溫度對碳纖維/環氧樹脂層合復合材料壓縮性能的影響

王海嬌，李嘉祿

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

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

本文對平紋碳布增強環氧樹脂基層合復合材料在不同溫度和加熱時間下的壓縮性能進行了研究，分析了溫度和加熱時間對層合復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氧樹脂基層合復合材料,所有試件都是在天津工業大學復合材料研究所制成。

層合復合材料所用的織物是T700-12K碳纖維平紋織物，此織物經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環氧樹脂進行固化。

1.2試件制備

所制得試件規格參數如表1所示，根據表1中的參數，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工藝進行固化，固化之后按照試驗要求的尺寸進行切割。

表1　試件規格參數

1.3實驗方法

本課題重點研究常溫和120℃下層合復合材料壓縮性能的變化，以及同樣溫度不同加熱持續時間對層合復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)上對試樣進行壓縮性能的測試。在高溫環境中加熱時間為15 min的試驗，是將試件放在萬能試驗機的恒溫箱中進行加熱。將傳感器放在試件上，當傳感器測出試件的溫度達到試驗溫度且在恒溫箱主機的屏幕上顯示出的溫度穩定時，開始記時，15 min后進行壓縮試驗。在高溫環境中加熱時間為600 min、1800 min、3000 min這三種試驗條件下對試件進行加熱是在DL-101電熱恒溫鼓風干燥箱中進行長時間加熱的。將電熱恒溫鼓風干燥箱設定為試驗要求的溫度并在電熱恒溫鼓風干燥箱達到試驗溫度并穩定時進行記時，當快達到需要的時間時，將萬能材料試驗機打開，對試驗環境加熱到要求的溫度，當達到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，關上試驗機的烘箱箱體門，當看到恒溫箱主機上的溫度穩定后進行壓縮試驗。測試時的加載速度為2 mm/min。在每一種相同的狀態下，測試了三個試件。

圖1　AG-250KNE 型萬能材料試驗機

2　實驗結果和分析

2.1不同溫度和加熱持續時間下層合復合材料的壓縮性能

圖2　不同溫度和加熱時間下層合的應力-應變曲線

圖3　120°時不同的加熱時間下的壓縮強度保留率

層合復合材料在常溫下和120℃時不同的加熱持續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℃時不同的加熱持續時間下的壓縮應力-應變曲線如圖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可以發現試件在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，這是由于材料剛進入高溫環境，熱量傳遞比較緩慢，導致材料的溫度分布由外到內不均勻，材料的力學性能變化較大，從而壓縮強度下降較大。隨著加熱持續到600 min時，材料的溫度分布變得均勻而使得材料結構穩定，并且試件基體中的樹脂發生了后固化，使材料內部結構更為規整,分子之間結合更為致密，所以壓縮強度開始上升。當加熱時間超過一定范圍到達3000 min后，試件長時間承受高溫會使樹脂的內分子鏈發生變化，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，隨著加熱持續時間的增加，壓縮彈性模量也表現出下降的趨勢。

2.2不同溫度和加熱持續時間下層合復合材料的壓縮破壞形貌

圖4中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為層合復合材料在常溫時和在120℃下加熱持續時間為15 min，600 min，1800 min，3000 min時的側面壓縮破壞形貌。從(a)圖中，可以看出在常溫下主要表現為分層破壞，試件出現比較多的分層部位，局部出現了纖維斷裂的現象。從(b)圖中可以看出在120℃下加熱持續時間為15 min時試件發生了較少的分層破壞，在側面出現了較明顯的由于纖維折斷而出現的剪切破壞特征。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，表現出脆性破壞的特點。

圖4　層合復合材料在常溫下和120℃下不同加熱持續時間下壓縮后的側面形態

3　結論

3.1在120℃時不同的加熱持續時間下，層合復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，層合復合材料的壓縮強度都出現了下降，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%，可以發現隨著加熱持續時間的增加，壓縮強度保留率呈現出先增大后減小的趨勢。

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

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