拼接與搭接鋪層對復合材料性能影響研究

摘 要：為了解拼接和搭接鋪層對碳纖維復合材料結構的力學性能的影響，設計了7組不同的拼接和搭接鋪層試驗件，根據ASTMD3039標準進行拉伸試驗。結果表明，結構設計鋪層時，應以拼接鋪層為主，對厚度無嚴格要求的區域，可采用搭接鋪層。

關鍵詞：拼接；搭接；碳纖維復合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.011

0 引言

碳纖維復合材料由于其優越的比強度、比剛度和可設計性，廣泛應用于航空航天、船舶工程、建筑工程、機械制造等不同領域，尤其是在航空航天飛行器上得到廣泛應用，并逐漸由次承力構件發展到主承力結構[1-2]。當前大部分的先進復合材料產品都是由預浸料鋪迭后固化而成的。預浸料成型工藝主要有熱壓罐技術與非熱壓罐技術，由于熱壓罐預浸料成型費用昂貴，所以非熱壓罐技術得到了很大的發展[3-4]。由于很多結構件外形復雜，在進行預浸料鋪迭時，需要對預浸料進行裁剪，之后再進行鋪迭，在處理鋪迭縫一般采用的就是拼接與搭接鋪層，這樣必然會影響結構的力學性能。本文碳纖維織物預浸料鋪迭角度出發，探討拼接與搭接鋪層對碳纖維復合材料性能的影響[6-8]。

1 試驗過程與方法

1.1 試樣制備

本試驗的試驗材料為某國產T300織物預浸料。采用非熱壓罐預浸料成型技術中的OOA工藝對織物預浸料進行鋪貼，固化制備試驗件。試驗件共分為7組，一組典型鋪層形式試驗件、三組不同拼接鋪層形式試驗件和三組不同搭接鋪層形式試驗件，試驗件為250mm，寬為25mm，厚為2mm的典型層合板，碳纖維織物預浸料鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]。

1.2 試驗方法

采用ASTMD3039標準，通過萬能試驗機對試驗件進行拉伸試驗，試驗件兩端固定在試驗機夾具上，試驗時需對每個試驗件進行應變測量。為了減小試驗誤差，對每組試驗進行6次試驗，對比多次試驗數據，尋找普遍規律。

2 試驗結果與討論

2.1 典型鋪層形式試驗

典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預浸料鋪設而成，此組試驗為6根試驗件，試驗數據見下表2.1所示。

根據ASTMD3039標準，對表中破壞模式說明：LAB為試驗件夾持段破壞、LWB為試驗件過渡段破壞、LGM為試驗件中部破壞。破壞形式見圖2.1-2.3所示。從此組試驗破壞模式可以看出，由于典型鋪層形式試驗件為整塊碳纖維織物預浸料鋪設而成，破壞位置隨機。

2.2 拼接鋪層形式試驗

拼接鋪層共分三組試驗，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進行斷開拼接鋪層，拼接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進行斷開拼接鋪層，第五層拼接在試驗件正中間，第三層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進行斷開拼接鋪層。拼接位置如下圖2.4所示。第五層拼接在試驗件正中間，第三層與第七層處的拼接縫與第五層拼接縫相距20mm，分別在第五層拼接縫的兩側。如下圖所示。

試驗數據見表2.2-2.4所示。

把這三組拼接試驗件與典型試驗件數據的平均值進行對比，見下表2.5所示。

從表2.5可得，拼接鋪層會降低試驗件的力學性能，且隨著拼接層數的增加，試驗件的最大破壞載荷與最大應變逐漸變小；從破壞模式來看，試驗全部在試驗件中間位置破壞。

2.3 搭接鋪層形式試驗

搭接試驗件共分三組試驗件，鋪層形式為[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一組試驗件在第五層進行斷開搭接鋪層，搭接縫位置在試驗件的正中間，第二組試驗件在第三層和第五層進行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，第三組試驗件在第三層、第五層和第七層進行斷開搭接鋪層，第五層搭接在試驗件正中間，第三層與第七層處的搭接縫與第五層搭接縫相距20mm，分別在第五層搭接縫的兩側。搭接位置如下圖2.5所示。

試驗件數據表2.6-2.8所示。

把這三組搭接試驗件與典型試驗件數據的平均值對比，見下表2.9所示。

從表2.9中可知，搭接鋪層也會降低試驗件的力學性能，但隨著拼接層數的增加，試驗件的力學性能下降無規律且力學性能下降不明顯。從破壞模式來看，第一組試驗都是在試驗件中間破壞，其他兩組試驗件破壞位置也像典型鋪層試驗件一樣隨機出現在試驗件的各個區域。

3 結語

根據上述研究可以得出以下結論：

（1）拼接與搭接試驗件相比典型試驗件力學性能會有所下降。

（2）從拼接試驗件數據可以看出，力學性能下降值在可接受范圍內，故實際鋪層時主要以拼接為主。

（3）拼接試驗件隨著拼接縫數量的增加，力學性能也逐漸下降。所以碳纖維復合材料結構件采用拼接鋪層時，在結構件的一定區域內，應盡可能的使拼接縫相互遠離，使拼接縫產生的缺陷不相互影響。

（4）搭接試驗件的力學性能優于拼接試驗件，但搭接鋪層會使鋪層區的厚度增加且不厚度不均勻，在對厚度沒有嚴格要求的區域可采用。

參考文獻：

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作者簡介：李澄（1988-），男，江蘇丹陽人，碩士，助教，研究方向：復合材料結構設計。