王海嬌，李嘉祿

(1.天津工業(yè)大學(xué)，天津300387;2.天津市和教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點實驗室，天津300387)

纖維增強樹脂基復(fù)合材料由于具有高強度、高模量等優(yōu)點，在汽車工業(yè)、航空航天、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著纖維樹脂基復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用于激光防御、高溫保護等具有熱源的環(huán)境中，使得人們對樹脂基復(fù)合材料在高溫下的性能關(guān)注不斷提升，對其在高溫下的力學(xué)、電學(xué)等性能進(jìn)行研究。

本文對平紋碳布增強環(huán)氧樹脂基層合復(fù)合材料在不同溫度和加熱時間下的壓縮性能進(jìn)行了研究，分析了溫度和加熱時間對層合復(fù)合材料壓縮性能的影響。

1　實驗部分

1.1實驗材料

本課題所用的實驗材料為環(huán)氧樹脂基層合復(fù)合材料,所有試件都是在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制成。

層合復(fù)合材料所用的織物是T700-12K碳纖維平紋織物，此織物經(jīng)向和緯向的紗線密度都是2.5 根/cm,平方米克重為400 g/cm2。采用TDE-86環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化。

1.2試件制備

所制得試件規(guī)格參數(shù)如表1所示，根據(jù)表1中的參數(shù)，將碳布裁成模具大小(360 mm×160 mm)的26塊，放入到模具中，再利用RTM工藝進(jìn)行固化，固化之后按照試驗要求的尺寸進(jìn)行切割。

表1　試件規(guī)格參數(shù)

1.3實驗方法

本課題重點研究常溫和120℃下層合復(fù)合材料壓縮性能的變化，以及同樣溫度不同加熱持續(xù)時間對層合復(fù)合材料壓縮性能的影響。因此在常溫和120℃下對試件加熱15 min、600 min、1800 min、3000 min后測試試件的壓縮性能。

在帶有恒溫箱的日本島津(SHIMADZU)公司的 AG-250KNE 型萬能材料試驗機(見圖1)上對試樣進(jìn)行壓縮性能的測試。在高溫環(huán)境中加熱時間為15 min的試驗，是將試件放在萬能試驗機的恒溫箱中進(jìn)行加熱。將傳感器放在試件上，當(dāng)傳感器測出試件的溫度達(dá)到試驗溫度且在恒溫箱主機的屏幕上顯示出的溫度穩(wěn)定時，開始記時，15 min后進(jìn)行壓縮試驗。在高溫環(huán)境中加熱時間為600 min、1800 min、3000 min這三種試驗條件下對試件進(jìn)行加熱是在DL-101電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行長時間加熱的。將電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱設(shè)定為試驗要求的溫度并在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱達(dá)到試驗溫度并穩(wěn)定時進(jìn)行記時，當(dāng)快達(dá)到需要的時間時，將萬能材料試驗機打開，對試驗環(huán)境加熱到要求的溫度，當(dāng)達(dá)到600 min、1800 min或3000 min后將試件用隔熱手套快速取出放在萬能材料試驗機中的壓縮夾具上，同時將傳感器也放在試件上，關(guān)上試驗機的烘箱箱體門，當(dāng)看到恒溫箱主機上的溫度穩(wěn)定后進(jìn)行壓縮試驗。測試時的加載速度為2 mm/min。在每一種相同的狀態(tài)下，測試了三個試件。

圖1　AG-250KNE 型萬能材料試驗機

2　實驗結(jié)果和分析

2.1不同溫度和加熱持續(xù)時間下層合復(fù)合材料的壓縮性能

圖2　不同溫度和加熱時間下層合的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3　120°時不同的加熱時間下的壓縮強度保留率

層合復(fù)合材料在常溫下和120℃時不同的加熱持續(xù)時間下的壓縮強度和模量(三個試件的平均值)如表2所示。在常溫下和120℃時不同的加熱持續(xù)時間下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，在120℃時不同加熱時間下的壓縮強度的保留率如圖3所示。壓縮強度保留率是：

(1)

R—壓縮強度保留率, 單位百分比(%)；

σc1—不同溫度下不同持續(xù)時間下試件的彎曲強度(MPa)；

σc0—常溫下試件的彎曲強度(MPa)。

從圖2和表2中可以看出，120℃下試件的壓縮強度均低于常溫下的壓縮強度；同樣在120℃下，加熱時間的長短也會影響試件的壓縮強度。由圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)試件在120℃下加熱1800 min的壓縮強度保留率為80.80%，與在同一溫度下其他時間試件的壓縮強度相比最高；其次是加熱3000 min試件的壓縮強度保留率為74.34 %；再次是加熱600 min試件的壓縮強度，其保留率為59.18%；放置15 min試件的壓縮強度保留率最小，為30.55%。

表2　不同溫度和加熱持續(xù)時間下的壓縮強度和彈性模量

造成高溫下不同加熱時間時試件壓縮強度保留率變化的主要原因是：在120℃加熱15 min，這是由于材料剛進(jìn)入高溫環(huán)境，熱量傳遞比較緩慢，導(dǎo)致材料的溫度分布由外到內(nèi)不均勻，材料的力學(xué)性能變化較大，從而壓縮強度下降較大。隨著加熱持續(xù)到600 min時，材料的溫度分布變得均勻而使得材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且試件基體中的樹脂發(fā)生了后固化，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為規(guī)整,分子之間結(jié)合更為致密，所以壓縮強度開始上升。當(dāng)加熱時間超過一定范圍到達(dá)3000 min后，試件長時間承受高溫會使樹脂的內(nèi)分子鏈發(fā)生變化，從而壓縮強度又開始下降，所以3000 min時層合板的壓縮強度比1800 min的時候低。

從表2中可以看出，隨著溫度升高，試件的壓縮彈性模量下降，隨著加熱持續(xù)時間的增加，壓縮彈性模量也表現(xiàn)出下降的趨勢。

2.2不同溫度和加熱持續(xù)時間下層合復(fù)合材料的壓縮破壞形貌

圖4中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為層合復(fù)合材料在常溫時和在120℃下加熱持續(xù)時間為15 min，600 min，1800 min，3000 min時的側(cè)面壓縮破壞形貌。從(a)圖中，可以看出在常溫下主要表現(xiàn)為分層破壞，試件出現(xiàn)比較多的分層部位，局部出現(xiàn)了纖維斷裂的現(xiàn)象。從(b)圖中可以看出在120℃下加熱持續(xù)時間為15 min時試件發(fā)生了較少的分層破壞，在側(cè)面出現(xiàn)了較明顯的由于纖維折斷而出現(xiàn)的剪切破壞特征。從圖(c)、(d)、(e)中看出，隨著加熱時間的增加，試件的纖維斷裂分層增多，試件的破壞變得嚴(yán)重。而在試驗的過程中，試件基本都沒有聲響，直到試件斷裂瞬間，才突然發(fā)出較大的樹脂開裂和纖維斷裂的聲音，承受載荷的能力突然降低，表現(xiàn)出脆性破壞的特點。

圖4　層合復(fù)合材料在常溫下和120℃下不同加熱持續(xù)時間下壓縮后的側(cè)面形態(tài)

3　結(jié)論

3.1在120℃時不同的加熱持續(xù)時間下，層合復(fù)合材料的壓縮強度與常溫時相比，都有不同程度的降低。

3.2在120℃下加熱不同時間時，層合復(fù)合材料的壓縮強度都出現(xiàn)了下降，在120℃下放置15 min、600 min、1800 min、3000 min后壓縮強度保留率分別為30.55%、59.18%、80.80%和74.34%，可以發(fā)現(xiàn)隨著加熱持續(xù)時間的增加，壓縮強度保留率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

3.3在120℃時不同的加熱持續(xù)時間下，層合復(fù)合材料的壓縮彈性模量較常溫時的壓縮彈性模量都出現(xiàn)下降，在120℃下隨加熱時間的增加層合復(fù)合材料的壓縮彈性模量出現(xiàn)下降趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓小平，鄭長卿. 玻璃布-環(huán)氧層合板在不同溫度下沖擊拉伸斷裂行為壞機理的研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，1998,17(4)：642—648.

[2]陳明，龍連春，陳眾迎，等.復(fù)合材料高溫強度測試分析及數(shù)值模擬[J].材料導(dǎo)報，2010，24(7)：81—84.

[3]J.M.L. Reis， J.L.V. Coelho， A.H. Monteiro，H.S. da Costa Mattos. Tensile behavior of glass/epoxy laminates at varying strain rates and temperatures[J].Composites: Part B，2012,(43)：2041—2046.

[4]N.V.De Carvalho，S.T.Pinho，P.Robinson.An experimental study of failure initiation and propagation in 2D woven composites under compression[J].Composites Science and Technology，2011，(71)：1316—1325.

[5]李嘉祿,賀桂芳,陳光偉.溫度對三維五向編織/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸性能影響[J].復(fù)合材料學(xué)報，2010，26(7)：58—62.

[6]張艷萍,熊金平,左禹.碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱氧老化機理[J].北京化工大學(xué)學(xué)報, 2007, 34(5):523—539.