預埋不同質量分數碳納米紙對CFRP低溫彎曲性能影響的研究

徐繼文 鄭 偉 劉松良 單春海 周金磊

（1.沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.海裝沈陽局駐沈陽地區第一軍事代表室，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）因耐腐蝕、質量輕、可設計性強、便于大面積成型等優點，從而被廣泛應用于航空航天領域［1］。飛行器在服役期間，會長時間在低溫環境中飛行，飛機上的CFRP構件，如飛機機翼、翼尖、水平尾翼等會因承受彎曲等多種應力而出現斷裂、損傷等問題，而復合材料層間的結合強度較弱。大量研究表明，預埋碳納米管、石墨烯等納米增強材料能有效增強復合材料層的力學性能［2］。因此，本研究對預埋碳納米紙的CFRP層合板進行研究，以此來提升復合材料在低溫環境中的彎曲性能。

飛機在服役過程中，其服役高度通常為8 000～20 000 m［2］，飛機一般處在-70℃～-45℃環境中?，F如今，已有國內外學者對低溫環境對飛機上的CFRP構件性能的影響進行研究。張建寶等［3］對T800/607復合材料在低溫中的彎曲性能進行研究，研究結果表明，單向鋪層的T800/607復合材料在20 K的超低溫環境中彎曲性能的變化最敏感，可使材料的彎曲強度提升71.7%。翁春曉等［4］在超低溫環境中對增強復合材料進行研究，先將環氧樹脂和碳纖維織物作為增強介質，將其預埋在復合材料中，觀察復合材料在低溫環境中的強度變化，發現在低溫環境中，復合材料的彎曲強度會有所提升。對不同環境溫度影響CFRP彎曲性能進行研究，結果表明，CFRP的彎曲性能在低溫環境中有所增強，而在低溫循環環境中有所減弱［5-8］。Bechel等［9］通過對比試驗的方法研究了高低溫循環加載條件對CFRP復合材料損傷累計剖面、材料韌性等的影響，結果表明，高低溫循環加載會使材料內部結構產生很大的損傷，會在很大程度上影響材料的力學性能。

目前，碳納米管、石墨烯等材料作為增強體被大范圍應用［10-11］。肇研等［12］將不同含量（1wt %、2wt%、3wt%）的多壁碳納米管與840S環氧樹脂進行混合，制備多壁碳納米管增強復合材料，測試并討論復合材料的彎曲性能。結果表明，與原始試樣相比，加入不同含量的多壁碳納米管復合材料的彎曲模量均有所增加，最大的增加值在加入量為1wt%時獲得。在彎曲強度方面，僅加入1wt%多壁碳納米管的復合材料有所增加。Qu等［13］通過在復合材料層間預埋石墨烯，并通過熱壓罐固化不同體積分數的石墨烯來增強介質，研究發現，預埋石墨烯能有效提高碳纖維復合材料的低溫和常溫力學性能，驗證了預埋體積分數為0.2%的石墨烯碳纖維復合材料對增強低溫彎曲和層間的剪切性能效果最好。由于碳納米管在樹脂基體中均勻分散較為困難，常出現團聚的現象，從而造成增強效果不足，碳納米管薄膜能很好地避免這一缺陷，很多學者已通過碳納米紙來改善CFRP層合板的力學性能。Li等［14］通過研究碳納米紙對CFRP構件層間彎曲強度的影響，驗證了固化溫度在固化CFRP層合板的試驗中會產生很大影響，固化溫度一旦升高，碳納米管就會跟著樹脂一起流動，其會逐漸擴散到纖維的表面，能有效增強纖維-基體界面的黏結能力，從而提高碳纖維復合材料的力學性能。Prusty等［15］在低溫、高溫和室溫三種環境下分別對預埋碳納米紙的復合材料進行彎曲試驗，將試驗結果與無預埋碳納米紙的復合材料進行對比，結果表明，高溫條件下，有無預埋碳納米紙復合材料的抗彎強度顯著下降。常溫、低溫環境中預埋碳納米紙的復合材料的抗彎強度均高于無預埋碳納米紙復合材料。

綜上所述，碳納米紙作為增強介質有著廣泛的應用，而針對不同質量分數碳納米紙的研究相對較少［16］。因此，本研究選擇對預埋不同質量分數碳納米紙CFRP層合板的低溫彎曲性能進行研究，在低溫環境中分別對預埋不同質量分數碳納米紙的CFRP層合板進行三點彎曲試驗，將試驗結果與SEM圖像結合，并進行分析，得出碳納米紙對CFRP層合板彎曲性能的增強機理，以及不同質量分數碳納米紙中對CFRP層合板的彎曲性能增強效果最優的選擇。

1 試驗部分

1.1 不同質量分數碳納米紙的制備

本研究采用壓濾法來制備不同質量分數的碳納米紙，碳納米管參數詳見表1，制備示意圖如圖1所示。首先，根據60∶1的比例將不同質量的碳納米管（100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）和曲拉通試劑（Triton X-100，天津阿法埃沙公司）混合研磨90 min，加入1 000 mL去離子水，并機械攪拌2 h。攪拌完成后，將溶液放入超聲箱（LC-JY99-IIDN）中進行超聲分散40 min（開始2 s，關閉2 s，功率為1 00 W），使溶液充分分散。然后將超聲處理后的溶液放入離心機（TG-16W）中，并在6 000 r/min的轉速下離心處理20 min，離心后取上層清液，得到多壁碳納米管分散液。最后，將穩定的碳納米管分散液倒入壓濾器內，經壓濾后得到碳納米管薄膜，在80℃烘干箱中干燥2 h后得到碳納米紙，碳納米紙及其微觀組織如圖2所示。

圖2 碳納米紙及其微觀組織圖

表1 碳納米管各項參數

圖1 碳納米紙制備示意圖

1.2 試驗條件

1.2.1 試驗方案。為了研究預埋不同質量分數碳納米紙對CFRP層合板低溫彎曲性能的影響，設計出的彎曲試驗方案如表2所示，每組5個樣件。

表2 彎曲試驗方案

1.2.2 試件制備。本研究使用的碳纖維/環氧樹脂單向預浸料厚度為0.125 mm，預埋不同質量分數碳納米紙的碳纖維層合板的手工鋪貼順序為［0°］8 s，共鋪設16層。根據三點彎曲試驗的國家標準（GB/T 3356—2014）對碳纖維增強環氧樹脂復合材料進行裁剪，并直接將不同質量分數的碳納米紙附著在CFRP層合板的第1、2層和第15、16層之間，如圖3所示。最后將待固化的試件放入熱壓罐，在120℃和0.6 MPa的固化壓力下固化2 h后，再經過1 h的降溫過程，最終得到試驗所需的CFRP層合板。

圖3 碳納米紙在CFRP層合板上的位置示意圖

1.2.3 試驗設備。該試驗采用的是INSTRON 3365通用型多功能試驗機，試驗裝置的示意圖如圖4所示。參照國家標準（GB/T 3356—2014）來進行試驗，此次進行試驗的設備其基本數據如下，壓頭半徑為3 mm、下支撐半徑為3 mm、彎曲跨度為60 mm、壓頭加載設置為1 mm/min、卸載速度設置為2 mm/min。

圖4 三點彎曲試驗裝置及試件尺寸圖

保持其他條件統一，在低溫（-50℃）環境中對6組試件進行加載試驗。在此次試驗中，選擇的加載方法為朝著CFRP試件中點施以連續的彎曲靜力載荷，等試件達到破壞后停止試驗。每組試件在相同條件下分別進行5次，并取其平均值，從而保證數據的準確性。

加載載荷、位移等試驗數據可通過計算機直接獲得，并轉化為機械應力（σ），同時定義機械應變（ε），通過在相同應變下，比較試件所承受的最大應力來判斷試件的彎曲性能。試驗中通過改變載荷P來改變試件所受的機械應力。機械應力與應變見式（1）、式（2）。

式中：P為荷載，N；L為支撐跨距，mm；b為試件寬度，mm；δ為壓頭撓度，mm；h為試件厚度，mm。

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變曲線

在常溫和低溫環境中，分別對有無預埋碳納米紙的CFRP層合板進行三點彎曲試驗，并導出數據，再使用Origin軟件繪制出應力-應變曲線，如圖5所示。

對圖5分析后可知，在常溫環境中，預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的B0試件能承受的應力最大，比常溫下無預埋的A0試件能承受的應力數值更大。在低溫環境中，預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的B1試件能承受的應力最大，比低溫環境中無預埋的A1試件能承受的應力數值更大。低溫環境中預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的B1試件能承受的應力，要比常溫環境中預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的B0試件能承受的應力數值更大。低溫環境中無預埋的A1試件能承受的應力，要比常溫環境中無預埋的A0試件能承受的應力數值大。即在常溫和低溫環境中，預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的CFRP層合板的彎曲性能均強于無預埋的CFRP層合板。有無預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）CFRP層合板的彎曲性能，均是低溫狀態中強于常溫狀態。

圖5 有無預埋碳納米紙CFRP層合板應力-應變曲線

在低溫環境中，對預埋不同質量分數碳納米紙的CFRP層合板進行三點彎曲試驗，導出數據，并使用Origin軟件繪制出應力-應變曲線，如圖6所示。

圖6 低溫下預埋不同質量分數碳納米紙CFRP層合板應力-應變曲線

對圖6分析后可知，低溫環境中，預埋不同質量分數的碳納米紙（碳納米管質量100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）的CFRP試件能承受的應力，均比低溫環境中無預埋的A1試件能承受的應力數值大。在低溫環境中，預埋不同質量分數的碳納米紙對CFRP試件能承受的應力會隨著碳納米紙質量分數的增高而增高，但當碳納米紙的質量分數達到一定值時，預埋碳納米紙（碳納米管質量700 mg）的CFRP試件能承受的應力比預埋碳納米紙（碳納米管質量600 mg）的CFRP試件能承受的應力數值要小，即隨著碳納米紙質量分數的增高，CFRP試件能承受的應力會呈現先上升后下降的趨勢。其中，在層間預埋碳納米紙（碳納米管質量600 mg）時對CFRP層合板彎曲性能的增強效果最好。

2.2 碳納米紙增強機理分析

圖7為纖維-樹脂-碳納米管界面的示意圖，由圖7可以看出，當壓頭接觸層合板產生裂紋時，碳納米管通過橋接作用來阻礙裂紋的擴展，從而增加裂紋擴展所需的載荷，即提高CFRP層合板的層間彎曲性能。

圖7 纖維-樹脂-碳納米管界面的示意圖

由圖5可知，在CFRP層合板間預埋碳納米紙時，可產生更優異的彎曲性能，結合圖7，碳纖維中的樹脂能滲透到碳納米紙中，且二者結合后的界面性能相對較好。因此，預埋碳納米紙的CFRP層合板的彎曲性能要強于無預埋。同時，由于溫度降低，纖維和樹脂會出現不同程度的收縮，從而增加界面間的摩擦，以及纖維與樹脂界面的黏接性。因此，預埋碳納米紙在低溫環境中對CFRP層合板彎曲性能的增強效果要強于常溫環境。

由圖6可知，不同質量分數的碳納米紙對CFRP層合板彎曲性能有不同的增強效果，結合圖7可以發現，隨著碳納米紙質量分數的增加，纖維中的樹脂能更充分地滲透到碳納米紙中。因此，對CFRP層合板彎曲性能的增強效果會更好，但當碳納米紙質量分數過高時，過多的碳納米管會成為雜質，會使碳纖維中的樹脂無法充分地滲透到碳納米紙中，導致對CFRP層合板彎曲性能的增強效果變差。

3 結論

①通過在常溫、低溫環境中對有無預埋碳納米紙的CFRP層合板進行三點彎曲試驗，分析試驗數據后得出，在常溫環境中，預埋碳納米紙的B0試件的彎曲強度比無預埋的A0試件提高了18.9%。在低溫環境中，預埋碳納米紙的B1試件的彎曲強度相較于無預埋的A1試件提高了13.2%。在低溫環境中，預埋碳納米紙的B1試件的彎曲強度相較于常溫環境中預埋碳納米紙的B0試件提高了7.7%。在低溫環境中，無預埋的A1試件的彎曲強度相較于常溫環境中無預埋的A0試件提高了13.2%。驗證了低溫中預埋碳納米紙能有效增強CFRP層合板的彎曲性能。

②通過在低溫中對預埋不同質量分數碳納米紙的CFRP層合板進行三點彎曲試驗，分析試驗數據得出，預埋碳納米紙（碳納米管質量100 mg）的B1試件的彎曲強度比無預埋的A1試件提高了13.2%；預埋碳納米紙（碳納米管質量300 mg）的C1試件的彎曲強度比無預埋的A1試件提高了17.9%；預埋碳納米紙（碳納米管質量500 mg）的D1試件的彎曲強度比無預埋的A1試件提高了25.1%；預埋碳納米紙（碳納米管質量600 mg）的E1試件的彎曲強度比無預埋的A1試件提高了33.8%；預埋碳納米紙（碳納米管質量700 mg）的F1試件的彎曲強度比無預埋的A1試件提高了17.1%。即在層間預埋碳納米紙（碳納米管質量600 mg）時，對CFRP層合板彎曲性能的增強效果最好。

③通過理論分析，并結合預埋層微觀圖得出，制備預埋碳納米紙的CFRP層合板時，碳纖維中的樹脂能滲透到碳納米紙，增強了纖維/基體界面的黏接性，提高界面強度。當發生斷裂破壞時，碳納米管可通過橋接作用，在產生裂紋的初期階段起到抑制作用，以提高樹脂基體的抗破壞性能，所以預埋碳納米紙可增強CFRP層合板低溫彎曲性能。