孫閃閃，方允偉，文治天

（南京國材檢測(cè)有限公司，南京 210012）

0 前言

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、加工成型方便、熱穩(wěn)定性能、抗疲勞性能和減振性能好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天［1，2］、航海、風(fēng)力發(fā)電、汽車、化工、紡織、電子電氣、壓力容器、建筑、體育休閑等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。碳纖維等高性能纖維作為國家重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵材料，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性材料。CFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于纖維的性能、樹脂的性能和復(fù)合材料的界面性能等。復(fù)合材料的界面是指復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體樹脂接觸所構(gòu)成的界面，復(fù)合材料的界面性能對(duì)材料的綜合性能有重要的影響［3］，良好的界面性能能夠避免材料在受力過程中過早的破壞，從而充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的承載能力?？v橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均表征的是復(fù)合材料層與層之間的剪切性能，反映的是復(fù)合材料層與層之間產(chǎn)生相對(duì)滑位移時(shí)所產(chǎn)生抵抗的能力，從一個(gè)應(yīng)用的角度反映了復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體之間的界面強(qiáng)弱，不同的是縱橫剪切強(qiáng)度采用±45°偏軸拉伸的方法進(jìn)行測(cè)試，而短梁層間剪切強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲的方法進(jìn)行測(cè)試。

CFRP在工程應(yīng)用中，不可避免地受到嚴(yán)寒、酷暑等周圍特殊環(huán)境的影響，在特殊環(huán)境中復(fù)合材料的界面性能會(huì)出現(xiàn)不同變化，使CFRP的力學(xué)性能也呈現(xiàn)不同的變化。不少學(xué)者在高低溫老化對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料剪切性能的影響方面做了研究，比如張婷等研究了溫度、高低溫循環(huán)及凍融循環(huán)對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合層板層間性能的影響［4］，張玲峰等研究了纖維布、剪切面、溫度對(duì)多軸向拉擠復(fù)合材料面內(nèi)抗剪性能的影響［5］，葉國方等在研究耐高溫環(huán)氧樹脂及其預(yù)浸料的制備與性能時(shí)對(duì)其層間剪切性能做了分析研究［6］。本文對(duì)T800碳纖維增強(qiáng)塑料在-50 ℃、-40 ℃、23 ℃、70 ℃、120 ℃、150 ℃和200 ℃溫度下分別進(jìn)行縱橫剪切性能和短梁層間剪切性能測(cè)試，由此分析研究溫度對(duì)復(fù)合材料剪切性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

T800碳纖維增強(qiáng)塑料，紗線沿0°方向鋪制的單向板材用以短梁層間剪切試驗(yàn)，依據(jù)JC/T773-2010《纖維增強(qiáng)塑料 短梁法測(cè)定層間剪切強(qiáng)度》制備短梁層間剪切試驗(yàn)試樣，試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm。紗線沿±45°方向鋪制的層合板用以縱橫剪切試驗(yàn)，依據(jù)GB/T3355-2014《聚合物基復(fù)合材料縱橫剪切試驗(yàn)方法》制備縱橫剪切試驗(yàn)試樣，試樣尺寸為250 mm×25 mm×4 mm，不粘貼加強(qiáng)片。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)：量程：100 kN，精度：0.5級(jí)，進(jìn)口；

高低溫試驗(yàn)箱：工作溫度范圍：-70~350 ℃，進(jìn)口。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)依據(jù)溫度（-50，-40，23，70，120，150和200 ℃）和測(cè)試性能（縱橫剪切和短梁層間剪切）共設(shè)計(jì)14組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)均為5個(gè)，并計(jì)算每組試驗(yàn)的平均值、變異系數(shù)和性能保持率，其中性能保持率是指該性能測(cè)試的平均值與23 ℃常溫下該性能測(cè)試平均值的百分比。具體設(shè)計(jì)試驗(yàn)矩陣如表1所示。

表1 CFRP高低溫性能設(shè)計(jì)試驗(yàn)矩陣

縱橫剪切性能和短梁層間剪切性能分別依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3355-2014和JC/T773-2010進(jìn)行測(cè)試，在進(jìn)行測(cè)試前，將試驗(yàn)環(huán)境箱和試驗(yàn)夾具預(yù)熱到所需的測(cè)試溫度，再將試樣安裝在夾具中，關(guān)上環(huán)境箱，待溫度達(dá)到測(cè)試溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫5~10 min后開始測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)束后記錄每根試樣的強(qiáng)度，檢查試樣失效模式，剔除破壞模式不可接受的數(shù)據(jù)。

1.4 性能表征與計(jì)算

1.4.1 縱橫剪切性能

縱橫剪切強(qiáng)度依據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

S——縱橫剪切強(qiáng)度，MPa；

Pmax——剪應(yīng)變等于或小于5%的最大載荷，N；

w——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

1.4.2 短梁層間剪切性能

短梁層間剪切強(qiáng)度依據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

τ ——剪切強(qiáng)度，MPa；

Pmax——破壞載荷或最大載荷，N；

w——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

CFRP 縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度在不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，縱橫剪切強(qiáng)度隨溫度的變化曲線如圖1所示。短梁層間剪切強(qiáng)度隨溫度的變化曲線如圖2所示。

圖1 縱橫剪切強(qiáng)度隨溫度的變化

圖2 短梁層間剪切強(qiáng)度隨溫度的變化

表2 剪切性能測(cè)試結(jié)果

分析測(cè)試結(jié)果可知，溫度由23 ℃降低至-40 ℃和-50 ℃后縱橫剪切強(qiáng)度由97.97 MPa升高到124.7 MPa和132.3 MPa，分別提高了27.2%和35.0%；短梁層間剪切強(qiáng)度由111.4 MPa升高到128.9 MPa和133.3 MPa，分別提高了15.7%和19.6%，即隨溫度降低至-40 ℃和-50 ℃時(shí)縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均有顯著提高。這主要是由于碳纖維和基體樹脂的熱膨脹系數(shù)存在差異，基體樹脂的熱膨脹系數(shù)大于碳纖維的熱膨脹系數(shù)使碳纖維在低溫環(huán)境下會(huì)受到樹脂的夾緊力，即增加了基體與纖維的結(jié)合度，形成了強(qiáng)界面，提高了界面的相容性［7，8］，提高了纖維和樹脂間層間性能，即提高了縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度。

當(dāng)溫度由23 ℃升高至70 ℃時(shí)，縱橫剪切強(qiáng)度由97.97 MPa升高到98.20 MPa，提高了0.2%，短梁層間剪切強(qiáng)度由111.4 MPa升高到112.4 MPa，提高了0.9%；當(dāng)溫度升高至120 ℃、150 ℃和200 ℃高溫時(shí)，縱橫剪切強(qiáng)度降低到61.68 MPa、53.71 MPa和46.80 MPa，分別降低了37.0%、45.2%和52.2%，短梁層間剪切強(qiáng)度降低到68.17 MPa、56.16 MPa和46.48 MPa，分別降低了38.8%、49.6%和58.3%，即溫度升高至70 ℃時(shí)縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度基本不變，溫度達(dá)到120 ℃時(shí)縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均顯著降低，溫度由120 ℃升高至150 ℃以及持續(xù)升至200 ℃時(shí)縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。這主要是由于溫度在70 ℃時(shí)纖維增強(qiáng)體和基體樹脂間的界面結(jié)合效果幾乎不變，即碳纖維增強(qiáng)塑料的界面性能幾乎不變，溫度升高至120 ℃時(shí)，由于基體樹脂的模量變小使基體樹脂軟化明顯、基體樹脂的粘結(jié)力降低使基體樹脂和纖維間的結(jié)合力下降，從而降低了纖維與基體樹脂間的層間性能，即降低了碳纖維增強(qiáng)塑料的界面性能。隨著溫度升高至200 ℃，碳纖維增強(qiáng)塑料中的纖維與基體樹脂間的界面結(jié)合效果越來越弱，其縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度顯著下降。

縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度性能保持率隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 性能保持率隨溫度變化折線圖

分析圖3可知，隨溫度的變化縱橫剪切強(qiáng)度性能保持率整體變化趨勢(shì)與短梁層間剪切強(qiáng)度性能保持率整體變化趨勢(shì)基本一致，溫度由-50 ℃升高至23 ℃，再升高至200 ℃，在整個(gè)過程中隨著溫度的升高，縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。由于基體樹脂和增強(qiáng)體纖維之間的熱膨脹系數(shù)的不同，隨著溫度的升高，將導(dǎo)致兩者之間的粘接力下降、基體樹脂軟化，使碳纖維增強(qiáng)塑料層與層之間的剪切強(qiáng)度降低，從而使CFRP的縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均隨溫度的升高而大幅度下降。

3 結(jié)論

（1）溫度由23 ℃降低至-40 ℃和-50 ℃時(shí)由于基體樹脂的熱膨脹系數(shù)大于碳纖維的熱膨脹系數(shù)使碳纖維在低溫環(huán)境下會(huì)受到樹脂的夾緊力，改善了基體樹脂與纖維的界面結(jié)合效果，使縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均有明顯提高。

（2）當(dāng)溫度由23 ℃升高至70 ℃時(shí)纖維增強(qiáng)體和基體樹脂間的界面結(jié)合效果幾乎不發(fā)生變化，因此縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度無顯著變化；

（3）當(dāng)溫度升高至120，150和200 ℃時(shí)，纖維與基體樹脂間的界面結(jié)合效果顯著變?nèi)?，因此縱橫剪切強(qiáng)度和短梁層間剪切強(qiáng)度均顯著降低。

（4）溫度在-50~200 ℃范圍內(nèi)，在整個(gè)過程中隨著溫度的升高，碳纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切強(qiáng)度整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，短梁層間剪切強(qiáng)度同樣整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，隨溫度的變化縱橫剪切強(qiáng)度性能保持率整體變化趨勢(shì)與短梁層間剪切強(qiáng)度性能保持率整體變化趨勢(shì)基本一致。