关键词：薄层化；复合材料；力学性能
Study on Mechanics performances of Thin Ply Composite
Zhou Yi*,
(英文名, Tianjin 610092, China)
Abstract：Composite are one of the most widely used materials in today’s aerospace applications. This paper studied the mechanics characteristics of T700/3234 through the fracture toughness mechanics tests. Comparison has been made between thin ply specimens and normal ply specimens, and the results proved that the mechanics performances of thin ply and normal ply are roughly equal. Thin ply composite could replace normal ply for second structure of plane.
Key words: Thin ply; Composite; Mechanics performance
1.前言
复合材料是由两种或两种以上不同物理化学性能组成的在宏观尺度上具有新性能的新材料，其结构具备可设计性、材料各向异性和非均质性等特性。但是，常规预浸料制备的复合材料由于纤维束之间的孔隙较大，基体与纤维之间的浸润性较差，接触面积较小，且不均匀，使材料的分散性变大，会降低复合材料的强度和刚度[1-2]。而随着科技进步，纤维薄层化技术的应用使得这一问题得到很好的解决。
碳纤维薄层化技术，是将碳纤维丝束均匀、无损地展开，能使织物加工过程中纤维更加均匀，使复合材料纤维和基体间接触面积变大，更均匀，增强纤维与基体之间的浸润性，减少孔隙，大大提高复合材料的强度和刚度。罗云峰等[3]通过试验发现，薄层化后的复合材料纤维和树脂均匀性提高，内部缺陷更少。刘军等[4]分别采用碾压法、空气负压法和超声引导法三种方法对T700-12K碳纤维丝束进行薄层化处理对比试验。试验结果表明，使用超声引导法打散后的薄层化纤维分散性最小，性能丧失最小。Sebaey等[5]通过设计一种混合层压板，包含薄层化复合材料铺层和常规预浸料制备的复合材料铺层，进行不同能量下的冲击后压缩试验。试验结果表明，混合铺层的层合板与常规铺层的层合板相比，抗分层能力提高了15%。Wagih A等[6]对预浸料单项带为0.08 mm和0.16 mm的层合板进行冲击试验，并通过准静态压痕试验和超声波探伤得出结论，薄层化层合板损伤是由于剪切力和少量基体开裂引起，常规层合板损伤由基体分层产生裂纹引起。
T700/3234常规复合材料目前已广泛应用在航空领域主次承力构件，而对应的薄层化700/3234力学性能研究较少，本文针对薄层化700/3234的力学特性进行了研究,并与常规T700/3234进行了性能对比。
2.试验及方法
本实验选取T700/3234常规复合材料（单层厚度为0.125mm）和采用薄层化复合材料（单层厚度为0.06mm）各18件，铺层方向分别为[45/0/-45/90/02/45/0/-45/0]2S和[45/0/-45/90/02/45/0/-45/0]4S，分别进行常温下的拉伸、压缩和面内剪切试验。该试验采用电子万能试验机CSS 44200完成。
2.1 拉伸试验
拉伸试验采用ASTM D 3039/D 3039M-07《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》完成。加载方式采用位移控制。常规和超薄试样各6件。
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图1 拉伸试验
2.2 压缩试验
压缩试验采用ASTM D 6641/D 6641M-01《采用复合加载压缩(CLC)试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的标准试验方法》进行，加载方式采用位移控制。常规和超薄试样各6件。
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图2压缩试验夹具
2.3 面内剪切试验
面内剪切试验采用ASTM D 5379/D 5379M-05 《采用V型缺口梁方法确定复合材料剪切性能的标准试验方法》进行，采用位移加载方式完成。常规和超薄试样各6件。
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图3面内剪切试验
3.试验结果与分析
3.1常温拉伸试验对比结果
表1 典型铺层A的常温拉伸试验对比结果
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从表1可以发现，对于典型铺层的常温拉伸特性，超薄预浸料制备的层合板的强度值低于常规预浸料制备的层合板7%，极限载荷低于常规预浸料制备的层合板0.74%，泊松比低于常规预浸料制备的层合板10.42%，弹性模量高于常规预浸料制备的层合板3.38%。即超薄复合材料的拉伸性能略低于常规复合材料的拉伸性能，超薄预浸料制备的层合板变异系数略大于常规浸料制备的层合板变异系数。
3.2常温压缩试验对比结果
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表2 典型铺层A的常温压缩试验对比结果
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从表2可以看到：对于典型铺层的常温压缩特性，超薄预浸料制备的层合板的强度值高于常规预浸料制备的层合板6.1%，极限载荷高于常规预浸料制备的层合板8.09%，泊松比大致相同，弹性模量低于常规预浸料制备的层合板3%。超薄预浸料制备的层合板变异系数比常规浸料制备的层合板变异系数小。
3.3常温面内剪切实验对比结果
表3典型铺层A的常温面内剪切试验对比结果
从表3可以看到：对于典型铺层的常温面内剪切特性，超薄预浸料制备的层合板的强度值低于常规预浸料制备的层合板4.23%，极限载荷高于常规预浸料制备的层合板14.5%，弹性模量高于常规预浸料制备的层合板2.8%。超薄预浸料制备的层合板变异系数比常规浸料制备的层合板变异系数大。
从以上可以看出，超薄复合材料的力学特性总体上略低于常规复合材料，但相差不大，从减重考虑，可以作为飞机次承力构件的替换材料。
4.结论
通过以上拉伸、压缩和面内剪切试验的对比分析，得到主要结论如下：
1）超薄预浸料制备的层合板的拉伸性能略低于常规预浸料制备的层合板；常温压缩性能高于常规预浸料制备的层合板；常温面内剪切性能高于常规预浸料制备的层合板。
2）从减重考虑，超薄复合材料可以作为飞机次承力构件的替换材料。
参考文献
[1] 姚佳伟, 贾紫娇, 牛一凡. 超薄T700/环氧树脂预浸料力学性能研究及微观结构表征[J]. 塑料工业, 2017, 45(11): 104-124.
[2] 蒋海滨, 魏柏荣, 陈青, 等. 薄层复合材料的抗平头冲击特性研究[J]. 航空材料学报, 2005, 25(3): 45-49.
[3] 罗云峰, 孙永春, 段跃新, 等. 大丝束纤维薄层化技术[J]. 复合材料学报, 2010, 27(1): 123-128.
[4] 刘军, 朱星名, 胡伯仁, 等. 基于超声引导法的薄层化碳纤维性能研究[J]. 热加工工艺, 2014, (8): 108-109.
[5] Sebaey T A, Mahdi E. Using thin-plies to improve the damage resistance and tolerance of aeronautical CFRP composites[J]. Composites: Part A, 2016, (86):31-38.
[6] Wagih A, Maimí P, González E V, et. Damage sequence in thin-ply composite laminates under out-of-plane loading[J]. Composites: Part A, 2016, (87): 66-77.
论文作者:周易,
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
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