王亮迪　許英杰　王駿　劉艷龍

摘要：? ? ? 針對碳纖維樹脂基復合材料抗沖擊性能差的問題， 本文提出了一種內嵌超彈性形狀記憶合金絲的碳纖維樹脂基復合材料（SMA-CFRP）。 采用熱壓罐成型工藝， 選用SMA鋪設層數、 SMA鋪設方向兩個參數成型了4種CFRP復合材料樣件， 分別對其進行了單軸拉伸、 低速沖擊及三點彎曲試驗。 由于超彈性SMA絲具有獨特的相變機制， 在試驗加載過程中， 承受了準靜態(tài)或動態(tài)載荷并吸收了部分能量， 因此相較于CFRP， SMA-CFRP的極限拉伸強度最高提升了7.71%， 且抗沖擊性能顯著提升。 試驗結果表明， 內嵌超彈性SMA能顯著改善CFRP在準靜態(tài)和低速沖擊載荷下的力學性能。

關鍵詞：? ? ?形狀記憶合金； 碳纖維樹脂； 復合材料； 單軸拉伸試驗； 低速沖擊試驗； 三點彎曲試驗中圖分類號：? ? ? TJ760; V257

文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2023）02-0070-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0243

0引言

碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer， CFRP）具有高比強度、 比剛度， 輕量化， 耐腐蝕等優(yōu)點， 被廣泛應用于航空航天、 汽車、 機械電子和生物醫(yī)學領域［1］。 在航空領域， 美國的波音787、 歐洲的空客A35等客機越來越多地使用復合材料， 占結構重量的50%以上。 其中CFRP常用于翼盒、 水平和垂直穩(wěn)定器以及翼板等結構中［2］。 CFRP雖然極具優(yōu)點， 但其在抗沖擊加載過程中， 只能耗散很小的應變能， 導致復合材料的抗沖擊性能較差， 容易發(fā)生分層損傷、 纖維斷裂甚至結構失穩(wěn)。 實踐中， 提高碳纖維增強復合材料的抗沖擊性能一直是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

近年來， 許多學者開始利用智能材料改善和增強復合材料的結構性能。 智能材料具有獨特的性質， 在外界激勵（如力、 熱、 電或磁）的作用下， 他們的相或性能會發(fā)生變化［3］。 其中形狀記憶合金（Shape Memory Alloy， SMA）特有的相變機制可以使其在一定的熱力載荷下表現(xiàn)出超彈性。 該特性宏觀上表現(xiàn)為在外力作用下， 受到非線性大變形后可自行恢復。 除此之外， 由于其獨特的內滯回效應， 在加卸載過程中還會消耗大量能量。 因此形狀記憶合金被廣泛用于各種減振吸能領域， 在提高復合材料抗沖擊性能方面同樣具有廣闊的前景。

Choi等人研究了SMA鋼絲復合玻璃纖維增強環(huán)氧復合梁的屈曲行為。 加載的梁在溫度升高后， 導致了SMA絲的相變。 試驗結果表明， 復合材料的屈曲可以通過絲內的相變來控制［4］。 De Araújo等人進行了埋入式SMA絲驅動器的單軸碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的三點彎曲試驗， 研究了SMA絲驅動器對復合材料撓度的影響［5］。 Taheri-Behrooz等人通過試驗表征了SMA絲增強玻璃/環(huán)氧層壓板在靜載作用下的行為， 討論了SMA體積分數和溫度對復合材料整體行為的影響［6］。 Aurrekoetxea等人討論了SMA絲對碳纖維增強聚對苯二甲酸丁二烯復合材料低速沖擊行為的影響。 試驗結果表明， SMA可以提高復合材料的最大吸收能量［7］。 Lei等人考慮弱界面效應和損傷演化， 對形狀記憶合金復合材料在準靜態(tài)載荷作用下的宏觀力學行為進行了試驗和數值研究［8］。 Meo等人通過試驗研究了SMA混合熱塑性復合材料在低速沖擊下的力學響應。 研究發(fā)現(xiàn)， SMA增強的嵌入可以提高復合材料結構的抗損傷能力和延展性［9］。? Daghash等人研究了由熱固性聚合物基體與超彈性NiTi SMA絲組成的復合材料的循環(huán)行為， 分析了SMA-FRP的低周疲勞性能。 結果表明， SMA-FRP復合材料在卸載后能恢復較高的應變， 并表現(xiàn)出很高的破壞應變［10］。 Sofocleous等人在SMA增強碳纖維聚合物復合材料中加入了碳納米管， 并進行了多種沖擊試驗。 結果表明， 當兩者結合時， 盡管碳納米管+SMA增強碳纖維聚合物與僅使用SMA增強碳纖維的聚合物具有類似的能量吸收改善， 但碳納米管的加入增加了韌性， 導致在更高的沖擊穿透深度產生損傷［11］。 Quade等人研究了薄膜膠粘劑對含有SMA的碳纖維復合材料的II型層間斷裂韌性的影響， 結果表明， 層間SMA材料的加入加劇了這種破壞模式［12］。 Eslami-Farsani等人研究了SMA絲對纖維金屬層合板屈曲和沖擊響應的影響， 結果表明， SMA絲的埋入增強了纖維金屬層合板的屈曲和抗沖擊性能。 此外， SMA體積分數和預應變對增強效果產生顯著影響［13］。

綜上可知， 目前對SMA增強復合材料的研究多集中在單向SMA絲， 且未考慮SMA絲鋪設層數的影響， 通常只進行一項力學性能試驗。 SMA絲作為增強相， 雙向的網狀結構相較于單向的絲具有各向同性的優(yōu)勢， 提高了嵌入相的整體性， 但有可能導致復合材料層間性能的損失。 為此本文在SMA絲的鋪設方式上選擇了單向和雙向， 并將SMA絲鋪設到復合材料中的不同層， 最后通過單軸拉伸、 低速沖擊和三點彎曲試驗對試樣的力學性能進行了全面分析。 SMA主要分為三類：鐵基、 銅基和鎳基合金。 二元鎳鈦合金由于其穩(wěn)定性、 高能量密度、 高阻尼性能和良好的生物相容性， 在應用中具有更加廣闊的前景［14-15］， 因此選擇超彈性鎳鈦合金作為增強材料進行研究。

1SMA-CFRP復合材料的制備

1.1樣件材料的制備

SMA-CFRP樣件材料由單向碳纖維T700環(huán)氧樹脂預浸料以及超彈性鎳鈦合金絲組成。 預浸料的厚度為0.125 mm， 每塊復合材料板包含16層預浸料層， 按照［0/90］4s順序堆疊。 每層預浸料的長度和寬度均為300 mm， 成型后的復合材料板總厚度為2 mm。成型的4塊復合材料板用于對照試驗， 其中3塊板中鋪設了直徑為0.1 mm的超彈性SMA絲， 并在鋪設方向及鋪設層數上進行區(qū)分， 絲與絲之間的間隔為6 mm， 4塊復合材料板的鋪層參數如表1所示。 由于SMA絲的直徑很小， 因此鋪絲的復合材料板在厚度方向上與未鋪絲的板之間的差距可以忽略不計。 從表1不難看出， 鋪絲復合材料板中SMA絲的質量占比均不足1%， 不會從質量上對復合材料板的性能產生影響。

為使SMA絲的間隔保持一致， 并且在鋪層過程中SMA絲不會因外力導致彎曲， 特在絲網四周加上金屬外框進行固定。 外框的材質為鋁合金， 外徑尺寸為340 mm×340? mm， 內徑尺寸為320 mm×320 mm， 框的4條邊均勻排布直徑為2 mm的通孔用于穿絲， 孔的間隔為6 mm。編制完成的絲網實物如圖1所示， SMA的鋪設過程如圖2所示。

1.2成型工藝

鋪層完成的試件正反兩面貼上脫模布， 將其放置在模具上， 并在上表面鋪設隔離膜， 之后將其整體放入預置了透氣氈的真空袋中， 通過真空閥將袋內抽至真空， 并且檢查真空袋是否漏氣， 最后整體放入熱壓罐中進行固化。

熱壓罐固化的工藝曲線如圖3所示［16］。 黑色曲線為溫度變化歷程， 紅色曲線為壓力變化歷程。 罐內溫度由室溫升至116 ℃， 保溫3 600 s， 之后升溫到177 ℃， 保溫7 200 s， 最后降至室溫， 工藝曲線中所有的溫度變化速率均為2.5 ℃/min。 熱壓罐內的壓力設置為恒定0.4 MPa。 成型后的SMA-CFRP實物如圖4所示。

2SMA-CFRP力學性能試驗

將成型的CFRP及SMA-CFRP通過水切割制成不同的尺寸， 以方便后續(xù)的試驗。 通過試驗全面比較4種試樣的拉伸強度、 最大彎曲應力及抗沖擊性能。

2.1單軸拉伸試驗

單軸拉伸試驗是在Test Resources 100 kN 測試系統(tǒng)上完成。 試驗依據ASTM D3039/D3039M標準， 試樣尺寸為250 mm×25 mm， 在試樣的兩端粘貼尺寸為60 mm×25 mm×1.5 mm的玻璃鋼加強片。 試樣的尺寸及實物如圖5所示。 以2 mm/min的加載速率將試樣逐漸拉伸至斷裂。 每組試驗至少重復4次， 4組樣件的力-位移曲線如圖6所示。 其中CFRP的4組試樣一致性較差， SMA-CFRP的12組試樣一致性較好。

選擇每種試樣4次重復試驗中的典型曲線， 進行橫向對比， 如圖7所示。 4種試樣的平均峰值載荷和極限拉伸強度對比如表2所示。

圖7顯示， 4種試樣的載荷位移曲線存在明顯的非線性轉折點。 在A-B階段， 碳纖維、 樹脂基體和SMA絲以相同的速率承受載荷。 復合材料層合板無基體損傷和相變， 呈線性變形。 B-C階段， 層合板逐漸損傷演化， SMA-CFRP中SMA絲的奧氏體開始向馬氏體轉變， 力-位移曲線斜率減小， 復合材料承載能力下降。 C-D階段， 力-位移曲線急速下降， 復合材料層合板斷裂， 失去承載能力。

單軸拉伸試驗中， 每組試驗不同試件表現(xiàn)出的分散性差異可能由兩個原因導致： （1）復合材料鋪層過程中預浸料之間會殘存氣泡， 并且氣泡的分布不均勻； （2）成型后的復合材料板在切割過程中可能會導致分層。

通過試驗數據可知， 相比于CFRP， SMA-CFRP-1的極限拉伸強度提高了5.59%； SMA-CFRP-2的極限拉伸強度提高了7.71%； SMA-CFRP-3的極限拉伸強度提高了4.86%。 同時根據力-位移曲線的斜率可以定性分析出， 相比于CFRP， 所有的SMA-CFRP的剛度均更大， 其中SMA-CFRP-3的剛度最大。

由于SMA絲的彈性模量和拉伸強度均小于碳纖維復合材料， 因此SMA-CFRP剛度和強度升高主要是由SMA絲在拉伸過程中發(fā)生的相變導致的。 在層合板損傷演化的過程中， 碳纖維樹脂基復合材料的承載能力逐漸下降， 而SMA絲在此過程中， 奧氏體相向馬氏體相轉變， 相變過程中SMA絲的承載能力沒有下降， 因此承受了加載過程中的部分應變， 導致SMA-CFRP剛度和強度的提高。 從圖7可見， SMA絲鋪設不同層對SMA-CFRP拉伸剛度和強度的提升可忽略不計， 而SMA絲在復合材料中的質量分數的提升， 則會提高SMA-CFRP的拉伸剛度和強度。

2.2低速沖擊試驗

低速沖擊試驗選擇在INSTRON-9340落錘沖擊試驗機上進行， 試驗參考了ASTM D7136/7136M 標準。 試驗機的沖擊頭為半球形， 直徑為14 mm， 質量為3.233 kg。 將試件對稱夾持在直徑為75 mm的圓開口鋼框架上， 通過試驗機自動調整沖擊頭的落差以獲得15 J的沖擊能量， 如圖8所示。 利用試驗機的數據采集模塊記錄沖擊中心點的位移和力隨時間變化的曲線。

沖擊后4種復合材料板的背面形貌如圖9所示。 4塊復合材料板被沖擊點的力-時間、 力-位移曲線對比如圖10所示。 沖擊的持續(xù)過程為6～8 ms， 峰值力代表復合材料的承載能力。 在沖擊的前半段， 沖擊力迅速增加， 并在2～3 ms內達到最大值。 曲線波動主要是接觸力在復合材料試件內部傳播過程中產生的應力波導致的。 在沖擊的后半段， 當落錘與試樣分離時， 沖擊力歸零。

通過分析圖9的破壞形貌可以發(fā)現(xiàn)， CFRP出現(xiàn)了明顯的類十字裂紋； SMA-CFRP-1出現(xiàn)了輕微的長裂紋； SMA-CFRP-2只出現(xiàn)了較小的凹凸變形， 沒有明顯的裂紋， 證明了其抗沖擊性能的提高； 而SMA-CFRP-3出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋， 沖擊區(qū)域外側損傷沿纖維方向延伸， 損傷面積增大。 根據Maher等［3］的研究， 背面裂紋越大， 其吸收的沖擊能量越多。

材料和結構的變形和損傷是能量吸收的主要原因， 在低速沖擊時， SMA絲很難被破壞， 因此根據層合板背面損傷形貌可以分析出： CFRP的損傷形式為基體損傷、 碳纖維斷裂和分層損傷； 而SMA-CFRP的損傷形式主要為基體損傷和分層損傷。

通過分析圖10可以發(fā)現(xiàn)， 由于4種試樣的沖擊能量相同， 因此力-位移曲線的斜率在前3 mm基本一致。 但在相同的位移下， SMA-CFRP-2以及SMA-CFRP-3承受了更大的力， 即超彈性SMA絲的引入增強了復合材料層合板的強度， 并且這兩種試樣的結果顯示出了滯回曲線， 即復合材料板在受到落錘沖擊后出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。 SMA-CFRP-2的回彈位移為0.71 mm， SMA-CFRP-3的回彈位移為1.03 mm。

當纖維或者基體由于沖擊發(fā)生大變形甚至損傷破壞時， 超彈性的SMA絲由于其內部的馬氏體相變， 會發(fā)生更大的彈性變形。 此時開始通過彈性變形來吸收部分能量。 因此， SMA絲增強的復合材料層合板在受到較小能量的沖擊時， 有較多的沖擊能量是被SMA 絲的彈性變形所吸收。 當沖擊結束， 沖擊頭開始回彈， 此時SMA 絲會通過回彈釋放沖擊時吸收的能量， 同時給層合板一個恢復載荷， 幫助層合板“愈合”損傷。

2.3三點彎曲試驗

三點彎曲試驗選擇在Test Resources 100 kN 測試系統(tǒng)上完成。 試驗參考了ASTM D7264/7264M標準， 試樣寬度為140 mm×20 mm， 跨距/厚度選擇32∶1。 三點彎曲的試驗設備如圖11所示， 靜力試驗機的加載速率為1 mm/min， 當試樣發(fā)生明顯斷裂時， 加載過程停止。

每種材料進行4次重復試驗， 4種材料的力-位移曲線如圖12所示。

選取每種試樣4次重復試驗中的典型曲線， 進行橫向對比， 結果如圖13所示。

4種材料的平均峰值載荷及最大彎曲應力對比如表3所示。

通過分析可知， 相較于CFRP， SMA-CFRP-1的最大彎曲應力降低了12.21%， SMA-CFRP-2的最大彎曲應力提高了1.19%， SMA-CFRP-3的最大彎曲應力提高了3.56%。 由于SMA-CFRP-1的SMA絲鋪在了第二層， 而在復合材料板彎曲的過程中， 后幾層受到的彎曲應力更大， 因此SMA絲發(fā)揮的作用較小， 抗彎表現(xiàn)較差， 最大彎曲應力相較于CFRP不升反降。 在中間層鋪設了SMA絲的SMA-CFRP-2及SMA-CFRP-3的彎曲強度有小幅度提高， 彎曲剛度有明顯的提高。

試樣彎曲的過程中， SMA絲在加載頭的作用下不斷拉伸， 為CFRP分散了部分載荷， 因此提高了復合材料層合板的承載能力和彎曲剛度。

3總結與展望

本文通過單軸拉伸、 低速沖擊和三點彎曲三種試驗， 對SMA-CFRP和CFRP復合材料試樣的力學性能和機理進行了分析。 結論如下：

SMA-CFRP的剛度和強度均有所提高， 其中SMA-CFRP-2極限拉伸強度最高， 相比CFRP提高了7.71%； 在15 J的低速沖擊試驗中， SMA-CFRP-2表現(xiàn)出了更好的抗沖擊性能， 背面只出現(xiàn)了較小的凹凸變形， 沒有明顯裂紋。 SMA-CFRP-3背面裂紋較為明顯； 在三點彎曲試驗中， 引入了超彈性SMA絲的層合板抗彎曲剛度小幅提高。

機理： SMA-CFRP拉伸強度提高的主要原因是其內部的SMA絲在加載過程中發(fā)生了相變， 在CFRP損傷演化的過程中， SMA絲由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體， 其承載能力沒有下降， 承受了加載過程中的部分應變， 因此提高了CFRP的承載能力， 導致復合材料可以承受更高的應力和應變。 SMA-CFRP表現(xiàn)出更好的抗沖擊性能是因為在沖擊的過程中， 超彈性SMA絲可以通過大變形和其獨特的滯回效應吸收部分能量， 并且在沖擊結束時通過回彈釋放掉沖擊時吸收的能量。 同樣在三點彎曲試驗的過程中， SMA絲在加載頭的作用下不斷拉伸， 為CFRP分散了部分載荷， SMA-CFRP彎曲剛度得到了提高。

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Mechanical Experiments of Shape Memory Alloy

Reinforced Composites

Wang Liangdi Xu Yingjie Wang Jun Liu Yanlong

（1. State IJR Center of Aerospace Design and Additive Manufacturing， Northwestern Polytechnical University，

Xian 710072， China; 2. School of Mechanical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China;

3. Unmanned System Research Institute， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： To improve the impact resistance of carbon fiber polymer composite， this paper presents a? carbon fiber reinforced polymer composite embedded with superelastic shape memory alloy? wires （SMA-CFRP）. By using the autoclave forming process， selecting two parameters of SMA layers number and SMA? laying direction， four kinds of CFRP composite specimens are fabricated. Uniaxial tension test， low-velocity impact test and bending test are conducted on the four kinds of CFRP composite specimen. Due to the unique phase transition mechanism， the superelastic SMA wires takes quasi-static load or dynamic load and absorbs some partial energy during the test loading. Compared with CFRP， the ultimate tensile strength of SMA-CFRP is increased by up to 7.71% and the impact resistance is also significantly improved. The experimental results show that the embedded superelastic SMA can significantly improve the mechanical properties of CFRP under quasi-static load and low-velocity impact loads.

Key words：? shape memory alloy; carbon fiber polymer; composite; uniaxial tension test; low-velocity impact test; three point bending test