摘 要：為了解拼接和搭接鋪層對碳纖維復合材料結構的力學性能的影響，設計了7組不同的拼接和搭接鋪層試驗件，根據(jù)ASTMD3039標準進行拉伸試驗。結果表明，結構設計鋪層時，應以拼接鋪層為主，對厚度無嚴格要求的區(qū)域，可采用搭接鋪層。

關鍵詞：拼接；搭接；碳纖維復合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.011

0 引言

碳纖維復合材料由于其優(yōu)越的比強度、比剛度和可設計性，廣泛應用于航空航天、船舶工程、建筑工程、機械制造等不同領域，尤其是在航空航天飛行器上得到廣泛應用，并逐漸由次承力構件發(fā)展到主承力結構[1-2]。當前大部分的先進復合材料產(chǎn)品都是由預浸料鋪迭后固化而成的。預浸料成型工藝主要有熱壓罐技術與非熱壓罐技術，由于熱壓罐預浸料成型費用昂貴，所以非熱壓罐技術得到了很大的發(fā)展[3-4]。由于很多結構件外形復雜，在進行預浸料鋪迭時，需要對預浸料進行裁剪，之后再進行鋪迭，在處理鋪迭縫一般采用的就是拼接與搭接鋪層，這樣必然會影響結構的力學性能。本文碳纖維織物預浸料鋪迭角度出發(fā)，探討拼接與搭接鋪層對碳纖維復合材料性能的影響[6-8]。

1 試驗過程與方法

1.1 試樣制備

本試驗的試驗材料為某國產(chǎn)T300織物預浸料。采用非熱壓罐預浸料成型技術中的OOA工藝對織物預浸料進行鋪貼，固化制備試驗件。試驗件共分為7組，一組典型鋪層形式試驗件、三組不同拼接鋪層形式試驗件和三組不同搭接鋪層形式試驗件，試驗件為250mm，寬為25mm，厚為2mm的典型層合板，碳纖維織物預浸料鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]。

1.2 試驗方法

采用ASTMD3039標準，通過萬能試驗機對試驗件進行拉伸試驗，試驗件兩端固定在試驗機夾具上，試驗時需對每個試驗件進行應變測量。為了減小試驗誤差，對每組試驗進行6次試驗，對比多次試驗數(shù)據(jù)，尋找普遍規(guī)律。

2 試驗結果與討論

2.1 典型鋪層形式試驗

典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預浸料鋪設而成，此組試驗為6根試驗件，試驗數(shù)據(jù)見下表2.1所示。

根據(jù)ASTMD3039標準，對表中破壞模式說明：LAB為試驗件夾持段破壞、LWB為試驗件過渡段破壞、LGM為試驗件中部破壞。破壞形式見圖2.1-2.3所示。從此組試驗破壞模式可以看出，由于典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預浸料鋪設而成，破壞位置隨機。

2.2 拼接鋪層形式試驗

拼接鋪層共分三組試驗，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進行斷開拼接鋪層，拼接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進行斷開拼接鋪層，第五層拼接在試驗件正中間，第三層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進行斷開拼接鋪層。拼接位置如下圖2.4所示。第五層拼接在試驗件正中間，第三層與第七層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，分別在第五層拼接縫的兩側。如下圖所示。

試驗數(shù)據(jù)見表2.2-2.4所示。

把這三組拼接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值進行對比，見下表2.5所示。

從表2.5可得，拼接鋪層會降低試驗件的力學性能，且隨著拼接層數(shù)的增加，試驗件的最大破壞載荷與最大應變逐漸變??；從破壞模式來看，試驗全部在試驗件中間位置破壞。

2.3 搭接鋪層形式試驗

搭接試驗件共分三組試驗件，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進行斷開搭接鋪層，搭接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層與第七層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，分別在第五層搭接縫的兩側。搭接位置如下圖2.5所示。

試驗件數(shù)據(jù)表2.6-2.8所示。

把這三組搭接試驗件與典型試驗件數(shù)據(jù)的平均值對比，見下表2.9所示。

從表2.9中可知，搭接鋪層也會降低試驗件的力學性能，但隨著拼接層數(shù)的增加，試驗件的力學性能下降無規(guī)律且力學性能下降不明顯。從破壞模式來看，第一組試驗都是在試驗件中間破壞，其他兩組試驗件破壞位置也像典型鋪層試驗件一樣隨機出現(xiàn)在試驗件的各個區(qū)域。

3 結語

根據(jù)上述研究可以得出以下結論：

（1）拼接與搭接試驗件相比典型試驗件力學性能會有所下降。

（2）從拼接試驗件數(shù)據(jù)可以看出，力學性能下降值在可接受范圍內(nèi)，故實際鋪層時主要以拼接為主。

（3）拼接試驗件隨著拼接縫數(shù)量的增加，力學性能也逐漸下降。所以碳纖維復合材料結構件采用拼接鋪層時，在結構件的一定區(qū)域內(nèi)，應盡可能的使拼接縫相互遠離，使拼接縫產(chǎn)生的缺陷不相互影響。

（4）搭接試驗件的力學性能優(yōu)于拼接試驗件，但搭接鋪層會使鋪層區(qū)的厚度增加且不厚度不均勻，在對厚度沒有嚴格要求的區(qū)域可采用。

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作者簡介：李澄（1988-），男，江蘇丹陽人，碩士，助教，研究方向：復合材料結構設計。