國產炭纖維CCF300與T300炭纖維復合材料剪切載荷下的失效模式研究

張勇波，傅惠民

（北京航空航天大學 小樣本技術研究中心，北京100191）

國產炭纖維CCF300與T300炭纖維復合材料剪切載荷下的失效模式研究

張勇波，傅惠民

（北京航空航天大學 小樣本技術研究中心，北京100191）

對國產炭纖維與T300炭纖維復合材料層合板在常溫干態、常溫濕態、高溫干態與高溫濕態四種環境條件下進行了短梁剪切實驗。采用宏觀和微觀相結合的方法，對其剪切性能、失效模式與損傷機理進行了對比研究。結果表明：界面性能是影響纖維樹脂基復合材料剪切性能與失效模式最為重要的因素，而國產炭纖維復合材料在界面性能的控制上還有待改進。因此，國產炭纖維復合材料要進一步推廣應用，還需進一步改善其界面性能，尤其是高溫高濕條件下的界面性能。

CCF300；復合材料；失效模式；宏觀形貌

炭纖維是一種高性能的纖維材料［1］，炭纖維增強復合材料以高比強、高比模、耐熱性高、耐輻射、耐磨以及性能可設計等許多優點在航空、航天、兵器、艦船和汽車等領域得到了較廣泛的應用［2－8］。但是目前，全球炭纖維生產被國外少數幾個企業高度壟斷。在技術和產品出口方面分別采取嚴密封鎖和嚴格限制的措施。國內航空航天領域所用的炭纖維，除極少量燒蝕所用炭纖維是國產的以外，耗量大的結構用炭纖維全部依賴進口［9］。為解決各個方面長期受制于人的現狀，必須研制自己的高性能炭纖維。而本工作正是針對某國產炭纖維復合材料展開研究，對其復合材料層合板與T300炭纖維復合材料層合板同時進行短梁剪切實驗，通過各種環境條件下的性能數據比較，以及失效模式、損傷機理的對比分析，研究國產炭纖維復合材料存在的不足，為國產炭纖維性能的進一步改進提供有價值的指導。

炭纖維復合材料層合板在剪切載荷下的失效模式研究已很多，盧天健［10］等研究了環氧復合材料基體對層間剪切強度的影響。吳人潔［11，12］等研究了基體、界面對單向層合板面內剪切強度的影響。上述研究基本認為界面強度的高低是決定剪切強度大小的最主要因素。但是，以往的研究往往針對的都是某一種纖維與某一種樹脂基體，缺乏對比分析。所以本工作以多種纖維多種樹脂基體復合材料的剪切實驗為基礎，結合多種環境條件下的宏觀斷口與微觀形貌對比分析，對炭纖維、上漿劑以及界面性能進行了較為全面的剖析。從而找出制約國產炭纖維復合材料剪切性能的因素，為其進一步改進提供了理論依據。

1 實驗

1.1 原材料

炭纖維為CCF300和T300炭纖維；兩種上漿劑（分別表示為A，B）；樹脂為QY8911。

1.2 實驗儀器

濕熱老化環境箱：SH050A型，用于產生濕熱環境；疲勞試驗機：INSTRON 1332，試件的力學性能測試；掃描電鏡：JSM－35CF型，用于試件斷口的微觀觀察；應變計：常溫應變計BA120－2AA（11）和高溫應變計BA120－2AA 150，用于實驗過程中的應變測量。

1.3 試樣制備

將炭纖維制成預成型體，用熱壓罐在185℃下固化2h，200℃下加熱3h后處理得到炭纖維體積分數為60%的復合材料板。制備得到三種復合材料：CCF300／QY8911（A 上 漿 劑）、CCF300／QY8911（B 上 漿 劑）、T300／QY8911（上漿劑未知）；分別進行層間剪切實驗，鋪層順序為［0］25，尺寸為18mm×6mm×3mm。

1.4 實驗環境要求

分別在四個環境條件下進行實驗：室溫干態條件：溫度（23±3）℃，濕度（50±5）%RH；室溫濕態條件：溫度（23±3）℃，實驗件在（82±2）℃水里浸泡168h；高溫干態條件：溫度（130±3）℃；高溫濕態條件：溫度（130±3）℃，實驗件在（82±2）℃水里浸泡168h。

1.5 力學性能的測定

按照ASTM D2344聚合物基復合材料及其層合板短梁剪切強度標準實驗方法進行，并觀察測定后的試樣破壞模式。

1.6 觀察試樣斷口形貌

將上述剪切實驗后的試件斷口切下，噴金處理后，通過JSM35CF型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 復合材料剪切性能對比分析

圖1是國產炭纖維CCF300／QY8911（A上漿劑）、CCF300／QY8911（B上漿劑）與T300／QY8911三種復合材料在常溫干態、常溫濕態、高溫干態及高溫濕態四種環境條件下的層間剪切強度比值。從性能數據來看，常溫干態條件下，各復合材料的剪切強度均值差別不大，國產炭纖維復合材料的層間剪切性能與T300復合材料相當。在常溫濕態條件下，國產炭纖維復合材料的層間剪切強度與T300復合材料的比值沒有發生較大的改變，表明各復合材料受濕度的影響相同。但是，在高溫干態條件下可以看到，國產炭纖維復合材料與T300炭纖維復合材料相比，層間剪切強度差距明顯加大。由于層間強度一部分依賴于基體的剪切強度，另一部分依賴于界面的抗剪切能力，如果在基體性能相同的情況下，表明國產炭纖維復合材料的界面抗剪切能力受到高溫的影響較為嚴重。同時，還可以看到，在高溫濕態條件下，國產炭纖維復合材料兩種上漿劑呈現不同的變化趨勢，A上漿劑復合材料與T300復合材料剪切性能的比值下降到80%以下，而B上漿劑的復合材料仍然保持了較高的比值。表明A上漿劑的國產炭纖維復合材料的界面抗剪切能力受高溫高濕的雙重作用下降較為嚴重，需對其性能進行改進。

圖1 不同環境條件下復合材料短梁剪切強度比值Fig.1 Short－beam shear strength ratio of composites under varied environmental conditions

2.2 常溫干態條件下復合材料失效模式對比分析

由于層間剪切強度反映了不同鋪層間的抗剪能力，它不僅與基體的剪切強度有關，而且在較大程度上受纖維與基體之間界面的剪切強度影響。短梁剪切實驗的宏觀失效模式主要有三種：（1）單層或多層的剪切破壞。在較為理想的剪切狀態下只發生中間層的剪切破壞，而多數情況下為多個層的剪切破壞（圖2）；（2）加載點應力集中壓縮屈曲破壞或加載點對側由于拉伸應力達到拉伸強度出現拉伸斷裂；（3）非彈性變形。但是第二種與第三種在短梁剪切實驗中都是不可接受的失效模式。從微觀來看，若復合材料界面強度較高，基體強度較低，則層間剪切破壞面斷面的主要特征是基體本身的內聚破壞，樹脂呈典型的“鋸齒”狀，齒面朝同一方向傾斜，樹脂塊站立方向與纖維軸向垂直，同時橫斷面斷口整齊，纖維拔出較短，且上面粘附較多的樹脂；若基體強度較高，而界面強度較低時，層間剪切破壞面斷面的主要特征則是纖維和基體間的界面脫粘，分層表面看不到齒狀樹脂塊，但可以看到大量的裸露纖維和不規則的樹脂殘塊，同時橫斷面參差不齊，有較多的纖維拔出，留下較多的孔洞，且拔出纖維較長，表面光滑。可見，在一定程度上正是由于基體強度和界面的結合狀態決定了復合材料的破壞形式。

圖2 短梁剪切條件下單向復合材料的失效模式Fig.2 The failure mode of unidirectional composites subjected to short－beam shear strength

圖3是常溫干態條件下各復合材料橫斷面的SEM照片。圖3（a）為CCF300／QY8911（A上漿劑）復合材料的斷面，可以看到其斷口不齊，因纖維拔出而留下的孔洞較多，且纖維拔出長度較長，表面光滑，表明該復合材料界面黏結強度不高。圖3（b）中的CCF300／QY8911（B上漿劑）復合材料的斷口也較為混亂，可以看到大量拔出的光滑纖維以及因纖維拔出而留下的孔洞，表明該復合材料的界面黏結強度也不高。圖3（c）為T300／QY8911復合材料的橫斷面照片，可以看到，斷口較為平整，且拔出纖維較短，與前面兩種復合材料差別較大，表明其具有較高的界面性能。因此，通過比較可知，在常溫干態條件下，國產炭纖維復合材料的失效模式與T300復合材料不同。

圖3 復合材料常溫干態條件下的橫斷面SEM照片（a）CCF300／QY8911－A；（b）CCF300／QY8911－B；（c）T300／QY8911Fig.3 The fracture surface of composites under 23℃dry condition（a）CCF300／QY8911－A；（b）CCF300／QY8911－B；（c）T300／QY8911

2.3 濕態條件下復合材料失效模式對比分析

濕態環境下炭纖維復合材料微觀結構可誘發變形、內應力、損傷、開裂等而使層間剪切強度降低，水從纖維與樹脂的界面以及層間向內擴散，從而引起樹脂的溶脹，但是纖維則部分約束了溶脹。所以，這會導致內應力的產生，而且水分會使基體柔化，從而對層間剪切強度產生較大影響。同樣，由于纖維與基體熱膨脹系數的差異，在高溫條件下必然會在界面產生內應力，進而影響層間剪切強度。因此，如果是在高溫和高濕的雙重作用下，復合材料的界面將受到更為嚴重的影響，進而使得層間剪切強度更加依賴于界面的性能。試件的橫向剖面也能較為準確地反映復合材料界面黏結強度信息。文獻［12］中描述了界面黏結強度的不同對于復合材料損傷過程的影響。通常情況下損傷的起始方式有兩種：一種為基體開裂，另一種為界面脫粘。而主要發生哪種損傷起始，主要取決于界面的黏結強度與基體開裂強度的相對大小。

圖4 基體開裂示意圖Fig.4 Illustration of matrix crack

當界面黏結強度大于基體開裂強度時，則損傷的起始方式為基體開裂，如圖4所示。圖中τ表示切應力，σc，max表示最大壓縮應力，σt，max表示最大拉伸應力，在純剪切條件下，基體承受的主應力方向與纖維軸向成45°夾角，因此基體裂紋的開裂角度也為45°。圖5為觀察到的某復合材料中實際的基體裂紋開裂角度及裂紋形貌，可知與理論分析較為符合。同時，隨著載荷的增加，基體裂紋也逐漸增加，最后各個裂紋之間相互連通，進而造成試件的最終破壞。但是在這個過程中，隨著界面黏結強度的相對強弱不同，裂紋的連通方式也有所不同（圖6）。當界面黏結強度相對較低時，裂紋會沿著界面擴展，進而將各個基體裂紋連通，此時在橫向剖面觀察到的將是呈凸狀的剪切破壞基體，其底部與纖維垂直，而頭部呈現彎曲的塑性變形（圖6（b））；而當界面黏結強度相對較高時，在基體裂紋之間產生新的裂紋，以非自相似的形式將各個基體裂紋連通，進而產生“齒”狀基體，齒面朝同一方向傾斜，樹脂塊站立方向與纖維軸向垂直，而且越細的“齒”狀基體表明纖維與基體的黏結強度越高（圖6（a））。

圖5 基體開裂的SEM照片Fig.5 SEM image of matrix crack

上述為界面黏結強度大于基體開裂強度時的損傷起始及裂紋擴展方式。而當黏結強度小于基體開裂強度時，則損傷的起始方式通常為界面脫粘。此時裂紋沿界面擴展，將纖維與基體剝離，則可以觀察到較多的光滑纖維，而基體受三向應力剪切變形，出現較多的碎脂。但是大多數情況下，某種復合材料的層間剪切破壞并非單純的上述某一種形式，而通常為上述兩種損傷形式的組合，只是可以通過觀察哪一種形式占主導來判斷該復合材料的界面黏結狀態。

圖6 裂紋連通方式示意圖（a）齒狀裂紋；（b）凹凸狀裂紋Fig.6 Illustration of connect mode of crack（a）dentiform mode of crack connecting；（b）concavo－convex mode of crack connecting

圖7是國產炭纖維CCF300／QY8911（A上漿劑）、CCF300／QY8911（B上漿劑）與 T300／QY8911三種復合材料常溫濕態條件下斷口的SEM照片。從圖7（a）中可以看到，纖維與基體界面受侵蝕較為嚴重，纖維與基體剝離非常明顯，因此其損傷的特征為纖維與基體脫粘，同時可以觀察到纖維與基體剝離后，表面光滑，黏結的樹脂較少，基體剪切破壞呈現塑性變形，但沒有明顯“鋸齒”狀。因此可以判斷，該復合材料的界面黏結強度較低，低于基體的開裂強度，主要的損傷形式為界面脫粘。圖7（b）中，CCF300／QY8911（B上漿劑）復合材料界面受侵蝕的狀態也較為明顯，可以看到大量的碎基，雖然沒有觀察到單根的纖維完全從基體中剝離出來，但是界面脫粘破壞的特征也較為明顯，因此表明該復合材料也具有較低的界面性能，其損傷形式也主要為界面脫粘。圖7（c）為T300／QY8911復合材料，可以看到，其破壞剖面較為整齊，纖維與基體界面受侵蝕程度較輕，仍然保持了較好的黏結狀態。同時，整個基體呈現密集的“鋸齒”狀，這與前面的理論分析較為吻合。表明該復合材料具有較好的界面性能，其界面黏結強度大于基體的開裂強度，其破壞特征主要為基體的剪切破壞。

通過三種復合材料常溫濕態條件下的橫向剖面SEM照片可以看出，CCF300／QY8911（A，B上漿劑）兩種復合材料具有較弱的界面性能，黏結強度低于基體的開裂強度；T300／QY8911復合材料則具有較好的界面性能，黏結強度高于基體的開裂強度。因此，建議CCF300／QY8911（A，B上漿劑）兩種復合材料改善其常溫濕態條件下的界面性能。

3 結論

（1）從性能數據上來看，國產炭纖維復合材料的剪切性能基本與T300復合材料接近，但是在高溫高濕條件下的剪切性能有一定差距。

（2）對復合材料剪切失效模式與損傷機理影響較大的因素為纖維與基體的界面性能，界面強度與基體強度的相對高低直接決定了裂紋的擴展方式。

（3）A，B兩種上漿劑對于復合材料失效模式的影響較小，但A上漿劑抗高溫高濕性能比B上漿劑稍差。

（4）國產炭纖維復合材料要得到更為廣泛的應用，還需改善其界面性能，特別是高溫高濕條件下的界面性能。

［1］ 聞荻江.復合材料原理［M］.武漢：武漢理工大學出版社，1998.

［2］ 益小蘇.先進復合材料技術研究與發展［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［3］ 趙稼祥.民用航空和先進復合材料［J］.高科技纖維與應用，2007，（2）：6－10.

［4］ 趙稼祥.炭纖維復合材料在民用航空上的應用［J］.高科技纖維與應用，2003，28（3）：1－4，35.

［5］ 趙稼祥.炭纖維在美國國防軍工上的應用［J］.高科技纖維與應用，2003，28（1）：6－9.

［6］ 霍肖旭，劉紅林，曾曉梅.炭纖維復合材料在固體火箭上的應用［J］.高科技纖維與應用，2000，25（3）：1－7，20.

［7］ 趙渠森.QY8911樹脂系列及其工程應用［J］.工程塑料應用，1995，23（1）：1－8.

［8］ 習年生，于志成，陶春虎.纖維增強復合材料的損傷特征及失效分析方法［J］.航空材料學報，2000，20（2）：55－63.

［9］ 李書鄉，馬全勝，劉清田.國產炭纖維現狀及CCF300質量穩定性提高［J］.材料工程，2009，（S2）：207－210.

［10］ 盧天健，嵇醒，顧星若.環氧復合材料基體對層間剪切強度的影響［J］.西安交通大學學報，1990，24（3）：23－29.

［11］ 賀鵬飛，吳人潔.復合材料內部損傷發展的理論研究［J］.上海交通大學學報，1994，28（3）：17－22.

［12］ 賀鵬飛，吳人潔，王浩偉，等.基體、界面對單向層合板面內剪切強度的影響［J］.材料科學與工程，1994，12（3）：18－22.

Failure Mode Research on CCF300and T300Carbon Fiber Composites Subjected to Short－beam Shear Load

ZHANG Yong－bo，FU Hui－min
（Research Center of Small Sample Technology，Beihang University，Beijing 100191，China）

The short－beam shear test was conducted on the CCF300and T300carbon fiber composite laminate under the condition of 23℃dry，23℃ wet，130℃dry and 130℃ wet.The macroshape conjunctions with the SEM image were employed for the analysis and comparison on the shear failure mode and damage mechanism of these two kinds of carbon fiber composite.The results show that the interface strength is the most important property affecting the shear strength and failure mode of carbon fiber composite.However，CCF300carbon fiber composite shows lower property on the interface strength.Therefore，if the CCF300carbon fiber composite want to get more widely application on the structures，it need to improve its interface strength，especially the strength that under the condition of high temperature and wet.

CCF300；composite；failure mode；macroshape

V258

A

1001－4381（2012）08－0055－05

中國博士后科學基金資助項目（2011M500221）

2011－07－01；

2012－01－06

張勇波（1984—），男，博士后，主要從事復合材料的失效分析、航空航天類產品可靠性分析及加速壽命實驗研究，聯系地址：北京航空航天大學固體力學研究所 C928（100191），E－mail：zhang19840504＠163.com