碳纖維復(fù)合材料力學性能研究進展

段裕熙，張凱，徐偉芳，陳軍紅，龔芹

碳纖維復(fù)合材料力學性能研究進展

段裕熙，張凱*，徐偉芳，陳軍紅，龔芹

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

綜述碳纖維復(fù)合材料這一熱結(jié)構(gòu)材料的力學性能研究進展，推進碳纖維復(fù)合材料的研制和應(yīng)用。采用文獻調(diào)研法，梳理和匯總國內(nèi)外有關(guān)碳纖維復(fù)合材料力學性能的研究內(nèi)容，對二維復(fù)合材料、針刺復(fù)合材料及三維編織復(fù)合材料3種結(jié)構(gòu)進行性能影響因素分析。影響碳纖維復(fù)合材料靜態(tài)和動態(tài)力學性能的因素主要有溫度、應(yīng)變率、密度等，提出應(yīng)進一步開展碳纖維復(fù)合材料在多因素耦合及高溫動態(tài)性能方面的研究。

碳纖維復(fù)合材料；靜態(tài)力學性能；動態(tài)力學性能；三維編織復(fù)合材料

碳纖維由有機纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，它是含碳量高于90%的無機高性能纖維，既具有碳材料的固有本征，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性。相較于單獨使用，碳纖維更多以復(fù)合材料的形式出現(xiàn)，即與樹脂、陶瓷、金屬等基體復(fù)合形成碳纖維復(fù)合材料，如碳纖維增強塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）、碳纖維增強橡膠（Carbon Fiber Reinforced Rubber，CFRR）、碳纖維增強碳基復(fù)合材料（C/C）、碳纖維增強金屬復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Metal，CFRM）、碳纖維增強陶瓷（Carbon Fiber Reinforced Ceramics，CFRC）等[1-2]。碳纖維復(fù)合材料還可按照結(jié)構(gòu)分為二維復(fù)合材料、針刺復(fù)合材料、三維編織復(fù)合材料等，不同的材料結(jié)構(gòu)對材料性質(zhì)的影響也不同[3]。結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷（如孔隙、微裂縫、界面脫層等）也會造成應(yīng)力集中等現(xiàn)象，從而對材料的性能產(chǎn)生影響[4-6]。碳纖維復(fù)合材料作為常用的熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有密度小、耐高溫、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用于經(jīng)濟、科學技術(shù)等領(lǐng)域[7]。

隨著碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)的提升，以及對該材料物理、化學性能，特別是力學性能的大量研究，進一步推進了碳纖維復(fù)合材料的規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化，促進了碳纖維復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[8]。隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，將它應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)中需要獲得更翔實、更準確的力學性能，例如不同載荷作用下的變形特征、失效模式和破壞機制等。為此，文中根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分類，從二維材料、針刺復(fù)合材料和三維材料3個方面，詳細研究了碳纖維復(fù)合材料力學性能及其試驗研究方法的現(xiàn)狀。

1 二維材料力學性能

大多數(shù)二維復(fù)合材料以層合的形式出現(xiàn)，是由不同鋪層角度的單層板粘連而成的多層結(jié)構(gòu)。其中，單層板由經(jīng)紗和緯紗交錯編織而成，兩者相互垂直，且因編織結(jié)構(gòu)的不同，使得形成的材料具有不同的截面和性能。

1.1 二維碳/碳復(fù)合材料

陳霏[9]利用含基體層合板結(jié)構(gòu)模型和有限元軟件，建立了含孔隙的碳纖維層合板三點彎曲模型，討論了孔隙率、孔隙形狀、孔隙分布對層合板彎曲剛度的影響規(guī)律。研究表明，孔隙形狀對分層和彎曲剛度的影響不大；彎曲剛度隨著孔隙率的上升呈下降趨勢；孔隙的分布對層合板分層的影響較大，出現(xiàn)了不同的分層擴展抗性。徐凱[10]對二維碳/碳復(fù)合材料進行了微觀結(jié)構(gòu)觀測，同時利用單軸和雙軸力學試驗得到了材料的強度和破壞形貌。結(jié)果表明，材料內(nèi)部缺陷加劇了應(yīng)力集中，孔隙率的上升造成材料的彈性模量顯著下降。孫萬昌等[11]利用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對二維碳/碳復(fù)合材料的基體微結(jié)構(gòu)和斷口形貌進行了觀測與分析，討論了微觀結(jié)構(gòu)對材料宏觀力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在不同沉積溫度下得到的基體熱解碳會因結(jié)構(gòu)（包括粗糙層和光滑層）的不同對材料的彎曲強度和韌性造成影響，其中粗糙層結(jié)構(gòu)有利于提高材料的彎曲強度，而光滑層結(jié)構(gòu)有利于提高材料的韌性。

由此可知，二維碳/碳復(fù)合材料的靜態(tài)力學性能受到材料微觀結(jié)構(gòu)的影響：孔隙率與材料的強度呈負相關(guān)，基體熱解碳光滑層的形成對于材料的韌性有提升作用。

1.2 二維碳/碳化硅復(fù)合材料

在材料微觀結(jié)構(gòu)的影響方面，郭輝[12]對二維編織碳/碳化硅復(fù)合材料進行了拉伸力學性能測試，并對試件斷口進行了觀察，發(fā)現(xiàn)材料的拉伸失效由碳纖維的斷裂主導(dǎo)，內(nèi)部孔洞和缺陷會造成材料性能的下降。張偉等[13]對二維編織碳/碳化硅復(fù)合材料在高溫環(huán)境的拉伸性能進行了試驗，通過斷口的微觀斷裂圖分析了材料的損傷和斷裂機制，發(fā)現(xiàn)纖維的斷裂和收縮是材料拉伸破壞的主導(dǎo)因素。兩者的結(jié)論具有相似性，說明在不同環(huán)境溫度下，碳纖維的斷裂都是材料拉伸破壞的主要形式。董士博[14]也驗證了上述結(jié)論，即材料的拉伸性能主要由纖維束的性能決定。

溫度對材料的影響也受到廣泛關(guān)注。牛學寶等[15]通過壓縮試驗機對二維碳/碳化硅復(fù)合材料在空氣中的高溫面外壓縮強度進行了研究，并觀察了其斷口。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，在溫度低于700 ℃時，材料的壓縮強度隨著溫度的上升逐漸升高；在溫度高于700 ℃后，材料的壓縮強度隨著溫度的上升呈緩慢降低趨勢。經(jīng)研究認為，強度拐點在700 ℃處的原因是，纖維與基體的熱膨脹系數(shù)的不同造成殘余應(yīng)力隨著溫度的升高而逐漸降低，在高溫下氧化損傷程度隨著溫度的升高逐漸增強，兩者共同導(dǎo)致材料壓縮強度發(fā)生變化。Yoon等[16]也得出了材料壓縮強度隨著溫度的增加呈先增后減趨勢的結(jié)論。董士博[14]對碳/碳化硅復(fù)合材料進行了高溫拉伸、壓縮和層間剪切試驗，觀察了試樣內(nèi)部和斷面的微觀結(jié)構(gòu)，研究了孔隙率和密度對材料力學性能的影響。研究表明，材料的高溫強度與基體內(nèi)部的孔洞，以及基體與纖維束的結(jié)合能力相關(guān)，即在高溫下材料的壓縮性能和層間剪切性能與孔隙率和密度存在較大相關(guān)性。陳偉華等[17]除測試碳/碳化硅復(fù)合材料在不同溫度下（室溫、500 ℃、1 000 ℃）的壓縮、拉伸力學性能，還進行了彎曲力學性能試驗，并用掃描電鏡對材料的斷口進行了觀測分析。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下材料的結(jié)構(gòu)完整（圖1a），隨著溫度的升高，基體內(nèi)的微裂縫擴展，壓力承載由基體逐漸轉(zhuǎn)為碳纖維，而碳纖維被氧化變細（圖1b），甚至消失（見圖1c）；材料基體受到損傷，纖維增韌機制逐漸消失，材料的性能下降（壓縮強度降低了68%，彎曲強度降低了42%，拉伸強度降低了38%）。通過總結(jié)二維碳/碳化硅復(fù)合材料的靜態(tài)力學性能研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料的強度隨著溫度的升高呈先增后減的趨勢，且受到材料的孔隙率和密度的影響；高溫導(dǎo)致基體受到損傷，碳纖維氧化，材料的性能下降。

在靜態(tài)力學性能研究的基礎(chǔ)上，研究人員對材料的動態(tài)力學性能進行了補充。索濤等[18]使用分離式霍普金森桿對高溫和高應(yīng)變率下碳/碳化硅復(fù)合材料的動態(tài)壓縮性能進行了研究。研究表明，材料在高溫下的動態(tài)壓縮性能由殘余應(yīng)力釋放和應(yīng)力作用下的氧化損傷共同決定，且受到溫度和應(yīng)變率的影響，隨著溫度的升高，殘余應(yīng)力釋放所造成的影響逐步小于氧化損傷的影響，材料的壓縮強度呈先增后減的趨勢；隨著應(yīng)變率的上升，加載時間縮短，氧化損傷造成的相對影響逐步減小。Zhang等[19]針對碳/碳化硅復(fù)合材料動態(tài)壓縮的相關(guān)研究內(nèi)容進行了補充，結(jié)果表明，在空氣中壓縮強度的應(yīng)變率敏感度相較于在氬氣環(huán)境中得到明顯提升；應(yīng)變率增大，局部應(yīng)力集中的影響增大。陳煊等[20]利用分離式霍普金森拉桿和SEM等裝置研究了二維碳/碳化硅復(fù)合材料的拉伸力學性能和失效機制。結(jié)果表明，高應(yīng)變率導(dǎo)致的加載時間縮短，使得材料內(nèi)部裂紋不足以成核和擴展，這就需要更高的能量和應(yīng)力，最終表現(xiàn)為材料的動態(tài)拉伸強度強于靜態(tài)。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，二維碳/碳化硅復(fù)合材料是一種應(yīng)變率相關(guān)材料，存在應(yīng)變率強化效應(yīng)，且材料的強度受到溫度的影響。

1.3 二維碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

Naik等[21]利用SHPB裝置在680～2 890 s?1的應(yīng)變率范圍內(nèi)對平織碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進行了壓縮性能研究，結(jié)果表明，在高應(yīng)變率加載下材料的力學性能比在準靜態(tài)時有所提升，但在高應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)變率對壓縮性能無顯著影響。Zhang等[22]在不同應(yīng)變率（4×10?5～160 s?1）下對碳/環(huán)氧樹脂層合板進行了靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗。結(jié)果表明，材料的拉伸性能具有應(yīng)變率相關(guān)性，拉伸強度、彈性模量和破壞應(yīng)變均隨著應(yīng)變速率的增加而顯著增加，且層合板的應(yīng)變率敏感性使其在高應(yīng)變速率下的失效模式明顯不同于準靜態(tài)載荷和低應(yīng)變率下的失效模式。Rouf等[23]通過橫向準靜態(tài)和動態(tài)加載試驗對碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料強度的增加進行了更細致的研究。結(jié)果表明，在不同應(yīng)變率下材料的力學響應(yīng)存在差異，應(yīng)變率為16 s?1時的拉伸強度相較于準靜態(tài)時增加了16%，在應(yīng)變率160 s?1下的壓縮屈服應(yīng)力和強度相較于準靜態(tài)時分別增加了94%、96%。

除應(yīng)變率外，材料性能還受到溫度的影響。Ou等[24]研究了碳/環(huán)氧復(fù)合材料在6種溫度（?25、0、25、50、75、100 ℃）條件下的拉伸性能和破壞行為。結(jié)果表明，當溫度從75 ℃升至100 ℃時，材料的拉伸強度下降了21%；當溫度從?25 ℃升至75 ℃時，材料的拉伸強度基本未發(fā)生變化；在25 ℃下，材料的韌性比在低溫和高溫下的韌性分別提高了30.2%、32.1%；破壞形態(tài)也與溫度有關(guān)，當測試溫度升高時，由于纖維與基體的結(jié)合強度降低，失效后纖維脫黏更明顯。劉新等[25]在室溫和超低溫（?183 ℃）下對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合板進行了拉伸和彎曲試驗，研究了材料在超低溫環(huán)境下的力學性能。結(jié)果表明，與室溫相比，在超低溫下材料的拉伸強度下降了9.5%，這主要是因樹脂的收縮使得碳纖維與樹脂之間形成了強界面；材料的拉伸模量上升了6.2%，原因是樹脂大分子鏈的運動受限；材料的彎曲強度和模量分別上升了54.75%、11.64%，主要是因強界面的形成，提高了材料抗剪切分層的能力。與劉新等[25]采用的方法相比，駱雪芹等[26]在室溫和超低溫間增添了溫度組（25、?55、?120、?183 ℃）來研究CFRP的彎曲性能。結(jié)果表明，當溫度由25 ℃降至?183℃時，材料的彎曲強度和模量分別上升了66.7%、10.3%，兩者的結(jié)果具有相似性且相互印證。

根據(jù)上述研究成果發(fā)現(xiàn)，二維碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料受到應(yīng)變率和溫度的影響。材料的拉伸力學性能隨著應(yīng)變率的上升而增加，當應(yīng)變率過高時，該影響因素對壓縮強度的影響并不明顯；在?183～100 ℃范圍內(nèi)，材料的拉伸強度呈先增后減的趨勢，材料的彎曲強度隨著溫度的降低而上升。

2 針刺復(fù)合材料力學性能

在預(yù)制體制備過程中，通過在每一鋪層或單向纖維層片及正交纖維織物層片上使用帶有倒鉤的針進行針刺以引入向纖維的方法，制備出針刺向纖維連接層間復(fù)合材料，即針刺復(fù)合材料[27]。

2.1 靜態(tài)力學性能

微觀結(jié)構(gòu)和制備參數(shù)影響著材料的性能。李偉等[28]對經(jīng)石墨化處理的針刺碳/碳復(fù)合材料進行了微觀掃描和三點彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)處理后高織構(gòu)熱解碳層間的作用力減弱，而纖維?低織構(gòu)熱解碳基體界面被弱化，兩者都對材料的韌性起著提升作用。為了研究針刺工藝參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料的影響，程海霞等[29]以針刺密度和深度為變量進行了面內(nèi)拉伸和層間剪切試驗，結(jié)果表明，碳纖維針刺復(fù)合材料的面內(nèi)拉伸性能隨著針刺密度和深度的增加呈下降趨勢，層間剪切性能隨著針刺密度、深度的增加呈先增后減趨勢，且針刺深度對材料力學性能的影響比針刺密度大。解惠貞等[30]在不同體積密度（1.70、1.82、1.89 g/cm3）下對材料性能的影響進行了補充。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度隨著密度的升高而降低，且高密度材料的纖維與基體間的結(jié)合強度更高，更容易脆斷；材料的壓縮強度和剪切強度隨著密度的增加呈先升高后下降的趨勢。綜合上述研究可知，針刺碳/碳復(fù)合材料的拉伸強度主要受到纖維性能的影響，材料的體積密度、針刺密度、針刺深度越大，對纖維韌性、強度的負向作用越強；層間剪切強度與壓縮強度相似，適當增加材料的體積密度、針刺密度、針刺深度，能增強纖維?基體界面的強度，但參數(shù)值過大對材料韌性的負向作用超過了對材料界面結(jié)合強度的正向作用，兩者共同作用導(dǎo)致材料的強度有所下降。

張波等[31]使用通電加熱技術(shù)對針刺碳/碳復(fù)合材料進行了不同溫度條件下的剪切試驗，研究發(fā)現(xiàn)，在常溫至1 800 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，基體的殘余熱應(yīng)力逐漸釋放，材料的剪切強度和纖維強度增大。分析對比試樣斷裂面的SEM圖發(fā)現(xiàn)，試樣的斷裂模式也隨著溫度的變化而變化，在室溫下材料呈假塑性斷裂，在700～1 800 ℃條件下，表現(xiàn)為脆性斷裂，溫度越高，斷口燒蝕得越嚴重，且無纖維拔出。李明旭[32]對針刺碳/碳復(fù)合材料在超高溫條件下的拉伸力學性能進行了試驗，結(jié)果表明，當溫度低于1 600 ℃時，材料的拉伸強度與溫度升高的關(guān)系不大；當溫度大于1 600 ℃后，材料的拉伸強度隨著溫度的升高快速降低，且溫度越高，拉伸強度衰減得越迅速。吳迪[33]從單一應(yīng)力狀態(tài)試驗出發(fā)，結(jié)合雙軸力學試驗，探究了材料的力學性能。通過分析最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層間剪切破壞模式主要為纖維剪斷破壞，面外壓縮的破壞模式為層間分裂破壞，面外拉伸的破壞模式主要為纖維斷裂和纖維拔出；在層間剪切試驗中，材料的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系呈明顯的非線性關(guān)系，在面外壓縮試驗中，材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線基本以準線性變化為主，在面外拉伸試驗中拉伸彈性模量在加載過程中基本不變。針刺碳/碳復(fù)合材料的靜態(tài)力學性能受到溫度和應(yīng)變率的影響，材料的強度在700 ℃以下時隨著溫度的上升呈增大趨勢，且在超過700 ℃后隨溫度的升高急劇下降；材料剪切破壞具有明顯的非線性關(guān)系，且隨著溫度的升高由假塑性轉(zhuǎn)為脆性，壓縮破壞呈準線性且具有應(yīng)變率效應(yīng)，拉伸破壞由纖維破壞主導(dǎo)。

2.2 動態(tài)力學性能

索濤等[34]使用分離式霍普金森壓桿對針刺碳/碳化硅復(fù)合材料進行了室溫下的動態(tài)壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)材料呈明顯的偽塑性，且具有應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著應(yīng)變率的升高其壓縮強度增大。Li等[35]利用霍普金森桿研究了應(yīng)變率為10?4～6.5×103s?1、溫度為室溫至300 ℃時對材料壓縮力學性能和破壞模式的影響，所得結(jié)論與索濤等[34]相同，即針刺復(fù)合材料的徑向和軸向壓縮都具有應(yīng)變率敏感性，且通過試驗發(fā)現(xiàn)，在高應(yīng)變率下材料表現(xiàn)出溫度敏感性。Jin等[36]利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）在室溫和300 ℃下測試了不同應(yīng)變率（2.08×10?4～1 862.9 s?1）對針刺碳/碳復(fù)合材料壓縮破壞模式和強度的影響。結(jié)果表明，材料的壓縮強度隨著應(yīng)變率和溫度的增加而增加，與材料靜態(tài)力學性能相似；在準靜態(tài)條件下，破壞模式主要為低應(yīng)變率的纖維束拔出和破壞，高應(yīng)變率的纖維束破壞（圖2）；在動態(tài)試驗中，材料應(yīng)力在初期表現(xiàn)為線性增加，但在裂縫積累到極限后急速下降，試樣呈現(xiàn)爆發(fā)式損傷，碎成細小碎片。

此外，還有研究對材料強度等的經(jīng)驗公式進行了總結(jié)。如Jin等[36]總結(jié)了針刺碳/碳復(fù)合材料的動態(tài)壓縮試驗數(shù)據(jù)，提出基于線性匹配算法的方程，可以預(yù)測工程應(yīng)用中復(fù)合材料的壓縮強度，在常溫條件下的計算見式（1），在300 ℃條件下見式（2）。

圖2 在300 ℃下針刺碳/碳復(fù)合物的破壞模式[36]

Fig.2 Failure modes of needle-punched C/C composites at 300 ℃[36]

3 三維編織復(fù)合材料力學性能

三維編織復(fù)合材料指由不同方向的纖維束構(gòu)成的、具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。相較于二維層合復(fù)合材料和針刺復(fù)合材料，三維編織復(fù)合材料具有更好的整體性、層間剪切強度和斷裂韌性。

3.1 靜態(tài)力學性能

高雄[37]從經(jīng)紗、緯紗和厚度3個方向入手，對不同編織結(jié)構(gòu)（淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)、淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)、三向正交結(jié)構(gòu)）的三維碳纖維機織物進行了拉伸、壓縮、彎曲、短梁剪切測試，并對比分析了整體的力學性能。研究發(fā)現(xiàn)，與淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)和淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，三向正交結(jié)構(gòu)的經(jīng)向性能更好，但其緯向性能有待提高，向的三點彎曲性能和短梁剪切性能更好，但壓縮性能較差。在對特定方向性能要求較高的條件下，三向正交為優(yōu)選。張艷紅[38]研究了材料纖維體積含量（復(fù)合材料中纖維體積與復(fù)合材料體積的比值）和經(jīng)紗屈曲率對經(jīng)向拉伸性能的影響，試驗以直交淺聯(lián)、彎交淺聯(lián)、深角聯(lián)和貫穿正交4種織物為試樣。結(jié)果表明，直交淺聯(lián)與彎交淺聯(lián)相比，由于直交淺聯(lián)在纖維體積含量相似的前提下經(jīng)紗屈曲率較低，因此其拉伸性能明顯高于彎交淺聯(lián)；直交淺聯(lián)與深角聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，兩者的屈曲率相當，但前者的纖維體積含量大于后者，經(jīng)向拉伸性能更優(yōu)異；彎交淺聯(lián)與深角聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，前者的纖維體積含量略大于后者，但其經(jīng)紗屈曲程度明顯高于后者，導(dǎo)致其經(jīng)向拉伸性能低于后者；貫穿正交織物的經(jīng)向拉伸性能相較于其他3種結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢。李珊珊等[39]采用像框法對角聯(lián)鎖機織物和三維正交機織物的剪切性能進行了比較，結(jié)果表明，在相同參數(shù)下兩者并無太大差別。由于試驗只采用了2組各1件的試樣，因此其試驗結(jié)果的準確性有待論證。焦亞男等[40]研究了經(jīng)緯向纖維體積比對機織復(fù)合材料力學性能的影響，結(jié)果表明，某方向的力學性能隨著其體積比的增加而增大，該結(jié)果與張艷紅[38]的結(jié)果相同。對于三維編織復(fù)合材料，其編織結(jié)構(gòu)、纖維體積含量和經(jīng)紗屈曲率等都會影響材料的靜態(tài)力學性能。對于編織結(jié)構(gòu)，采用正交結(jié)構(gòu)的材料的經(jīng)向性能更優(yōu)秀，采用淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的材料的緯向性能更好；纖維體積含量的增加對材料的拉伸性能具有正向作用，而經(jīng)紗屈曲率的增加會起反向作用。

溫度會影響三維編織復(fù)合材料的性能。劉軍等[41]研究了三維編織復(fù)合材料T形梁在低溫（?80 ℃）下的彎曲行為，結(jié)果表明，低溫環(huán)境對于材料的彎曲性能有一定改善作用；隨著溫度的降低，試樣的失效模式由較高溫度下不同程度的屈服斷裂失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵碌拇嘈詳嗔涯Ｊ健＝枥璧萚42]分別在室溫、100 ℃、150 ℃、180 ℃下對三維四向碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進行了拉壓試驗，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，材料的縱向拉伸強度變化不大，而材料的縱向壓縮強度顯著下降。陳波等[43]分別在室溫、800 ℃、900 ℃下對三維四向碳/碳復(fù)合材料進行了拉伸試驗，研究了材料的高溫力學性能。結(jié)果表明，在室溫至900 ℃范圍內(nèi)，材料的拉伸性能隨著溫度的升高而增大。

此外，研究人員對不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學性能進行了比較。Siddique等[44]對二維平紋和三維角互鎖碳纖維復(fù)合材料的層間斷裂韌性和斷裂機理進行了研究，并測試了材料在不同加載率（0.5～100 mm/min）下的斷裂韌性行為。結(jié)果表明，三維角互鎖結(jié)構(gòu)相較于二維平紋結(jié)構(gòu)具有更高的斷裂韌性，能有效抑制裂紋的發(fā)展，增大了斷裂所需的能量，且裂紋萌生臨界載荷隨著加載速率的增加而減小。王玲玲等[45]對軸棒法編織、軸向穿刺、無緯布/網(wǎng)胎針刺3種結(jié)構(gòu)的碳/碳復(fù)合材料進行了力學性能比較，結(jié)果表明，試樣的軸向拉伸強度與軸向纖維的含量和纖維連續(xù)狀態(tài)有關(guān)，對于軸向拉伸強度，采用軸向穿刺結(jié)構(gòu)時最高，采用無緯布/網(wǎng)胎針刺結(jié)構(gòu)時最低；對于徑向彎曲強度和軸向壓縮強度，3種結(jié)構(gòu)相當；對于徑向壓縮強度，無緯布/網(wǎng)胎針刺材料的最高，而采用軸棒法編織結(jié)構(gòu)的最低。

3.2 動態(tài)力學性能

陳美林[46]采用改良的霍普金森桿測得了不同應(yīng)變率下三維編織復(fù)合材料的應(yīng)力、應(yīng)變與應(yīng)變率的相關(guān)曲線，探索了三維編織復(fù)合材料的動態(tài)拉伸性能。通過分析試驗所得數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，材料的拉伸性能具有應(yīng)變率效應(yīng)，且拉伸剛度和最大應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增大，但材料的失效應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加而減小。Pankow等[47]對三維正交機織復(fù)合材料進行了面內(nèi)（經(jīng)向、緯向）、面外（法向）動態(tài)壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增加，材料各方向的彈性模量未明顯變化，其失效模式有所改變。在面內(nèi)壓縮時，以基體開裂和分層為主要失效模式，在準靜態(tài)加載下纖維紐結(jié)破壞失效模式被基體強度的增加所抑制。在面外壓縮時，失效模式由準靜態(tài)時的分層轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬杉羟袔АＨ~曉盛[48]使用SHPB試驗系統(tǒng)完成了三維機織復(fù)合材料的動態(tài)壓縮和剪切試驗，并通過二維DIC（Digital Image Correlation）技術(shù)獲得了試樣的表面應(yīng)變場。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維沿纖維方向的動態(tài)壓縮強度遠大于垂直纖維方向；碳纖維在2個方向的力學性能均具有應(yīng)變率效應(yīng)。其中，沿纖維方向的動態(tài)壓縮強度隨著應(yīng)變率的增加呈先增加后減小的趨勢，沿垂直纖維方向的動態(tài)壓縮強度隨著應(yīng)變率的增加呈單調(diào)增加趨勢。Nakai等[49]利用霍普金斯桿對正交鋪設(shè)的碳纖維復(fù)合材料進行了動態(tài)壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)，材料的極限抗壓強度隨著溫度的升高（20～80 ℃）而急劇下降。其中，面內(nèi)橫向和纖維方向的壓縮強度在低應(yīng)變率和高溫條件下迅速下降；隨著應(yīng)變率的上升，3個主要材料方向的極限壓縮強度（破壞應(yīng)力）輕微上升，而極限壓縮應(yīng)變急劇下降；破壞表面受到溫度和加載方向的影響較大。Li等[50]使用霍普金森桿對三維多軸經(jīng)編針織碳/環(huán)氧復(fù)合材料進行了動態(tài)壓縮試驗，研究了材料在高應(yīng)變率下的動態(tài)性能。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)（25～100 ℃），隨著溫度的升高，材料的強度明顯降低，斷裂減少，軟化和塑性增強，但基質(zhì)屈服、基質(zhì)脫落、纖維基質(zhì)間界面脫黏和纖維扭曲損傷現(xiàn)象明顯增加，材料的動態(tài)性能急劇下降；隨著應(yīng)變率的上升（600～1 900 s?1），材料的動態(tài)壓縮性能顯著提升，且在高應(yīng)變率下材料表現(xiàn)出溫度敏感性。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料的力學性能受到多方面因素的影響，深入研究它在相關(guān)前沿領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。

1）對于二維碳纖維復(fù)合材料，其靜態(tài)力學性能受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響，如孔隙率、密度等，且拉伸性能主要由纖維束性能決定。同時也受到溫度的影響，如強度隨著溫度的升高呈先增后減的趨勢。材料的動態(tài)力學性能主要受到溫度和應(yīng)變率的影響，材料的強度隨著溫度的升高同樣呈先增后減的趨勢。隨著應(yīng)變率的上升，材料的強度增大，但壓縮強度在高應(yīng)變率下的增強效果不明顯。進一步研究該類材料的方向主要集中在增強層間韌性和抗剪切能力上。

2）對于針刺碳纖維復(fù)合材料，其靜態(tài)力學性能受到溫度、工藝參數(shù)和密度等的影響。隨著溫度的升高，材料的強度呈先增后減的趨勢，且溫度越高其衰減得越迅速。隨著針刺密度、針刺深度和材料密度的增加，材料的拉伸強度下降，而其層間剪切強度呈先增后減的趨勢。材料的動態(tài)力學性能主要受到溫度和應(yīng)變率的影響，隨著溫度和應(yīng)變率的上升，材料的壓縮強度增大，具有應(yīng)變率敏感性。針對該類材料在壓縮性能和層間剪切性能方面的研究較多，而在拉伸性能方面的研究較少，可進一步研究動態(tài)拉伸試驗方面。

3）對于三維編織碳纖維復(fù)合材料，其靜態(tài)力學性能與材料的結(jié)構(gòu)、溫度等因素相關(guān)，編織結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致材料經(jīng)緯向性能的不同，材料纖維體積含量的增加對其拉伸性能有著正向作用，低溫對材料的彎曲性能具有一定的增強作用，高溫對材料的拉伸性能起到促進作用。材料的動態(tài)力學性能受到溫度、應(yīng)變率等的影響，隨著溫度的升高，材料的壓縮性能呈下降趨勢，隨著應(yīng)變率的升高，材料的壓縮性能呈上升趨勢，且不同受力方向的性能有所差異。針對該類材料動態(tài)力學性能方面的研究主要集中在壓縮上，還需進一步深入研究其拉伸和剪切方面。

4）對比了3種結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的性能，二維層合結(jié)構(gòu)的織物增強方向強度較好，但其層間剪切性能較差，易發(fā)生分層；針刺結(jié)構(gòu)相較于二維層合結(jié)構(gòu)，其層間性能得到增強，但纖維鋪層方向性能受到針刺的影響；采用三維編織結(jié)構(gòu)其總體性能較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在不同編織方式下材料的性能有所不同。

為了推進碳纖維復(fù)合材料的研制和應(yīng)用，通過總結(jié)調(diào)研內(nèi)容后發(fā)現(xiàn)，還可在以下方面深入研究。當前研究多就單個或幾個獨立的影響因素對材料力學性能的影響進行了分析，可以綜合分析不同因素影響材料性能的權(quán)重，進而在實際應(yīng)用中綜合各方面因素選擇最合適的參數(shù)；碳纖維復(fù)合材料常用于高溫環(huán)境，但是目前的研究主要集中在靜態(tài)載荷作用下的高溫力學性能，針對沖擊載荷作用下的力學性能還研究得不足，而且靜態(tài)和動態(tài)試驗的溫度偏低，難以適用極端環(huán)境下碳纖維復(fù)合材料的工程應(yīng)用及其分析評估。由此可見，有必要進行適用于碳纖維復(fù)合材料的高溫動態(tài)力學性能試驗，進一步開展高溫條件下碳纖維復(fù)合材料的動態(tài)力學性能研究。

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Mechanical Property of Carbon Fiber Composites

DUAN Yu-xi, ZHANG Kai*, XU Wei-fang, CHEN Jun-hong, GONG Qin

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China)

The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites.

carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite

TB332

A

1001-3563(2023)21-0036-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.005

2023-05-30

國家自然科學基金（12172344）

通信作者

責任編輯：彭颋