纤维增强复合管材的力学性能研究

纤维增强复合管材的力学性能研究

胡亚东

兰州信息科技学院

摘要：随着对复合材料制品的加工和检测能力的提升，对短切碳纤维/酚醛制品经机械加工以后的表面质量提出了新的要求。因此，需要对机械加工的表观质量影响因素进行研究，以获得最佳表观质量的加工参数。复合材料制品与金属制品的材料特性不同，因此两者的表面粗糙度的测量方式有所差异，2D测量已无法满足测量要求。碳纤维增强复合材料是以树脂等为基体、碳纤维或碳纤维织物增强而形成的复合材料，因其轻质、比强度高、比模量高及耐腐蚀等物理性质在汽车、航空领域获得了广泛应。ＣＦＲＰ常与金属合金（如钛合金）组成叠层结构，在减轻重量的同时利用材料的不同特点获得更优异的综合力学性能，故可以满足大型飞机结构件在极端服役条件下对性能与轻量化的要求。基于此，本篇文章对纤维增强复合管材的力学性能进行研究，以供参考。

关键词：纤维；增强复合管材；力学性能

引言

复合材料通常是由两种或两种以上的材料，利用物理或者化学方法在宏观尺度上合成的具有新型性能的材料。早在远古时代就有复合材料的雏形，例如从最早在粘土中添加稻麦来增强粘土整体性能，到目前的钢筋混泥土、碳纤维车身、电子产品、健身器材等。纤维增强复合材料一般具有比强度高、比刚度高、比模量大等优良力学性能，被广泛应用于各大工程领域，例如航空航天、建筑业、纺织业、电子电气等行业。当前航空制造领域有关叠层界面缺陷的预测与控制仍高度依赖于操作者的工作经验，对于叠层钻孔界面缺陷的抑制研究缺乏相应仿真模型支撑。基于此，本文探究纤维增强复合管材的力学性能研究。

1研究背影

碳纤维（CF）是由聚丙烯腈、沥青、黏胶等原料经预氧化、炭化或石墨化等工序制得，具有质轻、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导热导电性好等优点。通常把CF作为增强体，与基体树脂制成复合材料，根据树脂种类的不同，主要有热塑性和热固性复合材料2种。过去人们基本选用热固性树脂作为基体来制备碳纤维复合材料，碳纤维增强热固性复合材料的强度、耐热性与耐化学性均较好，但是其不可反复加工、成型速度慢，并且会对环境造成污染，不符合当今绿色环保的发展趋势，因此人们把目光转向了碳纤维增强热塑性复合材料。碳纤维增强热塑性复合材料中CF的存在形式主要有短碳纤维（SCF）、长碳纤维（LCF）和连续碳纤维（CCF）。短碳纤维增强热塑性复合材料和长碳纤维增强热塑性复合材料中CF是不连续的，所得的复合材料的力学性能满足不了高性能的需求，而CCFRP中CF是连续的，这种CCF可以充分发挥其作为增强体高强度和高模量的力学特性，可以制备出综合性能优异的复合材料。CCFRP具有以下优点：（1）质轻、高强度、高模量；（2）耐腐蚀和耐热性好；（3）设计灵活、生产效率高；（4）生产废料和制品可以回收利用。近些年来，以热塑性树脂为基体的连续碳纤维增强复合材料发展迅速，其在汽车轻量化、航空航天、风电叶片等领域得到了广泛应用。本文基于采用CCF作为增强体和热塑性树脂为基体制备的CCFRP，从界面处理方法、浸渍工艺和成型工艺等方面，对CCFRP的发展现状进行了较全面的介绍和总结，同时对其应用现况进行了介绍，并且对未来CCFRP的发展进行了展望。

2试验部分

2.1试验材料

试验选用江苏恒力化纤股份有限公司生产的高强低伸型工业涤纶（以下简称涤纶）、浙江千禧龙纤特种纤维股份有限公司生产的高强聚乙烯纤维以及东莞市索维特特殊线带有限公司生产的碳纤维，其性能如表1所示。复合试剂包括环氧树脂［E⁃44（6101）］和固化剂（低分子聚酰胺树脂650）。

2.2复合管材性能测试

考虑到复合管材在软体路面中的支撑作用，以及管材在最终应用领域中承受载荷的情况，对3种不同纤维增强的复合管材进行三点弯曲和横向压缩性能的测试。按照GB/T1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，选用UTM5105型电子万能试验机进行三点弯曲性能测试。试样长度为8cm，测试速度为10mm/min。每种复合管材测试5个样品，取平均值。按照GB/T5352—2005《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》，选用UTM5105型电子万能试验机进行横向压缩性能测试，试样长度为4cm，加载速度为2mm/min，加载位移5mm。每种复合管材测试5个样品，取平均值。

3增强纤维材料

现阶段，玻璃纤维和碳纤维是树脂基复合材料的主要增强纤维材料。玻璃纤维(GF)是以玻璃为原料，经过高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，其种类繁多，但大多具有绝缘性好、耐热性好、抗腐蚀性好等特点，是复合材料中常用的增强材料。而碳纤维(CF)是由碳元素组成的一种纤维，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。其沿纤维轴方向有很高的强度和模量，能够作为优良的增强材料与树脂复合，制造成为先进复合材料，在航空航天等领域得到广泛应用。此外，例如凯夫拉纤维及竹纤维等为纤维增强材料的复合材料也在不断开发中。

4测试结果分析

4.1增强纤维材料

碳纤维复合管材的抗压缩性能明显优于涤纶和高强聚乙烯纤维增强的复合管材，在加载初期碳纤维复合管材具有较大的载荷增长速率，因为碳纤维本身的刚度较大；而涤纶复合管材和高强聚乙烯纤维复合管材在初始阶段载荷增长速率较小，说明管材的刚度较小由于3种纤维增强的管材内径（7mm）较小，在横向压缩加载过程中容易出现侧向挤压的载荷⁃位移曲线中，涤纶和高强聚乙烯纤维复合管材由于材料本身模量较低，柔韧性较好，在出现屈服点之后，继续加载，材料没有出现特别明显的加载失效。

4.2编织角度

碳纤维、涤纶和高强聚乙烯纤维材料复合管材具有相同的变化趋势，随着编织角度的增大，其横向承载能力越大。这是因为在压缩测试过程中，管材整体承受压头向下的载荷，承载主体为径向增强纤维，随着编织角度的增大，增强纤维径向承载的分力增大，复合管材整体承载能力增大。其次，编织角度越小，纤维沿轴向的分力越大，压缩加载时，材料各向异性程度越高，不利于材料整体承载。

结束语

综上所述，（1）在纤维体积百分比不变情形下，沿纤维方形的弹性模量均是双向交叉排列小于双向不交叉排列，垂直纤维方形的弹性模量均是双向交叉排列大于双向不交叉排列。原因是在垂直纤维方向的荷载作用下，双向交叉排列进一步增强纤维与基体之间的粘接力，减小纤维与基体之间的相对滑移。（2）在纤维体积百分比不变且纤维采用三向交叉排列的情形下，有效弹性模量均是圆形纤维截面小于正方形纤维截面。原因是交叉截面受力表面积正方形大于圆形，增加了纤维基体之间的粘聚力，减小了纤维与基体之间的相对错动。（3）复合材料在单轴受压(拉)情形下，纤维宜采用正方形或圆形截面且单向排列；在双轴受压(拉)情形下，纤维宜采用正方形截面且双向交叉排列；在三轴受压(拉)情形下，纤维宜采用正方形截面且三向交叉排列。

参考文献

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