碳纖維增強復合材料的中低應變率力學性能試驗研究

惠旭龍，劉小川，白春玉，舒挽，葛宇靜

（中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065）

碳纖維增強復合材料具有較高的比強度、比剛度、耐腐蝕、抗老化等特性，已被廣泛應用于飛機結構中[1]。飛機在使用過程中不可避免會發生鳥撞、冰雹撞擊、墜撞等威脅到飛行安全的問題，為提高飛機的安全性，并盡可能減輕飛機質量，就需要了解碳纖維增強復合材料的動態力學特性，獲得材料在不同應變率下的力學性能參數，為復合材料飛機結構的抗沖擊設計和仿真分析提供準確的材料參數。李勇[2]等在應變率0.001~50 s-1范圍內利用實驗方法研究了碳纖維增強聚對苯二甲酸乙二醇脂復合材料在不同應變率和溫度條件下的拉伸性能及損傷模式，發現材料的拉伸強度和彈性模量隨應變率的增加而提高，隨溫度的升高而降低。Zhang[3]等在應變率7×10-5~240 s-1范圍內研究了碳纖維增強編織復合材料的動態力學性能，發現材料的拉伸強度、拉伸模量和失效應變均具有明顯的應變率敏感性，但在較低應變率范圍內影響較小。KIMURA[4]等在應變率10-5~102s-1范圍內研究了碳纖維增強復合材料的應變率敏感特性，發現材料的拉伸強度和拉伸模量均受應變率影響較大，而失效應變受應變率影響較小。

文中結合電子萬能試驗機和高速液壓伺服材料試驗機獲得應變率 6.7×10-4~500 s-1范圍內[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維增強樹脂基復合材料的動態力學性能，分析材料拉伸強度和失效應變的應變率敏感特性及斷裂行為。

1 力學性能試驗

試驗件為碳纖維增強樹脂基復合材料，基本參數見表1。為保證不同加載速度下試驗件應力狀態的一致性，準靜態拉伸試驗和動態拉伸試驗采取相同的試驗件尺寸，如圖1所示。

表1 材料基本參數

1.1 準靜態拉伸試驗

準靜態拉伸試驗平臺為 INSTRON 8801電子萬能試驗機，拉伸載荷通過試驗機自帶的載荷傳感器測得，傳感器量程為 100 kN。拉伸應變通過接觸式引伸計測得，加載速度為 2 mm/min，名義應變率為6.7×10-4s-1。每種鋪層材料各進行4次重復性試驗，得到材料的準靜態真實應力應變曲線如圖2所示。可看出兩種材料的試驗結果均具有較好的一致性，且不同鋪層方式下材料的力學性能區別較大。其中[(±45°)]8鋪層結果呈現出明顯的黏彈性特性，而[(±45°)]4s鋪層結果表現出一定的彈塑性特性。兩種材料的準靜態拉伸破壞結果如圖3所示，可見[(±45°)]4s鋪層破壞形式為燕尾型損傷，[(±45°)]8鋪層破壞形式為剪切破壞。

1.2 中低應變率拉伸試驗

中低應變率拉伸試驗平臺為高速液壓伺服材料試驗機[5]，其最大加載速度為20 m/s，可承受最大沖擊動載為100 kN。試驗件的安裝狀態如圖4所示，試件通過下夾具固定在試驗機上，初始時上夾具與試件不接觸，通過墊塊和抱緊螺栓實現上夾具與試件之間的微接觸狀態。試驗過程中，通過液壓作動筒結合氣體蓄能器提供加載能量，上夾具隨作動筒達到預定加載速度后，墊塊在預定位置被引導桿上的凸臺撞掉。此時，上夾具在抱緊螺栓作用下瞬間夾持住試件，并繼續隨作動筒向上運動，從而實現恒定速率拉伸。試驗中可通過改變上夾具初始位置和引導桿凸臺之間的距離來調整拉伸速度。

在中低應變率拉伸試驗中，可利用DIC數字散斑系統測試高速拉伸過程中試件表面的應變場。其通過在試件的標距段噴涂散斑，利用高速攝像機實時采集目標區域變形的散斑圖像，結合非接觸分析軟件和相關算法計算試件的位移場，進而得到試件表面的應變場。經后處理分析得到動態拉伸應變率，如圖5所示。

得到兩種鋪層碳纖維復合材料中低應變率范圍內的真實應力應變曲線如圖 6所示。可知在應變率6.7×10-4~500 s-1范圍內，應變率對兩種鋪層碳纖維復合材料的力學性能影響均較大。隨著應變率的增加，材料的流動應力顯著增大。其中[(±45°)]8鋪層碳纖維復合材料的拉伸強度通過應變率強化效應可達16.9%，[(±45°)]4s鋪層碳纖維復合材料可達16.2%。

2 材料失效特性分析

不同應變率加載下兩種鋪層碳纖維復合材料的失效結果如圖7和圖8所示。由圖9a可以看出，從準靜態到中應變率范圍內，[(±45°)]8鋪層碳纖維復合材料的失效模式均為剪切失效，并發生局部的纖維斷裂和分層失效，且隨著應變率的提高，破壞區域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應變與應變率范圍相關，在應變率6.7×10-4~10 s-1范圍內變化較小，在應變率10~500 s-1范圍內先減小后增大，而材料的名義失效應力隨應變率的增大逐漸增大。

由圖8可以看出，從準靜態到中應變率范圍內，[(±45°)]4s鋪層碳纖維復合材料的失效模式均為燕尾形失效，并發生局部的纖維斷裂和分層失效，且隨著應變率的提高，破壞區域的分層損傷面積逐漸增大。材料的名義失效應變在應變率6.7×10-4~10 s-1范圍內變化較小，而名義失效應力隨應變率的增大逐漸增大。

3 結論

文中通過試驗方法研究了中低應變率范圍下[(±45°)]4s和[(±45°)]8兩種鋪層碳纖維復合材料的動態力學特性，主要得出如下結論。

1）試驗研究了中低應變率范圍內兩種鋪層碳纖維復合材料的動態力學性能，得到其不同應變率下的真實應力應變曲線，兩種鋪層碳纖維復合材料均具有明顯的應變率強化效應，材料的流動應力隨應變率的提高而顯著增強。

2）中低應變率范圍內，[(±45°)]4s碳纖維復合材料的失效模式為燕尾型破壞，[(±45°)]8為剪切破壞。兩者均發生局部的纖維斷裂和分層失效，且分層損傷面積隨應變率的提高逐漸增大。

3）[(±45°)]8碳纖維復合材料的名義失效應變在應變率 6.7×10-4~10 s-1范圍內變化較小，在應變率10~500 s-1范圍內先減小后增大。[(±45°)]4s碳纖維復合材料在應變率6.7×10-4~10 s-1范圍內變化較小。此外，兩者的名義失效應力均隨應變率的增大而逐漸增大。