主流技術(shù)之一[5]。由于RTM工藝可整體成型，故可以生產(chǎn)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高及外形尺寸穩(wěn)定性良好的復(fù)合材料構(gòu)件，這樣減少了緊固件數(shù)量、提高了裝配精度及降低了裝配成本，在復(fù)合材料低成本制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。

鑒于國產(chǎn)T800級碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能及RTM工藝的低成本制造技術(shù)，本文主要研究以國產(chǎn)T800級碳纖維單向簾子布U-8190為增強(qiáng)體，AC520RTM液態(tài)成型環(huán)氧樹脂為基體，采用RTM工藝成型的復(fù)合材料的力學(xué)性能，為AC520RTM/ U-8190復(fù)合材料推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

增強(qiáng)材料：國產(chǎn)T800單向簾子布U-8190，面密度190 g/cm3，威海拓展纖維有限公司；樹脂基體：AC520RTM液態(tài)成型環(huán)氧樹脂，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

1.2 設(shè)備及工裝

鼓風(fēng)干燥箱：溫度范圍室溫～250 ℃，內(nèi)容積(深×寬×高)800 mm×1 000 mm×600 mm，成都天宇試驗(yàn)設(shè)備有限責(zé)任公司。

1.3 AC520RTM/U-8190復(fù)合材料制備

將模具、注膠罐和管路系統(tǒng)放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度至60～90 ℃，將AC520RTM樹脂加入注膠罐(已預(yù)熱至60～90 ℃)中抽真空(真空度不低于-0.08 MPa)40～60 min，以脫除樹脂中的氣泡；打開注膠閥門通過壓縮空氣進(jìn)行AC520RTM樹脂注射，觀察出膠口的出膠情況。若出膠口處溢出的樹脂中有氣泡，則保持流膠，待出膠無氣泡后，關(guān)閉該出膠口，直至全部出膠口關(guān)閉；注射完成。撤去注膠系統(tǒng)，開始升溫固化；固化時間180 ℃×3 h。固化完成后關(guān)閉加熱和鼓風(fēng)，模具隨爐冷卻，脫模后取出平板試驗(yàn)件。

1.4 力學(xué)測試

試驗(yàn)設(shè)備：電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)型號Instron5982，精度：0.5級。試驗(yàn)環(huán)境溫度23 ℃±3 ℃，濕度≤60%。0 °、90 °拉伸試驗(yàn)件加工及測試參照ASTM D3039—2000，0 °壓縮參照SACAM R1—1994，90 °壓縮試驗(yàn)件加工及測試參照ASTM D6641—2009，開孔拉伸試驗(yàn)件加工及測試參照ASTM D5766—2011，開孔壓縮試驗(yàn)件加工及測試參照ASTM D6484—2009進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

復(fù)合材料的力學(xué)性能是評價其使用性能的最重要的性能，本文分別從0 °/90 °拉伸性能、0 °/90 °壓縮性能、開孔拉伸及開孔壓縮性能分析了AC520RTM/U-8190復(fù)合材料在上述性能中表現(xiàn)出的特點(diǎn)。0 °拉伸及0 °壓縮板材鋪層順序?yàn)閇0]6，采用RTM工藝制備的4種厚度的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量如圖1，對于無損檢測圖像，在紅色偏白、紅色和橙色區(qū)域，纖維與樹脂界面結(jié)合良好，沒有孔隙和分層，在黃色、綠色或藍(lán)色區(qū)域，表示板材內(nèi)部存在不同程度的密集孔隙、孔洞或分層缺陷。從板材C-掃結(jié)果可知厚度為1.25 mm、1.16 mm、0.98 mm復(fù)合材料板件內(nèi)部質(zhì)量良好，厚度為0.94 mm內(nèi)部質(zhì)量較差。

圖1 四種(1.25 mm 、1.16 mm、0.98 mm、0.94 mm)厚度板材內(nèi)部質(zhì)量檢測圖像

復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)與單層厚度滿足

(1)

式中：t——單層厚度，mm；

m——織物面密度，g/m2；

ρ——纖維體密度g/m3；

v——纖維體積含量。

由于單層厚度與纖維體積分?jǐn)?shù)成反比，試樣厚度越小，纖維體積含量越高。隨著纖維體積含量的上升，預(yù)成型體中纖維束內(nèi)及纖維束間的自由空間變得更小，樹脂基體難以完全浸漬預(yù)成型體。此時會在纖維束內(nèi)或纖維束間出現(xiàn)干紗或干斑，此種狀態(tài)下獲得的拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)不能真實(shí)體現(xiàn)復(fù)合材料的性能。從上述試驗(yàn)結(jié)果基本可獲得AC520RTM/U-8190復(fù)合材料板材纖維體積含量上限為68%。纖維體積含量高于68%時，采用RTM工藝成型的復(fù)合材料板材貧膠現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部會出現(xiàn)分層、密集孔隙、孔洞等缺陷。

內(nèi)部質(zhì)量無缺陷的板材0 °拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，厚度1.25 mm的試樣的拉伸強(qiáng)度為1 857 MPa，厚度1.16 mm的試樣的拉伸強(qiáng)度為2 336 MPa，厚度0.98 mm的試樣的拉伸強(qiáng)度為2 467 MPa。這表明相同鋪層狀態(tài)下，試樣厚度越小，0 °拉伸強(qiáng)度越高。因?yàn)樵嚇雍穸仍叫。S體積含量越高，復(fù)合材料的0 °拉伸強(qiáng)度主要由纖維增強(qiáng)體控制，所以隨著纖維體積含量的上升，0 °拉伸強(qiáng)度越高。

圖2 不同厚度試樣0 °拉伸強(qiáng)度對比

圖3 1.25 mm厚度拉伸試樣宏觀破壞狀態(tài)

圖4 0.98 mm厚度拉伸試樣宏觀破壞狀態(tài)

圖5 1.25 mm拉伸試樣微觀截面狀態(tài)

圖6 0.98 mm拉伸試樣微觀截面狀態(tài)

圖3、圖4為試樣厚度為1.25 mm及0.98 mm的拉伸破壞模式，圖3中斷裂口較為整齊，厚度1.25 mm的纖維體積含量為51.3%，此時纖維束內(nèi)及束間的樹脂所占空間較大，纖維體份較低，拉伸強(qiáng)度較低。圖4為 0.98 mm的拉伸破壞模式，斷裂口較為參差不齊，纖維呈現(xiàn)為拔出狀態(tài)，更有利于發(fā)揮增強(qiáng)纖維的拉伸性能，0.98 mm厚度試樣纖維體積含量為65.3%，拉伸強(qiáng)度較高。進(jìn)一步將厚度為1.25 mm及0.98 mm樣品進(jìn)行微觀分析，從圖5、圖6可以看出2組試樣纖維增強(qiáng)體在復(fù)合材料的分布狀態(tài)，當(dāng)試樣厚度較大時，纖維在復(fù)合材料中所占體份較低，分布相對稀疏；厚度較小的纖維體份更高；排布更致密。同樣表明，當(dāng)纖維體份偏高時利于發(fā)揮纖維強(qiáng)度。

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料0 °壓縮強(qiáng)度，雖然其承載能力主要由纖維增強(qiáng)體提供，但其必須通過樹脂基體作為載體傳遞，反應(yīng)增強(qiáng)體與樹脂基體的界面結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)界面結(jié)合力越強(qiáng)，0 °壓縮強(qiáng)度越高。如圖7所示，厚度分別為0.98 mm、1.16 mm及1.25 mm板材，通過SACAM R1獲得的測試數(shù)據(jù)經(jīng)正則化處理為纖維體積含量為55%的標(biāo)準(zhǔn)厚度，0 °壓縮強(qiáng)度依次為1 471 MPa、1 432 MPa、1 404 MPa。對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料，樹脂基體與纖維增強(qiáng)體界面粘結(jié)效果較好。對于不同厚度試驗(yàn)件，0 °壓縮強(qiáng)度差異不明顯，基本不受厚度影響。

圖7 不同厚度試樣0 °壓縮強(qiáng)度對比

圖8 不同厚度試樣開孔拉伸強(qiáng)度對比

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的開孔拉伸性能，設(shè)計鋪層順序?yàn)閇45/0/-45/-90]2S，采用RTM工藝制得3種厚度的復(fù)合材料板材，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。厚度為2.88 mm、3.00 mm、3.21 mm對應(yīng)的開孔拉伸強(qiáng)度分別為485 MPa、 459 MPa、434 MPa，可見開孔拉伸強(qiáng)度同樣受纖維體積含量影響較大，開孔拉伸的承載狀態(tài)中主要由0 °方向的纖維增強(qiáng)體提供，隨著纖維體積含量的上升開孔拉伸強(qiáng)度提高。

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料開孔壓縮強(qiáng)度，分析了體積含量相同、厚度不同對于開孔壓縮強(qiáng)度的影響。圖9為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，厚度為3.04 mm，鋪層方式為[45/0/-45/-90]2S，開孔壓縮強(qiáng)度為278 MPa;厚度為4.56 mm，鋪層方式為[45/0/-45/-90]3S，開孔壓縮強(qiáng)度為294 MPa。兩種厚度開孔壓縮強(qiáng)度的差異在于試樣在承受受壓載荷過程中破壞模式不同。所有壓縮試驗(yàn)都害怕屈曲破壞，開孔壓縮也不例外。3.04 mm的試樣，由于試樣厚度較薄，試樣在受壓破壞之前已經(jīng)發(fā)生了屈曲破壞，開孔壓縮強(qiáng)度偏低；而對于4.56 mm的試樣，厚度的增加提高了試樣的剛度，改善了試樣受壓時的抗屈曲能力，與3.04 mm的試樣相比，開孔壓縮強(qiáng)度較高。

圖9 相同纖維體積含量不同厚度試樣開孔壓縮強(qiáng)度對比

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的90 °壓縮性能，分析了纖維體積含量相同條件下，不同厚度及是否粘貼加強(qiáng)片對90 °壓縮強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。厚度2.28 mm，鋪層方式為[0]12，粘貼加強(qiáng)片的90 °壓縮強(qiáng)度為184 MPa，不粘貼加強(qiáng)片的90 °壓縮強(qiáng)度為205 MPa；厚度3.42 mm，鋪層方式為[0]18，粘貼加強(qiáng)片的90 °壓縮強(qiáng)度為195 MPa，不粘貼加強(qiáng)片的90 °壓縮強(qiáng)度為218 MPa。相同鋪層狀態(tài)下，不粘貼加強(qiáng)片的試樣強(qiáng)度比粘貼加強(qiáng)片的高約10%；當(dāng)試樣貼片狀態(tài)相同時(兩種厚度試樣同時貼片或均不貼片)，試樣3.42 mm厚度的強(qiáng)度高于厚度為2.28 mm試樣，高于幅度約5%。當(dāng)試樣粘貼加強(qiáng)片時，加強(qiáng)片邊緣處與工作段的交界處的應(yīng)力集中，使得試樣受載時在應(yīng)力集中區(qū)提前破壞；不粘貼加強(qiáng)片時，直接消除了加強(qiáng)片固化產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免了試樣因應(yīng)力集中發(fā)生提前破壞，能夠較好地發(fā)揮試樣本身承載狀態(tài)。90 °壓縮性能同屬于壓縮范疇，厚度較大時剛性更好，抗屈曲能力更強(qiáng)，能更真實(shí)反映材料抗壓能力。

圖10 相同纖維體積含量不同厚度試樣90 °壓縮強(qiáng)度對比

圖11 不同厚度試樣90 °拉伸強(qiáng)度對比

采用RTM工藝制備的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料90 °拉伸性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。鋪層順序?yàn)閇0]12，厚度為2.08 mm、2.20 mm、2.28 mm的試樣90 °拉伸強(qiáng)度分別為68.5 MPa、67.3 MPa、72.2 MPa，復(fù)合材料90 °拉伸強(qiáng)度主要由樹脂基體性能控制，受材料厚度影響較小。

3 結(jié)論

(1)采用RTM工藝成型的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料纖維體積含量上限為68%，達(dá)到纖維體積分?jǐn)?shù)上限后，內(nèi)部會出現(xiàn)分層、密集孔隙或孔洞等缺陷。

(2)隨著纖維體積含量的上升，AC520RTM/U-8190復(fù)合材料0 °拉伸強(qiáng)度、開孔拉伸強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

(3)將AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的測試結(jié)果正則化處理，可知厚度對0 °壓縮強(qiáng)度基本沒有影響；90 °拉伸強(qiáng)度主要由樹脂基體控制，受厚度影響較小。

(4)AC520RTM/U-8190復(fù)合材料90 °壓縮強(qiáng)度、開孔壓縮強(qiáng)度受厚度影響較大。厚度較大時，抗屈曲破壞能力較好，承受壓縮載荷能力較強(qiáng)。