T800碳纖維增強樹脂基單向復合材料動態力學性能測試研究

鮑佳偉，潘月秀，程興旺，3，聶宇坤，王揚衛，3

(1.北京理工大學 材料學院，北京 100081；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.沖擊環境材料技術重點實驗室，北京 100081)

碳纖維具有高比強度、高比模量、低密度、耐高溫和耐腐蝕等優異性能，是復合材料領域中重要的增強體[1-3]。碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)綜合了纖維和基體的優異性能，具有密度低、比強度比模量高和耐高溫性能好等優點，廣泛應用于航空航天、體育娛樂、休閑用品、醫療衛生、新能源交通和土木建筑等領域[4-9]，是一種軍民兩用的高科技復合材料。

隨著碳纖維增強樹脂基復合材料應用領域不斷擴大和深入，部分材料及構件在服役過程中可能涉及高速碰撞等沖擊載荷環境，因此研究碳纖維增強樹脂基復合材料在沖擊環境下的力學性能十分必要。然而，有關碳纖維增強樹脂基復合材料動態力學性能研究的報道十分有限[10-11]；同時，由于單向碳纖維增強環氧樹脂復合材料在宏觀上呈現脆性特征，采用傳統的霍普金森壓桿(SHPB)裝置進行動態壓縮測試時容易出現樣品內應力不均的問題，無法滿足應力均勻假設，從而導致動態力學性能測試數據可靠性不足。本文利用SHPB裝置，從入射波波形調控和優選樣品尺寸兩方面著手，開展國產T800碳纖維增強環氧樹脂單向復合材料的動態壓縮性能測試研究，探討復合材料動態壓縮性能和斷裂行為。

1 試驗過程與方法

1.1 材料

國產T800碳纖維增強環氧樹脂單向復合材料，采用某國產T800碳纖維和603B型環氧樹脂，經過熱熔預浸、鋪層和固化等工藝過程制備所得。復合材料的組織形貌如圖1所示。

圖1 復合材料顯微組織

1.2 試驗方法

采用SHPB裝置測試復合材料的動態壓縮性能。所用撞擊桿材質為55CrSi彈簧鋼，直徑為16 mm，長度為200 mm。入射、透射等波導桿材質同撞擊桿，其直徑為16 mm，長度為800 mm。整形器選用紫銅片，直徑分別為6、8和10 mm，厚度均為0.5 mm，用以分析整形器直徑對加載波形的影響。所用試樣直徑為12 mm，厚度分別為4、5、6和7 mm，用以分析樣品厚度對測試結果的影響。樣品內增強碳纖維方向與沖擊載荷加載方向相同(見圖2)。采用掃描電鏡(日立S4800)對試驗后樣品的動態壓縮斷口形貌進行觀測，分析復合材料的斷裂行為。

圖2 動態壓縮試驗的樣品布置示意圖

2 結果與討論

2.1 脈沖整形器尺寸優選

常規SHPB試驗中，入射加載波陡峭的上升沿給樣品施加了很高的加載率(單位時間內應力增量)。在采用應力脈沖對樣品加載的條件下，一般認為，應力波的前峰在樣品中來回傳播3次以上，樣品內部的應力才能達到基本均勻的狀態，從而滿足SHPB一維應力波理論中關于樣品內應力均勻的假設；但當樣品宏觀上屬于脆性材料時，由于加載波(應力脈沖)的高加載率，可能導致樣品在應力均勻前就發生脆性破壞。因此，脆性材料的SHPB試驗需要進行波形整形，以產生上升沿比較緩和的加載波形[12]。恰當的波形整形不但可使加載的樣品內部應力均勻化，而且可實現樣品的恒應變率變形[13]。在眾多可選的整形器材料中，銅及銅合金的使用最為常見[14-16]，而整形器尺寸因被測材料特性而有所差異，需要進行設計。參考上述研究成果，本研究選用退火態紫銅作為脈沖整形器。

在撞擊桿與入射桿之間安裝厚度為0.5 mm的紫銅片整形器后，在入射桿上測得的入射脈沖波形如圖3所示。

圖3 不同紫銅整形器直徑和撞擊桿發射氣壓組合下獲得的入射應力波波形

由圖3可知，添加整形器后，入射脈沖波形的上升沿變得平緩，有別于傳統的近矩形入射波的陡峭上升沿。由圖3a和圖3b可知，隨著紫銅整形器直徑從6 mm增加至10 mm，入射脈沖上升沿斜率逐漸增大，形狀也從三角形向饅頭形轉變，同時入射脈沖的幅值有效增加。輸入應力脈沖的變化源于不同直徑整形器的波阻抗(Z=ρCA，ρ是材料密度，C是材料中聲波速度，A是面積)變化和載荷傳遞能力的變化，隨著整形器直徑增大，整形器波阻抗和載荷傳遞能力增大，從而增大輸入應力脈沖上升沿的斜率和應力脈沖的高度。由圖3c和圖3d可知，相同尺寸的整形器，增大撞擊桿的發射氣壓后，撞擊桿撞擊速度增加，入射桿上的入射脈沖上升沿斜率增加，同時應力脈沖高度增加。

入射脈沖上升沿斜率反映了對樣品的加載率，進而影響動態加載中樣品的應變速率；因此，通過選取合適的整形器直徑，結合撞擊桿發射速度的控制，就可以獲得不同上升沿斜率和高度的入射脈沖，實現對待測樣品的可控動態加載。針對本文所用碳纖維增強環氧樹脂基單向復合材料在宏觀上呈現脆性的力學性能特征，通過大量的測試，最終選用φ8 mm×0.5 mm的紫銅片，配合撞擊桿入射速度的調整，即可以保證樣品在破壞前實現應力均勻，同時入射脈沖的高度又足以使樣品發生最終動態破壞，測得材料的動態強度數據。

2.2 動態壓縮樣品尺寸優選

樣品的長徑比對動態性能測試結果的影響一直以來都存在爭議[17-19]。在樣品直徑固定時，樣品高度的變化將改變應力彌散和端面摩擦力對樣品內應力分布的影響程度，進而影響動態加載過程中應變率的穩定性，從而影響測試結果。為了滿足SHPB測試過程中樣品內應力均勻、應變率相對恒定的測試要求，不同力學特性的材料對樣品長徑比的要求并不相同。

不同尺寸碳纖維增強環氧樹脂基單向復合材料試樣在霍普金森動態壓縮試驗中，不同發射氣壓所得到的樣品應變率-時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同尺寸試樣在不同氣壓下應變率-時間曲線

由圖4a可知，φ12 mm×4 mm尺寸的試樣不同氣壓下所得到的應變率均無恒定段，不符合SHPB動態試驗恒應變率的要求；圖4b和圖4c表明，φ12 mm×5 mm、φ12 mm×6 mm尺寸的試樣在較高應變率下已經可以獲得應變率恒定段，但在相對較低應變率下應變率恒定段持續時間太短；尺寸為φ12 mm×7 mm的試樣在較寬應變率范圍內(2 750～4 250 s-1)均可以獲得明顯的恒應變率變形階段，有利于獲得更準確的材料動態壓縮力學性能數據。因此，本文選用φ12 mm×7 mm尺寸的試樣用于動態壓縮性能檢測，以更好地滿足SHPB系統動態壓縮試驗要求，提高測試精度。

2.3 復合材料動態力學性能

根據2.2所討論的結果，選用φ12 mm×7 mm尺寸的試樣進行國產T800碳纖維單向增強環氧樹脂復合材料的動態壓縮性能研究。不同應變率下應力-應變曲線圖如圖5所示。

圖5 φ12 mm×7 mm試樣動態壓縮應力-應變曲線

由圖5可知，復合材料的動態壓縮應力隨著應變增加迅速增加，表現出顯著的應變硬化特征；隨著應變率從2 700 s-1增加至3 600 s-1，復合材料斷裂強度逐漸增加，顯示出明顯的應變率硬化效應。在3 600 s-1下，斷裂應變為11.9%，動態壓縮強度達到805 MPa。

2.4 復合材料失效形式

復合材料在動態壓縮加載條件下的宏觀斷裂形貌如圖6所示，在本試驗的動態加載條件下，復合材料均發生斷裂破壞，其典型破壞特征為沿加載方向發生劈裂。

圖6 復合材料動態壓縮條件下宏觀斷口形貌

復合材料在動態壓縮試驗后，回收樣品的典型斷口形貌如圖7所示。

圖7 復合材料動態壓縮斷裂形貌

從圖7a可見，動態壓縮加載下，纖維與環氧樹脂基體出現了脫粘的現象，進而降低了增強纖維和基體之間的載荷傳遞能力。圖7b是一個與樣品軸線呈一定傾角的剪切斷口形貌，可見纖維和樹脂基體整齊切斷的斷口表面，局部可見部分纖維拔出特征，拔出長度約為25 μm，這種斷裂特征與環氧基體和纖維之間彈性性質(彈性模量和泊松比)的明顯差異產生的額外界面拉伸應力相關，纖維與基體界面強度降低，將促進這種纖維拔出斷裂形式形成，宏觀上有助于提高復合材料的韌性。圖7c是沖擊載荷作用下脆性環氧基體發生解理斷裂所呈現的典型河流花樣，整個視場內少有纖維斷裂的情形，這與樣品宏觀縱向劈裂特征相對應，當樣品軸向動態壓縮時，端面摩擦力的耦合作用，使得樣品內部主要受到額外徑向拉伸應力而發生縱向開裂。圖7d中，復合材料斷口中出現了樹脂基體斷裂的梳排狀花樣，這是分層剪切斷裂的典型特征，說明復合材料在宏觀沖擊壓縮載荷下局部形成了滑剪或扭剪載荷作用。

綜上所述，復合材料在動態壓縮試驗中的失效形式包括纖維/基體脫粘、纖維拔出斷裂、復合材料整體剪切斷裂、基體解理開裂和基體分層剪切斷裂等5種。在沖擊壓縮加載下，樣品內多種斷裂形式均有出現，隨著加載應變率的提高，不同斷裂形式所占比例有所變化，其變化規律及其內在機制有待后續進一步深入研究。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)針對φ16 mm波導桿，優選φ8 mm×0.5 mm退火態紫銅整形器、φ12 mm×7 mm尺寸的樣品，可以滿足SHPB關于樣品內應力均勻假設，并實現對碳纖維單向增強環氧復合材料的恒應變率動態加載測試。

2)T800碳纖維單向增強環氧樹脂復合材料在動態壓縮時具有顯著的應變硬化和應變率硬化效應，在3 600 s-1下，斷裂應變為11.9%，動態壓縮強度達到805 MPa。

3)動態壓縮載荷下，碳纖維增強環氧基復合材料的失效形式包括纖維/基體脫粘、纖維拔出斷裂、復合材料整體剪切斷裂、基體解理開裂和基體分層剪切斷裂等5種。