不同工藝復合材料層合板沖擊性能研究

熊風 孫澤玉 高洪平 王士杰 張輝 余木火

摘 要：本文通過金相顯微鏡以及煅燒法對不同工藝T700/YPH-41T（12 k）體系碳纖維復合材料的纖維體積含量測定以及采用落錘沖擊試驗機對沖擊性能表征。實驗結果表明板材采用熱壓罐工藝比采用真空袋工藝的纖維體積含量高，分別為77.3 %、55 %；板材采用不同工藝其沖擊響應不同，具體表現在最大沖擊力、沖擊接觸時間、沖擊最大位移等；最后整理歸納沖擊數據，得到相同能量沖擊下真空袋工藝板材的沖擊能量吸收率比熱壓罐工藝板材的沖擊能量吸收率高。

關鍵詞：復合材料；制備工藝；落錘沖擊試驗機

中圖分類號：V261 文獻標志碼：A

復合材料（Composite Materials）對于我們來說是一類既古老又先進、既熟悉又陌生的材料。從復合材料這個名字我們可以得知，其應該有兩種或以上的具有不同物理與化學性質的材料通過復合成型的材料。

纖維復合材料是一種很常見的復合材料，從20世紀30年代在美國開始發展，后來受到廣泛應用。纖維復合材料一般由纖維作為增強體，樹脂作為基體。纖維是復合材料的主要承力組分，一般拉的力學性能（拉伸、彎曲）均由增強材料承擔；基體主要作用于粘合，使增強材料成型為一個整體，進而起到一個分配應力以及均衡應力的功能，從而使得纖維增強材料的性能得到完全的作用，在這種作用下會使得復合材料的力學等方面性能要遠遠比單一組分材料的力學性質要好。

隨著汽車輕量化的發展，碳纖維復合材料在汽車上的應用是不可逆轉的發展趨勢，但是在汽車高速行駛的過程中，不可避免地會有石子以不同速度被濺起，從而沖擊到汽車的復合材料覆蓋件。但是由于預測石子沖擊對復合材料板的損傷分析比更加困難，對金屬材料的損傷分析且相關文獻鮮見報道，因此研究沖擊對碳纖維復合材料夾芯板的研究顯得十分必要。

1 實驗部分

1.1實驗原材料

主要實驗原料名稱、規格及生產廠家見表1。

表1 主要實驗原料

材料名稱 材料規格 生產廠家

編織預浸料 T700/YPH-41T（12 k） 上海華征復合材料有限公司

丙酮 JYJ 361-2014 永華化學科技（江蘇）有限公司

普通熱鑲嵌料 PT2231 特魯厲

1.2 實驗儀器

實驗測試如下，具體參數見表2。

2 實驗過程及結果

2.1 樣品制備工藝

本實驗采用T700/YPH-41T（12 k）體系的碳纖維預浸料；具體制備工藝如下：

（1）采用真空袋工藝，先將預浸料鋪好并抽真空，將烘箱溫度設為120 ℃，待溫度升至設定溫度后保溫2 h，最后降溫取出板材。

（2）熱壓罐工藝（先升溫到80℃后升壓到400 kPa，保溫保壓0.5 h后升溫到125 ℃保溫保壓1 h，最后降溫到60 ℃后降壓）。

2.2 金相顯微鏡復合材料纖維分布以及纖維體積含量表征

制備樣品，尺寸為2 mm*3 mm。通過鑲嵌機，用普通鑲嵌樹脂（PT2231）處理樣品制得金相試樣，用不同目砂紙打磨，直達到2500目換粒徑為0.005mm的AL2O3打磨拋光。最后采用金相顯微鏡研究復合材料碳纖維分布最后計算得出纖維體積含量。

對比圖1，得到不同工藝的復合材料纖維與樹脂、樹脂與樹脂間沒有明顯缺陷。圖1（b）表明，采用熱壓罐工藝制備的樣品在同一范圍內的纖維絲束數量要高于圖1（a）采用真空袋工藝成型的樣品。

由圖1（c）（d）計算得到，真空袋工藝制備材料的纖維體積含量在55%左右，同理計算得到熱壓罐工藝制備材料的纖維體積含量在77.3 %左右。

2.3 煅燒法纖維體積含量測試

制備樣品，熱壓罐工藝樣品尺寸為50mm×27mm×3mm，真空袋工藝樣品尺寸為34mm×39mm×4 mm。放入管式爐，溫度設為800 ℃，煅燒時間為6h。實驗完成后用丙酮洗去雜物，烘干稱重。熱壓罐樣品纖維重6.65 g；真空袋工藝樣品纖維重5.15g。計算得到熱壓罐工藝樣品纖維體積含量為68.2 %，同理得到真空袋工藝樣品的纖維體積含量為54.3 %。數據與金相顯微鏡計算不同，原因是碳纖維煅燒時有部碳纖維被氧化和丙酮清洗碳纖維時有部分短的碳纖維被洗出未計入重量。

2.4 復合材料沖擊動態力學性能研究

圖2為初始能量（10 J）下，熱壓罐工藝和真空袋工藝復合材料層合板的沖擊-位移、位移時程、位移-速度、能量-位移曲線。從下面4張圖可以得知在沖擊階段相同位移下，熱壓罐工藝板材沖擊接觸力大于真空袋工藝的板材、熱壓罐工藝板材沖擊瞬時速度小于真空袋工藝的板材、熱壓罐工藝板材沖擊吸收大于真空袋工藝的板材；相同時間下，熱壓罐工藝板材沖頭的位移小于真空袋工藝的板材。

T700/YPH-41T（12 k）采用熱壓罐工藝制備板材的最大沖擊力7442N、沖擊時間3.23 ms、沖擊最大位移3.1mm；真空袋工藝板材最大沖擊力5029N、沖擊時間3.97 ms、沖擊最大位移4.2mm。這是由于熱壓罐工藝制備層合板的成型過程中處于一個高壓狀態，纖維體積含量高，板材剛性強。

2.5 實驗原始數據計算與統計

不同工藝制備T700/YPH-41T（12 k）預浸料復合材料的沖擊數據統計見表2。數據處理得到在相同能量下，真空袋工藝制備板材沖擊能量吸收率（沖擊吸收能量 /初始沖擊能量）為42.3%，熱壓罐工藝制備板材沖擊能量吸收率為35%。出現上述差異原因是由于真空袋工藝板材纖維體積含量比熱壓罐工藝制備材料的低，而樹脂部分在沖擊過程中有增韌效果，能吸收一部分能量，故其沖擊能量吸收率的值比熱壓罐工藝材料的高。

3 實驗總結

實驗結果為碳纖維復合材料制備工藝的研究設計提供了依據，實驗結果表明：

（1）T700/YPH-41T（12 k）體系預浸料，采用熱壓罐工藝制備復合材料的纖維體積含量比真空袋工藝制備復合材料的高。熱壓罐工藝樣品纖維體積含量為77.3 %，真空袋工藝樣品的纖維體積含量為55%。

（2）不同工藝T700/YPH-41T（12 k）體系復合材料的沖擊響應不同。熱壓罐工藝制備的預浸料板材最大沖擊力7442N、沖擊時間3.23 ms、沖擊最大位移3.1mm；真空袋工藝板材最大沖擊力5029N、沖擊時間3.97 ms、沖擊最大位移4.2mm。這是由于熱壓罐工藝板材纖維體積含量高，板材剛性強。

（3）不同工藝T700/YPH-41T（12 k）體系復合材料的沖擊能量吸收率不同。熱壓罐工藝制備板材沖擊能量吸收率為35%、真空袋工藝制備板材沖擊能量吸收率為42.3%。真空袋工藝比熱壓罐工藝制備板材沖擊能量吸收率的值高，是由于真空袋工藝板材纖維體積含量比熱壓罐工藝制備材料的低，其韌性比熱壓罐工藝制備的板材強。

參考文獻

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