碳纳米管薄膜层间改性复合材料在不同应变率下的力学性能

李周仪 胡振彪 汪浩康 索涛

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碳纳米管薄膜层间改性复合材料在不同应变率下的力学性能

    作者简介: 李周仪(1993-),女,博士研究生,主要从事冲击动力学研究. E-mail: lizhouyi1993@163.com;
    通讯作者: 索涛, suotao@nwpu.edu.cn
  • 中图分类号: O347.3

Mechanical Properties of CFRP Composites with CNT Film Interlayer under Different Strain Rates

    Corresponding author: SUO Tao, suotao@nwpu.edu.cn
  • CLC number: O347.3

  • 摘要: 将浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管膜作为碳纤维层间改性材料,采用热压成型工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,并对其进行准静态II型断裂韧性实验以及准静态和动态压缩实验。碳纳米管膜层间改性后,复合材料的II型断裂韧性比未改性材料提高约60%,扫描电镜图像显示增韧机理主要是碳纳米管对基体的桥联。压缩实验结果表明,准静态压缩下碳纳米管膜改性材料在面内和面外两个方向的压缩强度都得到一定提高,动态面外压缩时改性后材料的压缩强度提高约9%,但是动态面内压缩时压缩强度没有提高,断口形貌显示这主要是碳纳米管膜内的分层所致。
  • 图 1  热压工艺图

    Figure 1.  Schematic diagram of hot pressing

    图 2  ENF试样及加载方式

    Figure 2.  ENF specimen and the proposed loading method

    图 3  层合板铺层和试样在压缩实验中的受载方向

    Figure 3.  Illustration of interlayered ply sequences and the specimen with two loading directions during the compression tests

    图 4  SHPB装置示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of SHPB

    图 5  典型应力-应变曲线和应变率时程曲线

    Figure 5.  Typical stress-strain curve and strain rate history

    图 6  CNTF/CF/EP与CF/EP II型断裂试验的载荷-位移曲线

    Figure 6.  Load-displacement curve for GIIC tests of CNTF/CF/EP and CF/EP

    图 7  CF/EP和CNTF/CF/EP试样的断口形貌

    Figure 7.  Fracture graphs of CF/EP and CNTF/CF/EP specimens

    图 8  准静态加载下CF/EP和CNTF/CF/EP的应力-应变曲线

    Figure 8.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under static loading

    图 9  2500 s–1面外压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的 应力-应变曲线

    Figure 9.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under 2500 s–1 out-of-plane compression

    图 10  面外压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的破坏过程

    Figure 10.  Damage of CF/EP and CNTF/CF/EP under out-of-plane compression

    图 11  600 s–1面内压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的 应力-应变曲线

    Figure 11.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under 600 s–1 in-plane compression

    图 12  面内压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的破坏过程

    Figure 12.  Damage of CF/EP and CNTF/CF/EP under in-plane compression

    图 13  CNTF改性试样破坏后断口的微观图像

    Figure 13.  Microscope photo of fracture surface of CNTF interlayered specimen after damage

    图 14  不同应变率下面内和面外压缩时CNTF/CF/EP的应力-应变曲线

    Figure 14.  Stress-strain curves of CNTF/CF/EP under in-plane and out-of-plane compressions at different strain rates

    表 1  整形片尺寸

    Table 1.  Sizes of pulse shaping slices

    $\dot \varepsilon $/s–1Size of pulse shaping slice/(mm×mm×mm)
    CF/EP (In-plane)CNTF/CF/EP (In-plane)CF/EP (Out-of-plane)CNTF/CF/EP (Out-of-plane)
    6006×7×0.86×7×0.8
    120010×10×0.810×10×0.87×7×1.07×7×1.0
    25005×6×0.85×6×0.8
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    表 2  CF/EP与CNTF/CF/EP在不同应变率下的压缩强度与消耗能量

    Table 2.  Compression strength and dissipated energy of CF/EP and CNTF/CF/EP

    SpecimenLoading methodStrain rate/s–1Compression strength/MPaDissipated energy/(N·mm–2
    CF/EPOut-of-plane10–3670.8±528.024
    CF/EPOut-of-plane1000843.3±2037.943
    CF/EPOut-of-plane2500799.5±1035.724
    CNTF/CF/EPOut-of-plane10–3687.3±429.847
    CNTF/CF/EPOut-of-plane1000881.1±943.347
    CNTF/CF/EPOut-of-plane2500847.1±1540.853
    CF/EPIn-plane10–3321.0±52.370
    CF/EPIn-plane600621.4±58.681
    CF/EPIn-plane1000676.3±129.140
    CNTF/CF/EPIn-plane10–3405.8±62.790
    CNTF/CF/EPIn-plane600699.3±108.743
    CNTF/CF/EPIn-plane1000646.0±169.544
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2018-11-29
  • 网络出版日期:  2019-04-01
  • 刊出日期:  2019-04-01

碳纳米管薄膜层间改性复合材料在不同应变率下的力学性能

    作者简介:李周仪(1993-),女,博士研究生,主要从事冲击动力学研究. E-mail: lizhouyi1993@163.com
    通讯作者: 索涛, suotao@nwpu.edu.cn
  • 1. 西北工业大学航空学院,陕西 西安 710072
  • 2. 陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室,陕西 西安 710072
  • 3. 冲击动力学及其工程应用国际联合研究中心,陕西 西安 710072

摘要: 将浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管膜作为碳纤维层间改性材料,采用热压成型工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,并对其进行准静态II型断裂韧性实验以及准静态和动态压缩实验。碳纳米管膜层间改性后,复合材料的II型断裂韧性比未改性材料提高约60%,扫描电镜图像显示增韧机理主要是碳纳米管对基体的桥联。压缩实验结果表明,准静态压缩下碳纳米管膜改性材料在面内和面外两个方向的压缩强度都得到一定提高,动态面外压缩时改性后材料的压缩强度提高约9%,但是动态面内压缩时压缩强度没有提高,断口形貌显示这主要是碳纳米管膜内的分层所致。

English Abstract

  • 碳纤维复合材料在近几十年来的发展突飞猛进,广泛应用于航空航天、汽车、武器、电子产品等领域。与铝合金、钢等传统材料相比,碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高、抗疲劳良好等特点,其密度仅为传统结构钢的1/5,钛合金的1/3,铝合金的1/2,很好地满足结构轻量化需求[1];然而纤维增强树脂基复合材料存在层间韧性低、抗冲击损伤能力不足等缺点,尤其在服役过程中受到低能量冲击时,易发生分层损伤。因此,需要通过一些层间增韧手段提高层间韧性。目前,主要的增韧方式有:颗粒增韧[2]、薄膜增韧[3]、纤维增韧[4]

    碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)于1991年被首次发现[5],其弹性模量可达1.34 TPa,强度达200 GPa,同时还具有长径比大、比表面积高、电学性能优异等优点,是复合材料增强增韧及功能化的理想材料[6]。近年来,一些研究者将CNTs作为增韧相与纤维树脂基混合制备成混杂复合材料,不同程度地提高了层间性能。Rong等[7]将CNTs添加到环氧树脂中对树脂进行改性,然后与碳纤维复合,结果表明:当CNTs的质量分数为1%时,I型断裂韧性提高13%,II型断裂韧性提高28%;但是,随着碳纳米管含量继续提高,树脂的黏度急剧增大,CNTs发生团聚,造成树脂灌注困难,所形成的材料内部出现孔穴,导致材料性能降低。Zeng等[8]为了解决CNTs在树脂中的团聚问题,将CNT阵列垂直置于碳纤维预浸料铺层间,发现层合板层间的剪切性能和断裂韧性大大提高,但是其制备工艺复杂,不利于工业领域的大规模应用。为了避免以上两种问题,近年来研究者们提出了将碳纳米管膜(Carbon Nanotube Film,CNTF)以插层形式插入层间的方法进行层间增韧。利用浮动催化化学气相沉(Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition, FCCVD)方法[9]制备的CNTF,其内部CNT相互交联形成具有自支撑结构的网络,通过控制CNT的沉积时间可以获得不同面密度的CNTF,制备工艺简单,在提高CNT含量的同时避免了上述问题,可直接用于复合材料制备。

    本研究将利用FCCVD法制备的CNTF对碳纤维树脂基复合材料进行层间增韧;然后进行准静态II型断裂韧性实验,分析CNTF对断裂韧性的影响及作用机理;最后进行准静态和动态面内及面外方向的压缩实验,分析材料的失效模式及CNTF对压缩性能的影响。

    • CNTF由FCCVD法[9]制备。该方法采用乙醇作为碳源,将碳源与催化剂及促进剂按一定比例混合,以氢气和氩气为载体输送到高温反应炉中,碳源在高温下发生裂解形成碳纳米管,碳纳米管在高温反应炉的另一端进行原位沉积,最后喷洒乙醇溶液,形成连续均匀的CNTF。本实验所用CNTF的厚度为10 ${\text{μ}}$m,面密度为6.02 g/m2。用于制备压缩试样的碳纤维预浸料采用3k、T300的二维编织预浸料,树脂为环氧树脂,树脂的质量分数为42%,材料的弹性模量为200 GPa,拉伸强度为3.0 GPa。采用12k、T700的单向预浸料制备II型断裂韧性试样,树脂为环氧树脂,质量分数为40%,材料的弹性模量为230 GPa,拉伸强度为4.9 GPa。

    • 为了制备II型断裂韧性试样,将单向碳纤维预浸料按[0°]36铺层方式手工铺层,在第18层与第19层之间铺一层CNTF,并在CNTF上铺一层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为预制裂纹,PTFE膜的厚度为10 ${\text{μ}}$m,宽度为75 mm。预成型体铺设完毕后装入真空袋中密封,放入热压罐中进行热压固化,热压固化工艺如图1所示。热压完毕后,用划片切割机对制备的层合板进行切割,采用端部缺口弯曲(ENF)试样,尺寸依照ASTM-D7905标准[10],如图2所示。

      图  1  热压工艺图

      Figure 1.  Schematic diagram of hot pressing

      图  2  ENF试样及加载方式

      Figure 2.  ENF specimen and the proposed loading method

      制备压缩试样时总共铺设20层二维编织预浸料,在相邻两层预浸料之间铺设一层CNTF,铺层方式如图3所示,铺设完毕后将预成型体放入真空袋中密封,然后在热压罐中热压固化,固化工艺见图1。热压完成后将层合板切割为5 mm×5 mm×5 mm的小立方体试样,如图3所示。

      图  3  层合板铺层和试样在压缩实验中的受载方向

      Figure 3.  Illustration of interlayered ply sequences and the specimen with two loading directions during the compression tests

    • II型断裂韧性实验采用ASTM-D7905标准中的柔度校正方法,利用10 kN万能试验机进行测试,相同实验重复进行5组,以得到可靠的实验结果。首先筛选试样,选取尺寸符合标准的试样进行试验。在试样一侧涂抹白色修正液,晾干后标记距离裂纹尖端长度a(20、30和40 mm)。两次柔度校正实验中,取a=20 mm和a=40 mm,加载速率为1 mm/min,加载至所需载荷后卸载;断裂实验中,取a=30 mm,加载速率为1 mm/min,加载至载荷开始下降时卸载。两次柔度校正实验中的载荷峰值根据下式进行预估

      ${p_j} = \frac{{2b}}{{3{a_j}}}\sqrt {{G_{{\rm{IIC}}}}{E_1}_{\rm{f}}{h^3}} $

      式中:pj为载荷峰值,b为试验件宽度,aj为距裂纹尖端长度,GIIC为II型断裂韧性预估值,E1f为试样弯曲模量,h为试样厚度的1/2,下标j=1, 2。对所获得的数据进行处理。首先通过最小二乘法求出3组实验的柔度C,其中:对于柔度实验(a=20 mm,40 mm),为了消除实验初始存在的非线性段,载荷选取大于90 N的数据;对于断裂实验,载荷选取大于90 N且小于1/2最大载荷值的数据,根据下式求出柔度校正系数Am

      $C = A + m{a^3}$

      然后,由(3)式确定备选断裂韧性GQ,其中${a_0}$=30 mm,pmax为断裂实验最大载荷。

      ${G_{\rm Q}} = \frac{{3mp_{{\rm{max}}}^2a_0^2}}{{2b}}$

      接着,根据(4)式对备选断裂韧性进行评估

      ${G_{{\rm Q},j}} = \frac{{{{({p_j}{a_j})}^2}}}{{{{({p_{{\rm{max}}}}{a_0})}^2}}} \times 100{\text{%}} $

      如果所得的两个${G_{{\rm Q},j}}$值都满足$15{\text{%}}\leqslant {G_{{\rm Q},j}} \leqslant 35{\text{%}}$,则认为备选断裂韧性有效;如果不满足,用${G_{\rm Q}}$替换(1)式中的GIIC,修正柔度校正实验的载荷峰值。

      在面内和面外两个方向分别对试样进行压缩,其中面内方向指纤维所在平面方向,面外方向指垂直于层合板方向,如图3中红色箭头所示。准静态压缩实验在DNS万能试验机上进行,应变率为10–3 s–1。动态压缩实验采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)进行测试。每种工况进行4组重复性实验。SHPB装置主要由气室、子弹、入射杆、透射杆、数据采集器等组成,图4为装置示意图。

      图  4  SHPB装置示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of SHPB

      气室充气完成后,打开开关发射子弹,子弹撞击入射杆,在入射杆中形成压缩波;压缩波传到入射杆与试样的界面后,一部分继续通过试样传到透射杆中,另一部分发生反射,沿着入射杆传播。利用入射杆和透射杆上粘贴的电阻应变片,可以获得入射波、反射波和透射波信号。为了防止入射波与反射波发生叠加,将应变片粘贴在入射杆和透射杆的中间位置。根据一维应力波理论[11],试样的应力、应变和应变率可表示为

      $\left\{ \begin{aligned} & {\sigma _{\rm{s}}} = {E_{\rm{b}}}\left(\frac{{{A_{\rm{b}}}}}{{{A_{\rm{s}}}}}\right){\varepsilon _{\rm{t}}}\\ & \dot \varepsilon = - \left(\frac{{2C}}{l}\right){\varepsilon _{\rm{r}}}\\ & \varepsilon = \left(\frac{{2C}}{l}\right)\int {\varepsilon _{\rm{r}}}{\rm{d}}t \end{aligned} \right.$

      式中:${\sigma _{\rm{s}}}$$\varepsilon $$\dot \varepsilon $分别为试样的工程应力、应变和应变率,${\varepsilon _{\rm{r}}}$${\varepsilon _{\rm{t}}}$分别为反射应变和透射应变,C为杆的纵波波速,AbEb为杆的横截面积和弹性模量,lAs分别为试样的长度和横截面积。

      由于树脂基复合材料具有脆性的特点,试样与入射杆的波阻抗不匹配,入射波的上升沿非常短,试样无法达到应力平衡,为此需要对入射波进行整形,增大入射波上升沿时间,使试样两端在加载过程中达到应力平衡。本实验采用铝片作为整形片,不同应变率所用的整形片尺寸如表1所示。

      $\dot \varepsilon $/s–1Size of pulse shaping slice/(mm×mm×mm)
      CF/EP (In-plane)CNTF/CF/EP (In-plane)CF/EP (Out-of-plane)CNTF/CF/EP (Out-of-plane)
      6006×7×0.86×7×0.8
      120010×10×0.810×10×0.87×7×1.07×7×1.0
      25005×6×0.85×6×0.8

      表 1  整形片尺寸

      Table 1.  Sizes of pulse shaping slices

      整形后,试样内部均达到应力平衡。图5所示为改性后的试样在1000 s–1应变率下面外压缩时的应力-应变曲线和应变率时程曲线,可见试样从被加载到破坏均处于恒应变率,说明试样内部应力达到平衡。

      图  5  典型应力-应变曲线和应变率时程曲线

      Figure 5.  Typical stress-strain curve and strain rate history

      在动态实验过程中,利用高速相机(Phantom v711)对加载过程进行拍摄,观察试样的变形过程,拍摄帧率为2×105幅/秒,即两幅之间的时间间隔为5 ${\text{μ}}$s。

    • 图6为CF/EP和CNTF/CF/EP层合板的GIIC试验力-位移曲线。从图6中可以看出:对于CF/EP复合材料,层间裂纹起裂载荷为1.2 kN,位移为1.6 mm;而对于CNTF/CF/EP复合材料,裂纹起裂载荷为1.7 kN,位移为2.5 mm。裂纹临界开裂点载荷与临界位移的提高,说明CNTF/CF/EP层间裂纹起裂需要吸收更多的能量。通过1.3节所述方法,计算得到CF/EP和CNTF/CF/EP的II型起裂韧性分别为1.200和1.817 kJ/m2,说明加入CNTF后GIIC提高了约60%。实验后,利用扫描电镜(SEM)观察断面,如图7所示。II型断裂下树脂基复合材料存在两种典型的破坏模式[12]:一种是CF/EP层间区域在滑移型断裂载荷作用下由于受到剪应力作用而在树脂区形成连续韧带,基体树脂断裂为锯齿状,如图7(a)箭头所示;另一种是纤维和基体界面在剪应力作用下发生的开裂,如图7(b)箭头所示。层间加入CNTF之后,树脂破坏后的形貌截然不同,树脂表面变得粗糙不平,说明裂纹在加入CNT的树脂中扩展消耗了更多的能量。从图7(c)箭头所指区域可以看到,CNT从树脂中拔脱,并将树脂裂纹桥联,从而阻碍了裂纹的进一步扩展。图7(d)所示纤维被树脂和CNT包裹,说明加入CNT可以使树脂和纤维连接得更紧密,避免裂纹沿着纤维-基体界面快速扩展,而只能在树脂内部较缓慢地传播。

      图  6  CNTF/CF/EP与CF/EP II型断裂试验的载荷-位移曲线

      Figure 6.  Load-displacement curve for GIIC tests of CNTF/CF/EP and CF/EP

      图  7  CF/EP和CNTF/CF/EP试样的断口形貌

      Figure 7.  Fracture graphs of CF/EP and CNTF/CF/EP specimens

    • 两种材料在准静态面内、面外方向压缩载荷作用下的应力-应变曲线如图8所示。从图8中可以看到:层间加入CNTF后,两个方向的材料压缩性能都得到不同程度的提升;面内方向上改性试样的压缩强度比未改性试样提高约26%,而在面外方向上改性试样压缩强度的提高效果不明显,提高约4%;面外方向上两种材料的压缩强度均高于面内方向的压缩强度。

      图  8  准静态加载下CF/EP和CNTF/CF/EP的应力-应变曲线

      Figure 8.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under static loading

      压缩实验结果列于表2。从表2中可以发现,面外方向压缩时,层间加入CNTF可以提高材料的压缩强度。以2500 s–1应变率为例,其应力-应变曲线见图9,可见:加入CNTF后,压缩强度提高约9%,能量吸收提高约14.3%,其中能量吸收通过应力对应变求积分计算得到,积分上限为最大应力值。在高应变率面外压缩加载下,复合材料的主要破坏模式为基体中裂纹的形成和扩展,应力-应变曲线中的非线性段代表基体开裂和纤维-基体的脱粘[13]图10显示利用高速相机拍摄的试样变形破坏过程,每幅图片编号与图9中曲线上的字母相对应。从图10(a)中可以看到:20 ${\text{μ}}$s时,CF/EP试样层间树脂发生了明显的开裂,如编号a中红色箭头所示,而编号e中CNTF/CF/EP层间树脂没有明显的裂纹产生;随着试样中应力水平的增加,CF/EP内部产生了大量微裂纹,这些微裂纹不断扩展形成更大的损伤区域,同时从编号c中(红色圆圈)可以看到纤维被劈裂,试样不断被压溃,如编号b、c、d所示。从图10(b)可以看出:对于CNTF/CF/EP,由于层间加入了具有网络结构的CNTF,有效地推迟了基体裂纹的产生,并阻碍裂纹的扩展,使复合材料层与层之间被连接得更紧密,从编号 f和编号g中可以看到,试样中没有产生大规模裂纹,且裂纹扩展得相对平缓,试样没有明显被压溃,因此材料的压缩强度和能量吸收都得到有效的提高。

      图  9  2500 s–1面外压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的 应力-应变曲线

      Figure 9.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under 2500 s–1 out-of-plane compression

      图  10  面外压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的破坏过程

      Figure 10.  Damage of CF/EP and CNTF/CF/EP under out-of-plane compression

      SpecimenLoading methodStrain rate/s–1Compression strength/MPaDissipated energy/(N·mm–2
      CF/EPOut-of-plane10–3670.8±528.024
      CF/EPOut-of-plane1000843.3±2037.943
      CF/EPOut-of-plane2500799.5±1035.724
      CNTF/CF/EPOut-of-plane10–3687.3±429.847
      CNTF/CF/EPOut-of-plane1000881.1±943.347
      CNTF/CF/EPOut-of-plane2500847.1±1540.853
      CF/EPIn-plane10–3321.0±52.370
      CF/EPIn-plane600621.4±58.681
      CF/EPIn-plane1000676.3±129.140
      CNTF/CF/EPIn-plane10–3405.8±62.790
      CNTF/CF/EPIn-plane600699.3±108.743
      CNTF/CF/EPIn-plane1000646.0±169.544

      表 2  CF/EP与CNTF/CF/EP在不同应变率下的压缩强度与消耗能量

      Table 2.  Compression strength and dissipated energy of CF/EP and CNTF/CF/EP

      同样,对两种材料在面内方向也进行了动态压缩实验。分析表2中数据发现,加入CNTF对面内压缩性能影响不明显,甚至有所降低。600 s–1应变率下的应力-应变曲线如图11所示。可见,改性材料的压缩强度提高了约10%,但是能量吸收却几乎没有变化,这归因于失效应变的降低。高速相机拍摄的面内压缩过程如图12所示。10 ${\text{μ}}$s时,CF/EP中纤维发生了部分屈曲,发生屈曲部分的层间有微小分层,而CNTF/CF/EP中纤维承受载荷,一小部分纤维发生损伤(见图12编号e红圈中所示),且试样内部没有产生分层,说明CNTF很好地将层与层连接,有效地推迟层间树脂区裂纹产生,延缓分层发生。20 ${\text{μ}}$s时,从图12编号f中看到CNTF/CF/EP内部分层很明显,纤维逐步被压溃;相同时刻CF/EP中(见图12编号b)纤维继续发生屈曲,分层程度较CNTF/CF/EP试样弱。直至接近承载极限(40 ${\text{μ}}$s时),CNTF/CF/EP已完全分裂为碎块,部分纤维被压溃,而CF/EP中纤维屈曲变形明显。对比两种材料的失效模式:CF/EP的主要破坏模式为纤维屈曲,其失效应变高;而CNTF/CF/EP的主要破坏模式为纤维压溃和分层,故其压缩强度较高,但失效应变低。为了分析CNT/CF/EP试样分层的原因,对所有试样断口进行SEM观测,结果如图13所示。可以看到,所有断口上均有连续的CNT分布,且几乎没有树脂颗粒,说明CNTF中树脂浸润不充分,导致分层发生在其内部。FCCVD法制备的CNTF本身具有多层性[14]特点,它是由CNTs原位沉积多层后得到的,同时由于采用乙醇溶液对沉积的膜进行收缩,使得膜内CNTs缠绕得更加致密,不利于树脂的浸润。所以虽然CNTF在一定程度上避免裂纹的产生和扩展,但是随着试样中应力水平的增加,其不能继续抵抗内部缺陷引发的裂纹。

      图  11  600 s–1面内压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的 应力-应变曲线

      Figure 11.  Stress-strain curves of CF/EP and CNTF/CF/EP under 600 s–1 in-plane compression

      图  12  面内压缩下CF/EP和CNTF/CF/EP的破坏过程

      Figure 12.  Damage of CF/EP and CNTF/CF/EP under in-plane compression

      图  13  CNTF改性试样破坏后断口的微观图像

      Figure 13.  Microscope photo of fracture surface of CNTF interlayered specimen after damage

    • 图14可以看出:随着应变率的提高,CNTF/CF/EP材料在面内和面外压缩下都表现出明显的应变率效应,面内方向压缩时压缩强度从10–3 s–1应变率下的405 MPa变为1000 s–1下的646 MPa,面外方向压缩时从10–3 s–1下的687 MPa变为2500 s–1下的847 MPa。准静态压缩下,载荷作用时间较长,随着加载的进行,裂纹首先在试样内部原始缺陷区域成核并扩展,由于加载速率小于裂纹成核和扩展速率,裂纹有足够的时间沿着试样内部应力集中区进行扩展,试样中产生的裂纹越来越多,最终导致试样失稳破坏。动态压缩时,载荷作用时间短,通常只有几十微秒,裂纹最开始在试样内部最薄弱区成核,在裂纹扩展的同时试样继续受到动态加载,应力水平提高,导致在试样内部其他承载能力弱的区域有新的裂纹成核,进而形成多个裂纹成核区,并且裂纹沿多条路径扩展,直至裂纹达到饱和,试样失效。应变率效应的产生主要是材料失效模式变化所致[15]。高应变率下,不断有新的裂纹成核和扩展,消耗了作用在试样上的能量,为了使试样破坏,需要更高的应力水平,因而材料的压缩强度随应变率的提高而增大,宏观上表现为材料的应变率效应。此外,高应变率下裂纹成核增加和裂纹扩展都消耗能量,所以材料的韧性也随着应变率的提高而增大。

      图  14  不同应变率下面内和面外压缩时CNTF/CF/EP的应力-应变曲线

      Figure 14.  Stress-strain curves of CNTF/CF/EP under in-plane and out-of-plane compressions at different strain rates

    • 对比了CNTF改性后的碳纤维复合材料与未改性材料的II型断裂韧性,以及两种材料在面内和面外两个方向、不同应变率下的压缩性能,得到以下结论:(1)层间加入CNTF后,材料的GIIC提高60%,SEM结果显示增韧机理是CNT对基体树脂的桥联,从而避免纤维-树脂脱粘;(2)准静态下CNTF/CF/EP在面内方向的压缩强度提高26%,面外方向的压缩强度提高不明显,约为4%,并且面外方向的压缩强度高于面内方向的压缩强度;(3)面外方向动态压缩时,CNTF/CF/EP的压缩强度提高约9%,能量吸收提高约14%,提升的原因主要是CNT对层间裂纹产生和扩展的阻碍作用,面内方向动态压缩时,CNTF/CF/EP的压缩性能没有提高,CNTF主导的层间分层和纤维压溃是其主要失效模式,分层是造成CNTF/CF/EP压缩性能未提高的原因;(4)改性碳纤维树脂基复合材料在面内和面外压缩载荷作用下都具有明显的应变率效应。

参考文献 (15)

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