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基于材料力学的纤维增强复合材料研究进展纤维增强复合材料是一种具有高强度、高模量和轻质特性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。
而基于材料力学的纤维增强复合材料研究是指利用力学原理和实验手段对纤维增强复合材料的力学性能进行研究和分析。
本文将介绍纤维增强复合材料的基本原理、研究方法和一些研究进展。
首先，纤维增强复合材料由纤维和基体组成。
纤维通常采用碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维等，基体通常采用环氧树脂、树脂胶粘剂等。
纤维增强复合材料的性能取决于纤维的性质、排列方式和基体的性质。
因此，研究如何改善纤维增强复合材料的性能成为学者关注的焦点。
在基于材料力学的纤维增强复合材料研究中，有多种研究方法被广泛应用。
一种常用的方法是拉伸试验，通过对材料进行拉伸，得到其应力-应变曲线，从而分析材料的强度、刚度和断裂性能等。
另外，压缩试验、剪切试验、弯曲试验等也是常用的研究方法。
这些试验能够揭示纤维增强复合材料的力学特性，为其性能改进和设计提供依据。
随着科学技术的不断发展，研究者不断提出新的方法和理论，推动了纤维增强复合材料的研究进展。
例如，在计算力学方面，有限元分析被广泛应用于模拟纤维增强复合材料的力学行为。
这种方法能够精确地预测材料的应力分布、应变分布和破坏模式，为复合材料的设计和优化提供了有力的工具。
此外，还有许多新的纤维增强复合材料的研究方向，如多尺度力学、多功能复合材料等。
多尺度力学研究了不同尺度下材料的力学行为，从宏观到微观的尺度。
这种方法能够更准确地描述纤维增强复合材料的性能和异常行为，为新材料的开发提供了重要的理论基础。
而多功能复合材料则是指具有多种功能的复合材料，如耐磨、防火、导电等。
研究者通过改变复合材料的组分和结构，使其具有特定的功能，满足不同领域的需求。
总结起来，基于材料力学的纤维增强复合材料研究是一个广泛而深入的领域，涉及到材料力学原理、研究方法和研究进展等方面。
通过对纤维增强复合材料的力学性能进行研究和分析，可以为其性能的改进和设计提供有力的依据。
纤维增强复合材料的热膨胀性能研究随着科技的不断进步和应用的广泛推广，纤维增强复合材料作为一种重要的新材料，已经在航空、汽车、建筑等领域中得到广泛应用。
然而，在实际工程中，纤维增强复合材料的热膨胀性能问题是一个备受关注的课题。
本文旨在对纤维增强复合材料的热膨胀性能进行深入研究和分析。
一、纤维增强复合材料的定义和特点纤维增强复合材料是由纤维素纤维和基质材料组成的复合材料，具有重量轻、强度高、抗腐蚀等优点。
纤维增强复合材料的组分和结构对其热膨胀性能有着重要影响。
二、纤维增强复合材料的热膨胀机理纤维增强复合材料的热膨胀机理是由于其复合材料中纤维和基质材料具有不同的热膨胀系数，热膨胀系数不同导致了纤维增强复合材料的膨胀行为与单一材料有所不同。
研究纤维增强复合材料的热膨胀机理对于合理应用和改善纤维增强复合材料的性能具有重要意义。
三、纤维增强复合材料热膨胀性能测试方法为了研究纤维增强复合材料的热膨胀性能，科学家们发展了多种测试方法，如热膨胀系数测量、热膨胀曲线测定等。
四、纤维增强复合材料热膨胀性能的影响因素纤维增强复合材料的热膨胀性能受到多种因素的影响，例如纤维和基质材料的物理性质、纤维含量、复合工艺等。
五、纤维增强复合材料的热膨胀性能的应用及改进纤维增强复合材料的热膨胀性能对于其在实际工程中的应用具有重要意义，如飞机结构、车身结构等。
提高纤维增强复合材料的热膨胀性能，可以通过改变复合材料的组分比例、改进纤维增强复合材料的制备工艺等方法进行。
六、纤维增强复合材料热膨胀性能的发展趋势随着科技的不断进步，纤维增强复合材料的热膨胀性能研究也在不断深入，研究者们提出了许多新的理论和实验方法，为纤维增强复合材料的应用和改进提供了重要的理论依据和实验参考。
七、结论综上所述，纤维增强复合材料的热膨胀性能是一个复杂的研究课题，对于提高纤维增强复合材料的应用性能具有重要影响。
通过不断深入的研究和应用，相信纤维增强复合材料的热膨胀性能将得到进一步的提高和改进，为实际工程应用提供更好的技术支持。
第４８卷第１２期２０２０年１２月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真∗王㊀瑶ꎬ伍㊀斌ꎬ夏㊀茹ꎬ钱家盛ꎬ陈㊀鹏∗∗(安徽大学化学化工学院ꎬ安徽合肥２３０６０１)㊀㊀摘要:为了降低碳纤维/树脂基体复合材料的生产和应用成本ꎬ采用模拟仿真技术研究了短切碳纤维与环氧树脂的复合体系ꎮ通过控制短切碳纤维的取向分布状态ꎬ碳纤维在环氧树脂基体中的平铺结构和交错结构两种状态进行仿真ꎬ研究了复合材料的力学和热学性能ꎮ研究发现ꎬ具有碳纤维平铺结构的复合材料呈现各向异性的特点ꎬ具有交错结构的复合材料在面内具有各向同性的特点ꎮ关键词:环氧树脂ꎻ碳纤维ꎻ有限元ꎻ复合材料中图分类号:ＴＱ３２３ ５㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０２０)１２－０１５５－０５ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００５－５７７０ ２０２０ １２ ０３２开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＴｈｅｒｍａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ/ＥｐｏｘｙＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＷＡＮＧＹａｏꎬＷＵＢｉｎꎬＸＩＡＲｕꎬＱＩＡＮＪｉａ￣ｓｈｅｎｇꎬＣＨＥＮＰｅｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨｅｆｅｉ２３０６０１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｏｓｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｙｓｔｅｍｏｆｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(ＣＦ)ａｎｄｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.ＴｈｅｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｅｒｅａｒｒａｎｇｅｄｉｎｔｏｔｗｏｓｔａｔｅｓｉｎＥＰｍａｔｒｉｘꎬｗｈｉｃｈｗｅｒｅａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｒｏｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ.ＩｔｉｓｃｌｅａｒｌｙｏｂｓｅｒｖｅｄｔｈａｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＦｅｘｈｉｂｉｔａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｃｒｏｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＦｓｈｏｗｓｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｉｎ￣ｐｌａｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＥｐｏｘｙＲｅｓｉｎꎻＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒꎻＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔꎻＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ聚合物基碳纤维复合材料的常规加工工艺是:利用碳纤维良好的韧性和可纺性ꎬ加工成碳纤维布ꎬ之后与聚合物基体复合ꎬ模塑成型后加热固化ꎮ这种工艺方法依赖人工对复合材料的操作与处理ꎬ效率低ꎬ加工成本昂贵ꎬ且制品的质量稳定性受操作过程的影响[１－２]ꎮ此外ꎬ编织成二维布的碳纤维之间结合力较低ꎬ在受力或其他环境作用下ꎬ容易产生破坏应力集中点ꎬ造成部件的失效ꎮ降低聚合物基碳纤维复合材料的加工成本㊁提高材料的稳定性ꎬ是开发聚合物基碳纤维复合材料的重要方向[３]ꎮ研究者探索了多种碳纤维和聚合物的复合工艺ꎬ例如ꎬ利用短碳纤维与碳纤维布复合[４－５]ꎻ碳纤维丝层压等[６－７]ꎮ与碳纤维布的编织和浸渍工艺相比ꎬ碳纤维丝的层压技术工艺简单ꎬ可以采用机器连续操作ꎬ具有重要的发展前景ꎮ目前ꎬ国内外学者对碳纤维(ＣＦ)/环氧树脂复合材料的热力学性能进行了深入的研究ꎮＰａｐａｔｈａｎａｓｉｏｕ等[８]测试了纤维体积分数㊁长度㊁长宽比和取向等参数对/ＥＰ等效拉伸模量的影响ꎮ使用的ＣＦ的直径和长度分别是８μｍ和０ １５~３ｍｍꎬ纤维长宽比在２５~１２０之间ꎬ纤维体积分数为０ ４％~１７％ꎮ结果表明ꎬ杨氏模量随纤维体积分数的增大而增大ꎬ随纤维长度和长宽比的增大而减小ꎮ当纤维体积分数和长宽比一定时ꎬ随机纤维复合材料的杨氏模量小于准直纤维复合材料ꎮ准直纤维复合材料沿纤维方向的刚度约为随机纤维复合材料的１ ９１倍ꎮＳｈｉ￣ｍａｍｏｔｏ等[９]研究了纤维取向对ＳＣＦ/ＥＰ复合材料抗弯强度和模量的影响ꎬ复合材料中纤维体积分数为２０％ꎬＣＦ的平均长度为３ｍｍꎮ在研究过程中ꎬ０ʎ~１０ʎ的角范围内ꎬ纤维取向率为７１％ꎮ结果表明ꎬ复合材料具有一定的塑性性能ꎬ且ＳＣＦ/ＥＰ复合材料的弯曲模量为１６ＧＰａꎬ弯曲强度为２１１ＭＰａꎬ均为随机５５１ ∗国家重点研发计划项目(２０１７ＹＦＢ０４０６２０４)∗∗通信作者:陈鹏ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ研究方向为高分子理论计算与模拟以及高分子化学反应动力学ꎮｃｈｐｅｃｐ＠１２６ ｃｏｍ作者简介:王瑶ꎬ女ꎬ１９９５年生ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向为计算机模拟复合材料的导热性能ꎮｗａｎｇｙａｏ＿６８９＠１６３ ｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０２０年㊀㊀取向复合材料的２倍左右ꎮＡｈｍａｄｉ等[１０]用有限元方法研究了碳纤维界面特征㊁碳纤维体积分数㊁取向㊁各种排列方式等对增强多相复合材料热导率的影响ꎬ建立了由碳纤维㊁基体以及界面组成的三相代表性体积元的连续体模型ꎮ结果表明ꎬ界面热导率和界面厚度对横向热导率的影响最大ꎬ且有一定的临界界面热导率ꎻ同时碳纤维倾角增加ꎬ多相复合材料的纵向热导率减小ꎬ横向热导率增大ꎮＤｅｎｇ等[１１]提出了碳纤维复合材料导热性增强的解析模型ꎬ该模型考虑了碳纤维的体积分数㊁导热性各向异性㊁纵横比㊁非直线性和界面热阻的影响ꎬ预测结果与实验数据吻合良好ꎮ本项研究采用有限元模拟方法ꎬ分析短切碳纤维(连续碳纤维丝切断成短纤维状)与聚合物基体的复合状态对材料力学和导热等性能的影响规律ꎬ从理论上预测碳纤维聚合物复合材料物理力学性能的主要影响因素ꎬ探讨了利用短切碳纤维与聚合物基体直接复合制备高性能复合材料的可能性ꎮ我们的模拟研究可以帮助实验研究和设计新型聚合物基碳纤维复合材料ꎮ１㊀模型与方法目前ꎬ有许多应用有限元方法分析和计算材料体系的物理性能的仿真软件ꎮ其中Ｅｘｓｔｒｅａｍ公司推出的Ｄｉｇｉｍａｔ软件适用于对复合材料进行分析计算ꎬ可以预测纤维㊁纤维编织物等填料在各种高分子和陶瓷等基体中的分布状态和物理性能ꎮ本文采用该软件分析短切碳纤维在环氧树脂基体中的分布状态和力学等物理性能之间的关系ꎮａ－ＣＦ/ＥＰ平铺结构ｂ－ＣＦ/ＥＰ交错结构方形内的条纹代表碳纤维在环氧树脂中的分布状态ꎮ图１㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料仿真模型的结构设计Ｆｉｇ１㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ为了替代碳纤维编织布增强环氧树脂基体ꎬ基于实验中的层压法ꎬ本文设计了两种易于制备的ＣＦ/环氧树脂(ＥＰ)复合材料ꎮ一种是将四层短切碳纤维平铺在环氧树脂基体中ꎬ每一层中ꎬ短切碳纤维沿同一方向取向ꎬ且短切碳纤维之间互不交叉接触ꎬ形成如图１ａ所示的平铺ＣＦ/ＥＰ复合材料ꎬ简称平铺结构复合材料ꎻ另一种是将四层短切碳纤维以图１ｂ所示的角度交错排列在环氧树脂基体中ꎬ简称交错结构复合材料ꎮ建模过程中ꎬ首先生成代表ＣＦ在ＥＰ中取向分布的单层结构ꎬ之后根据两种模型ꎬ将四个单层结构以相同或者不同的角度组合起来ꎮ该模型中ꎬ设定ＣＦ和ＥＰ㊁层和层之间的界面被视为相互连接的独立表面ꎬ进而不考虑它们之间的热阻ꎮ图２所示是Ｄｉｇｉｍａｔ所建立的计算模型ꎮａ－平铺结构ｂ－交错结构图２㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料的仿真模型Ｆｉｇ２㊀ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ模拟体系选择周期性边界条件ꎬ短切碳纤维的直径设为７μｍꎬ长度根据长径比不同而变化ꎮ在ＣＦ/ＥＰ复合材料中ꎬＣＦ质量分数为２０％ꎮ仿真ＣＦ/ＥＰ复合材料性能的其他参数如表１所示:表１㊀仿真过程中选用的材料参数Ｔａｂ１㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｌｅｃｔｅｄｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ参数碳纤维环氧树脂密度/(ｋｇ/ｍ３)１８００１４００比热容/[Ｊ/(ｋｇ Ｋ)]７５０１０００横向导热系数/[Ｗ/(ｍ Ｋ)]３５ ０１８１ ４５面内导热系数/[Ｗ/(ｍ Ｋ)]０ １７８横向杨氏模量/ＧＰａ２３０３ ４５面内杨氏模量/ＧＰａ４０３ ４５面内泊松比０ ３０ ３５横向泊松比０ ２５０ ３５横向剪切模量/ＧＰａ１５ ４横向热膨胀系数/Ｋ－１－５ ５ˑ１０－７２ ４４ˑ１０－５面内热膨胀系数/Ｋ－１１ˑ１０－５２㊀结果与讨论２ １㊀力学性能研究首先研究两种模型的力学性能ꎮ设定体系温度为２５ħꎬ对复合材料施加拉伸和剪切两种不同的应力后ꎬ探究复合材料的杨氏模量(Ｅ)㊁剪切模量和泊松比的变化情况ꎮＥ和应力(σ)与应变(ε)有关:σ＝Ｅεꎮ若是考虑到σ＝Ｆ/Ａꎬε＝ΔＬ/Ｌꎬ可得:Ｆ/Ａ＝Ｅ(ΔＬ/Ｌ)(１)６５１第４８卷第１２期王㊀瑶ꎬ等:ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真式中ꎬＦ－作用力ꎬＮꎻＡ－受力面积ꎬｍ２ꎻΔＬ－长度的微小变化量ꎻＬ－长度ꎬｍꎮ剪切模量的定义为剪切应力和剪切应变的比率ꎬ公式为:Ｇ＝τｘｙ/γｘｙ＝Ｆ/ＡΔＸ/Ｌ＝ＦＬ/ＡΔＸ(２)式中ꎬＧ－剪切模量ꎬＧＰａꎻτｘｙ－剪切应力ꎬＧＰａꎻγｘｙ－剪切应变ꎻＡ－作用力的表面积ꎬｍ２ꎻΔＸ－横向位移ꎬｍꎻＬ－初始长度ꎬｍꎮ泊松比是指材料在单向受拉或受压时ꎬ横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值ꎬ它是反映材料横向变形的弹性常数ꎮ若定义为在弹性范围内加载ꎬ则定义泊松比的计算公式为:εｘ＝－νεｙ(３)式中ꎬεｘ－横向应变ꎻεｙ－纵向应变ꎻν－泊松比ꎮａ－平行于ＣＦ取向方向的拉伸应力ｂ－平行于ＣＦ取向方向的剪切应力ｃ－垂直于ＣＦ取向方向的剪切应力图３㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料力学性能测试示意图Ｆｉｇ３㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｅｓｔｉｎｇ在测试体系的杨氏模量时ꎬ沿着短切碳纤维在环氧树脂基体中的取向方向(ｘ方向)拉伸复合材料(图３ａ)ꎮ在测试体系的剪切模量时ꎬ设定平行和垂直ＣＦ取向方向的两种剪切力ꎬ得到横向剪切模量Ｇｘｚ(剪切力平行于碳纤维取向方向)和面内剪切模量Ｇｙｚ(剪切力垂直于碳纤维取向方向)两种剪切模量ꎬ如图３ｂ㊁ｃꎮ在计算体系的泊松比时ꎬ同样测试了垂直(面内泊松比νｙｚ)和平行(横向泊松比νｘｚ)方向的泊松比系数ꎮ研究中分别考察了短切碳纤维的长径比对两种模型力学性能的影响ꎬ结果如图４和图５所示ꎮ从图４和图５可知ꎬ短切碳纤维的长径比对复合材料的力学性能影响不大ꎬ这是因为受模拟体系尺寸的影响ꎬ短切碳纤维的长度变化区间狭窄ꎮ然而ꎬ短切碳纤维的分布状态对ＣＦ/ＥＰ复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ由于平铺结构中ꎬＣＦ在ＥＰ基体中的分布呈现各向异性特征ꎬ图４中ꎬ复合材料的力学性能表现出明显的各向异性的特征ꎮ例如ꎬ沿着ｘ方向(拉伸方向)的杨氏模量(Ｅｘ)ꎬ远高于沿着ｙ和ｚ方向的杨氏模量(Ｅｙ㊁Ｅｚ)ꎮ面内和横向两种剪切模量由较大的差异面内和横向的泊松比也如此ꎮ在交错结构中ꎬ平面方向的碳纤维在ｘ和ｙ方向均匀排列ꎮ如图５ａ所示ꎬ复合材料在ｘ和ｙ方向的杨氏模量略有偏差ꎬ但都明显高于ｚ方向的杨氏模量ꎮ复合材料的面内剪切模量(Ｇｘｚ)和横向剪切模量(Ｇｙｚ)相差不大ꎬ面内泊松比(ｖｘｚ)和横向泊松比(ｖｙｚ)也相差不大ꎮａｂ图４㊀ＣＦ/ＥＰ平铺结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Ｆｉｇ４㊀ＣＦ/ＥＰｔｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ对比图４和图５可以发现ꎬ碳纤维的分布状态对复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ短切碳纤维沿着一个方向分布的平铺结构ꎬ有利于提高ＣＦ/ＥＰ复合材料的各向异性特征ꎬ在碳纤维取向分布方向ꎬ材料的杨氏模量㊁剪切模量和泊松比远高于其他方向的数７５１塑㊀料㊀工㊀业２０２０年㊀㊀值ꎮ交错分布的短切碳纤维ꎬ有利于提高ＣＦ/ＥＰ复合材料的整体物性ꎮ在实际应用中ꎬ人们可以根据材料的应用需求设计和优化短切碳纤维的分布状态达到对材料力学性能的精确调控ꎮａｂ图５㊀ＣＦ/ＥＰ交错结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Ｆｉｇ５㊀ＣＦ/ＥＰｓｔａｇｇｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ２ ２㊀热学性能研究如图６所示ꎬ为了研究ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学性质ꎬ在模型的两端设置温度梯度场(ΔＴ＝３００Ｋ)ꎬ计算复合材料的导热系数和热膨胀系数ꎮ图６㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料热学模型的温度分布图Ｆｉｇ６㊀ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌ在瞬态温度场Ｔ(ｘꎬｙꎬｚꎬｔ)下ꎬ体系导热系数的计算有限元微分方程如下:∂∂ｘｋｘ∂Ｔ∂ｘ()＋∂∂ｙｋｙ∂Ｔ∂ｙ()＋∂∂ｘｋｙ∂Ｔ∂ｚ()＋ρＱ＝ρｃＴ∂Ｔ∂ｔ(４)式中ꎬＴ－温度ꎻρ－材料密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｃＴ－瞬态温度场下的材料比热ꎬＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎻｋｘ㊁ｋｙ㊁ｋｚ－分别代表沿ｘ㊁ｙ㊁ｚ方向的导热系数ꎻＱ－物体内部的热源强度ꎻｔ－时间ꎮ在实际计算中ꎬ为了研究热传导的各向异性ꎬ分别在ｘ㊁ｙ和ｚ三个方向施加温度梯度场ꎬ分别计算三个方向上的导热系数ꎮ混合短纤维复合材料线膨胀系数计算式如下[１２]:αｃ＝１２ＥｍＶｍαｍ＋ＥｆＶｆαｆＥｍＶｍＥｆＶｆ(１－νｃ)＋１２(１＋νｍ)αｍＶｍ＋１２(１＋νｆ)αｆＶｆ(５)式中ꎬαｃ－热膨胀系数ꎬＫ－１ꎻＥ－弹性模量ꎬＧＰａꎻＶ－体积分数ꎻν－泊松比ꎻ下标ｆ㊁ｍ㊁ｃ－分别代表纤维㊁基体和复合材料ꎮ图７㊀碳纤维长径比对ＣＦ/ＥＰ复合材料热传导性能的影响Ｆｉｇ７㊀Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ图８㊀ＣＦ长径比对ＣＦ/ＥＰ复合材料热膨胀系数的影响Ｆｉｇ８㊀Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｓｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ如图７所示ꎬ对比平铺结构和交错结构的复合材料导热系数可以发现ꎬ平铺结构的复合材料在沿着碳纤维的取向方向具有较高的导热系数[约６Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎮ交错结构复合材料的导热性能在平面方向均有相对较高的导热系数[约２ ５Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎬ在垂直碳纤维方向的导热系数较低[约０ ２Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎮ对比平铺结构和交错结构中ＣＦ/ＥＰ复合材料的热传导性能变化情况可知ꎬ与力学性能类似ꎬ平铺结构的８５１第４８卷第１２期王㊀瑶ꎬ等:ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真热学性能显示出明显的各向异性特征ꎮ这一点在研究ＣＦ/ＥＰ复合材料的热膨胀系数时也得到了很好的体现ꎮ由于碳纤维的平铺结构ꎬ图８中复合材料的热膨胀系数在ｘ方向(碳纤维取向方向)要远远小于ｙ和ｚ方向ꎻ而由于碳纤维在ｘ－ｙ平面内交错排列ꎬ复合材料在ｘ和ｙ方向的热膨胀系数接近ꎮ同样ꎬ由于仿真体系的尺寸太小ꎬ碳纤维长度对复合材料热学性能的影响没有表现出来ꎮ３㊀总结通过上述分析可知ꎬ碳纤维的分布状态对ＣＦ/ＥＰ复合材料的力学和热学性能有重要的影响ꎮ在平铺结构中ꎬ材料的力学和热学性能均表现出明显的各向异性ꎮ在交错结构中ꎬ材料在平面方向表现出各向同性ꎮ沿着碳纤维的取向方向ꎬ复合材料具有较高的杨氏模量和导热系数以及较低的热膨胀系数ꎮ垂直于碳纤维取向方向ꎬ复合材料的具有较高的剪切模量和较低的泊松比ꎮ我们可以通过控制碳纤维的分布状态来优化碳纤维复合材料的力学和热学特性或制备得到满足特殊需求的各向异性材料ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]尹红灵.热塑性碳纤维编织复合材料热压成型研究[Ｄ].上海:上海交通大学ꎬ２０１６.ＹＩＮＨＬ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｏｔｐｒｅｓｓｆｏｒｍｉｎｇｏｆｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１６.[２]王贵彬.碳纤维复合材料制品模压成型及有限元分析[Ｄ].徐州:中国矿业大学ꎬ２０１４.ＷＡＮＧＧＢ.Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ￣ｙｓｉｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｏｄｕｃｔｓ[Ｄ].Ｘｕｚｈｏｕ:ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４. 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[６]ＺＨＯＵＪＭꎬＭＥＮＧＨＭꎬＬＩＤＬꎬｅｔａｌ.Ｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍｌａｍｉｎａｔｅｓ(Ｃｆ/ＡＺ９１Ｄ)ｆｏｒＹｏｕｎｇ ｓｍｏｄｕｌｕｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ４８(７):２０６８－２０７３.[７]ＯＳＴＡＰＩＵＫＭꎬＢＩＥＮＩＡＳ'ＪꎬＳＵＲＯＷＳＫＡＢꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌ￣ｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｆｉｂｅｒｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓｂａｓｅｄｏｎｇｌａｓｓａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１８ꎬ２５(６):１０９５－１１０６. [８]ＰＡＰＡＴＨＡＮＡＳＩＯＵＴＤꎬＩＮＧＢＥＲＭＳꎬＧＵＥＬＬＤＣ.Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｎａｌｉｇｎｅｄꎬｓｈｏｒｔ￣ｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ:Ａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９５ꎬ５４(１):１－９. [９]ＳＨＩＭＡＭＯＴＯＤꎬＴＯＭＩＮＡＧＡＹꎬＩＭＡＩＹꎬｅｔａｌ.Ｆｉｂｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｆｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎꎬ２０１６ꎬ１２４(１):１２５－８.[１０]ＡＨＭＡＤＩＭꎬＡＮＳＡＲＩＲꎬＨＡＳＳＡＮＺＡＤＥＨ￣ＡＧＨＤＡＭＭＫ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＩｎ￣ｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１９:１－２１.[１１]ＤＥＮＧＦꎬＺＨＥＮＧＱＳꎬＷＡＮＧＬＦꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｎｉｓｏｔｒｏｐｙꎬａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏꎬａｎｄｎｏｎｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓꎬ２００７ꎬ９０(２):７８７.[１２]王玉庆ꎬ张名大ꎬ周本濂ꎬ等.复合材料热膨胀的一个理论模型[Ｊ].材料研究学报ꎬ１９８９ꎬ３(５):４４２－４４６.ＷＡＮＧＹＱꎬＺＨＡＮＧＭＤꎬＺＨＯＵＢＬꎬｅｔａｌ.Ａｔｈｅｏ￣ｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ１９８９ꎬ３(５):４４２－４４６.(本文于２０２０－０９－１８收到)㊀«塑料工业»杂志投稿邮箱:ｓｌｇｙ＠ｂｌｕｅｓｔａｒ ｃｈｅｍｃｈｉｎａ ｃｏｍ欢迎访问«塑料工业»杂志网站:ｗｗｗ ｉｐｌａｓｔ ｃｎ９５１。
碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的研究及应用目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究意义 (3)1.3 综述目的与范围 (4)1.4 结构与组织 (5)2. 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料简介 (7)2.1 聚醚醚酮的基本特性 (8)2.2 碳纤维的材料特性 (9)2.3 纤维增强塑料的制造工艺 (10)3. 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的性能特点 (11)3.1 力学性能 (12)3.2 耐热性能 (13)3.3 电绝缘性能 (15)4. 复合材料的研究进展 (17)4.1 纤维增强方式的探索 (18)4.2 增强机制与界面研究 (20)4.3 复合材料的微观结构与性能 (21)4.4 环境耐受性与防护 (22)5. 复合材料的应用领域 (23)5.1 航空航天 (25)5.2 汽车工业 (26)5.3 体育器材 (27)5.4 电子器件 (28)5.5 能源存储 (29)6. 复合材料的生产与加工 (30)6.1 材料加工工艺 (32)6.2 表面处理与涂层 (33)6.4 质量控制与检测 (36)7. 研发挑战与展望 (37)7.1 材料成本与环境问题 (38)7.2 性能提升与界面处理 (39)7.3 可持续性与发展方向 (41)1. 内容概述本研究报告深入探讨了碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料的研制、性能及其在各领域的应用潜力。
我们概述了碳纤维和PEEK的基本特性及其在复合材料制备中的优势。
详细阐述了复合材料的制备工艺、结构设计以及性能优化方法。
报告重点分析了复合材料在不同工程领域的应用表现，包括航空航天、汽车制造、医疗器械以及体育器材等。
我们还讨论了复合材料在环境友好性、成本效益和可持续性方面的优势，并对其未来发展前景进行了展望。
通过本研究，旨在为相关领域的研究人员和工程技术人员提供有价值的参考信息，推动碳纤维增强PEEK复合材料技术的进一步发展和广泛应用。
1.1 研究背景随着科技的不断发展，复合材料作为一种具有优异性能的新型材料，在各个领域得到了广泛的应用。
碳纤维增强复合材料薄壁管件力学性能试验方法第2 部分：压缩试验1 范围本标准规定了碳纤维增强复合材料薄壁管件压缩性能试验的试样、试验设备、试验条件、试验步骤、计算、试验结果和试验报告等。
本标准适用于测定壁厚不大于1mm（公称直径小于50mm）的纤维增强复合材料薄壁管的压缩强度和模量。
其他复合材料管可参照使用。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 1446－2005 纤维增强塑料性能试验方法总则GB/T 1448—2005 纤维增强塑料压缩性能试验方法GB/T 5350—2005 纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法3 术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。
4 试验条件4.1试验环境条件4.1.1 试验环境要求如下：a) 温度：（23±5）℃；b) 相对湿度：≤70%。
4.1.2 仲裁试验时，环境条件要求如下：a) 温度：（23±2）℃；b) 相对湿度：（50±10）%。
4.2 试验状态调节试样压缩性能试验示意图见图1 4.2.1试验前，压缩试样在4.1.1规定的试验环境条件下至少放置24h，并在相同环境下进行试验。
4.2.2仲裁试验时，压缩试样在4.1.2规定的试验环境条件下至少放置40h，并在相同环境下进行试验。
4.3 试件测试装态。
1——加载压板；2——压缩外套筒；3——内套筒；4——管件试样；5——胶层。
图1 压缩性能试验示意图4.4 加载速度4.4.1测定轴向压缩强度时，加载速度为（5～6）mm/min，误差不超过20%；仲裁试验时，加载速度为（1～2）mm/min，误差不超过20%。
4.4.2 测定轴向压缩弹性模量时，加载速度为（1～2）mm/min，误差不超过20%。
5 仪器设备5.1 试验机载荷相对误差不应超过±1%。
碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析引言：碳纤维增强复合材料是一种重要的结构材料，具有高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能。
为了更好地理解和预测这种材料的力学性能，有限元模拟成为一种有效的工具。
本文将探讨碳纤维增强复合材料的力学性能及其有限元模拟分析方法。
1. 碳纤维增强复合材料的力学性能碳纤维增强复合材料由碳纤维和基体材料组成，具有独特的力学性能。
首先，碳纤维的高强度和高模量使得复合材料具有出色的抗拉强度和刚度。
其次，由于碳纤维和基体的界面结合紧密，复合材料还表现出较好的层间剪切性能。
此外，碳纤维增强复合材料的疲劳强度和耐冲击性也远远优于传统金属材料。
2. 有限元模拟在力学性能分析中的应用有限元模拟是一种计算方法，通过将复杂结构离散为数学模型，基于力学原理求解结构的应力和变形分布。
在碳纤维增强复合材料力学性能分析中，有限元模拟被广泛应用。
首先，可以通过有限元模拟研究复合材料在静力载荷下的应力分布和应变响应，从而评估其强度和刚度。
其次，有限元模拟还可以模拟在动力载荷下复合材料的疲劳寿命和冲击行为，并优化复合材料的设计和性能。
3. 有限元模拟参数的选择在进行碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟时，需要选择合适的模拟参数。
首先，应选择适当的网格划分，以保证模型几何形状和表面质量的准确性。
其次，需要确定材料的力学性能参数，如弹性模量、剪切模量和层间剪切强度等。
对于复合材料的层间剪切强度，通常需要进行微观结构分析以获取准确的数值。
此外，外界加载条件（如温度、湿度等）也需要考虑进来以获得可靠的模拟结果。
4. 有限元模拟分析的挑战和进展尽管有限元模拟在碳纤维增强复合材料力学性能分析中具有重要的应用前景，但仍面临一些挑战。
首先，材料的非线性和各向异性使得模拟计算的复杂度增加。
其次，复合材料的失效机制与金属材料有所不同，需要改进模型和算法以准确地预测结构破坏行为。
此外，对于复合材料的疲劳和寿命预测，还需要开展更多的试验和验证以提高模拟的准确性。
碳纤维增强复合材料的力学性能和设计一、什么是碳纤维增强复合材料在现代工业生产中，碳纤维增强复合材料是一种非常重要的新型材料，它不仅具有轻质、高强、高刚度等优良的物理力学性能，而且还具有较好的耐腐蚀性、耐磨性以及绝缘性。
碳纤维增强复合材料是由碳纤维和树脂、金属等复合材料制成的，这样的材料在现代航空、汽车、轨道交通、电子科技、船舶制造、体育器材等领域得到广泛的应用。
二、碳纤维增强复合材料的力学性能1、高强度：碳纤维的特殊结构和生长过程使得其具有很高的强度，而且这种强度与单向排列方向有很大关系。
因此，增强材料大多用于单向、对角和斜交等布局。
2、高刚度：材料的刚度是各个方向上的刚度之和，因此确定各向异性对基体中碳纤维增强材料的刚度起着决定性作用。
在各向同性材料的情况下，碳纤维增强材料通常具有比基体材料高几倍甚至十倍以上的刚度。
3、疲劳寿命较长：碳纤维增强材料的疲劳性能比其他材料要好，能够承受数百万次循环载荷，而且具有较长的使用寿命。
4、耐磨性强：碳纤维增强材料具有较高的物理力学性能，因此具有很强的耐磨性，特别适合用于制造高速运动的器械。
三、碳纤维增强复合材料的设计1、确定应用载荷：设计时必须要先明确碳纤维增强复合材料所要承受的载荷种类，包括静载和动载。
2、确定应变水平：应变水平是材料破坏的重要参数之一，针对不同应变水平设计不同的材料也是十分必要的。
合适的应变水平设计可以确保材料在特定要求下具有最佳性能。
3、确定强度参数：材料的强度是指承受载荷时材料破坏的极限值。
因此，通过实验和仿真计算来得到材料的破坏极限值，再以此为依据来确定设计强度决策。
4、考虑制造成本：设计材料必须要考虑到成本因素，包括制造、运输、安装等费用。
因此，在涉及到大批量生产时，提前考虑到成本问题十分重要，可以有效降低生产成本。
四、结论碳纤维增强复合材料在现代工业生产中具有十分广泛的应用，由于其具有很高的物理力学性能，设计时需要考虑的因素也比较多。
复合材料学报第22卷 第2期 4月 2005年Acta Materiae Compositae SinicaVol 122No 12April2005文章编号:100023851(2005)022*******收稿日期:2004204205;收修改稿日期:2004207209通讯作者:张若棋,教授,博士生导师,长期从事冲击动力学、冲击波物理的研究工作 E 2mail :zhangrq1@public 1cs 1hn 1cn动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究蒋邦海,张若棋3(国防科技大学理学院应用物理系,长沙410073)摘 要: 为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能,对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向),分别利用Instron 试验机和SHPB 实验技术,进行了准静态压缩和动态压缩实验。
得到了三个主方向从低应变率(10-3/s )到高应变率(约103/s )下的压缩应力2应变曲线和压缩强度,并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点:垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制;碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制,并且和纤维初始微屈曲相关。
最后,分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。
关键词: 碳纤维;平纹机织;复合材料;各向异性;动态性能;SHPB 中图分类号: TB 332;TB 33011 文献标识码:ADY NAMIC COMPRESSIVE MECHANICAL PR OPERTIES OF A CARBON FIBERWOVEN REINFORCED COMPOSITE :EXPERIMENTAL STU DYJ IAN G Banghai ,ZHAN G Ruoqi 3(Applied Physics Department ,Science College ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073,China )Abstract : To understand the quasistatic and dynamic compressive mechanical properties of a kind of carbon fiber two 2dimensional orthogonal plain woven reinforced polymer matrix composite ,numbers of quasistatic and dynamic compression experiments in its three principal directions (the vertical direction of the carbon cloth ,and also the warp and fill directions in the carbon cloth )were conducted ,by means of Instron apparatus and SHPB technology respec 2tively.The compressive stress 2strain curves and compressive strength were achieved in each direction in a large strain rate range (f rom strain rate 10-3/s to about 103/s ).The experimental results show that the dynamic per 2formance of this composite in each three principal directions has its own characteristics :in the vertical direction of the carbon cloth ,the mechanical property and the strain rate effect are matrix 2dominated ;in the warp or fill direc 2tion in the carbon cloth ,the carbon fiber and its initial waviness master the mechanical property.Two formulas were proposed to model the relationship of the compressive strength and elastic modulus with the strain rate.K eyw ords : carbon fiber ;plain weave ;composite ;anisotropic ;dynamic properties ;SHPB 近年来,由于连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能,使其在各个工程领域得到了越来越多的应用,其力学性能的研究正受到重视。
连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性力学性能特征,而且它的制作工艺对其力学性能有很大的影响,增加了连续纤维增强复合材料力学性能研究的复杂性和困难性。
目前,对单向纤维增强复合材料及其层叠多向板在平面应力下弹性范围内的准静态力学性能研究已经比较全面和成熟[1],但对厚复合材料(即一般不是处于平面应力加载环境下的复合材料)的力学性能、复合材料的非线性特征的本构关系,以及在冲击条件下的复合材料响应等,都还处在探索性的研究当中[2,3]。
在国内,夏源明等对单向纤维增强复合材料在冲击拉伸条件下的力学响应及本构关系进行了较深入的实验和理论研究,取得了一系列成果[4,5]。
对于织物增强复合材料,一般采用细观力学的代表体积元(RV E )法来预测其弹性性能[6,7],但对其在冲击条件下的力学性能和应变率效应、破坏机理还缺少认识[8]。
本文中针对一种碳纤维织物增强树脂基复合材料,对其各向异性冲击压缩性能及其应变率效应开展了实验研究,得到了有意义的结果。
1 实验简介本文中研究的碳纤维织物增强树脂基复合材料是由碳纤维二维正交平纹机织布浸渍一种高聚树脂后层叠再热压固化而成,密度为1138g/cm 3,纤维和基体的体积分数:V f =60%,V m =40%。
该材料的力学性能有较强的方向性,可看作正交各向异性体,碳布的纤维走向以及材料的主方向见图1所示。
图1中,方形网格代表碳纤维二维正交平纹机织布,定义垂直于碳布的方向为x 方向,x 方向也记作横向;定义碳布的经向(Warp )为y 方向,碳布的纬向(Fill )为z 方向,y 、z 方向都记作纵向。
对该复合材料的x 、y 、z 方向进行了准静态压缩实验和动态压缩实验(SHPB 实验),获得了三个主方向上的准静态和动态下的压缩应力2应变曲线以及压缩强度。
图1 复合材料主方向及铺层Fig 11 Principal directions and lamina of t he composite 图2是进行准静态、动态压缩实验的试件示意图,试件都是尺寸为d ×d ×h 的长方体,空心箭头代表压缩载荷施加的方向。
对于准静态压缩实验,图2(a ),d =8mm ,h =20mm ;对于动态压缩实验(SH PB 实验),图2(b ),d =12mm ,h =6mm ,这些尺寸是根据实验要求确定的。
图2 准静态、动态压缩实验试件示意图Fig 12 Quasistatic and dynamic compressing specimenx 、y 、z 三个方向的准静态压缩实验,是在中南大学材料测试实验室的Inst ron 材料试验机上完成的,应变率分别控制在01001/s 、0101/s 和0105/s ,对每个试件都直接加载到材料断裂为止,以便同时得到应力2应变实验曲线和材料的准静态压缩强度值。
x 、y 、z 三个方向的动态压缩实验,是在国防科技大学武器效应教研室的SH PB 设备上完成的,得到了动态压缩时的应力2应变曲线和压缩强度,图3是本次实验的SHPB 实验装置示意图。
SH PB (Split 2Hop kinson Pressure Bar )实验技术是战后发展起来获得材料动态压缩性能的一种较为准确的实验方法,正在得到广泛的应用。
在SHPB 实验中,撞击杆以一定速度撞击入射杆,在入射杆中传入一个入射应力波,入射波通过试件,一部分传入透射杆形成透射波,一部分反射形成反图3 SHPB 实验装置示意图Fig 13 SHPB system・011・复合材料学报射波,与此同时便实现了对试件的冲击压缩加载。
通过Channel21对入射波和反射波的记录以及Channel22对透射波的记录,就可以进一步分析记录到的数据从而计算出试件所处的应变率范围和此时的应力2应变曲线。
对SH PB实验记录到的数据的分析计算基于以下几个假设[3]:(1)假设压杆中只存在一维应力波;(2)假设压杆始终处于弹性状态;(3)假设试件两端应力平衡。
在满足这三个假设时,试件所处的应力状态与时间的关系为σS (t)=[εi(t)+εr(t)+εt(t)]E2・SS S(1)而应变率和时间的关系满足εS(t)=[εi(t)-εr(t)-εt(t)]Ch S(2)式(2)只需对时间积分可得应变与时间的关系εS(t)=∫ εS(t)d t(3)最后,根据式(1)和式(3),消去时间后即可得应力2应变关系。
在式(1)～式(3)中,σS、εS、εS分别为试件的应力、应变、应变率;εi(t)、εr(t)、εt(t)分别为记录到的入射、反射、透射应变信号;E、C、S分别为压杆(入射杆和透射杆)的弹性模量、一维应力下的弹性波速以及横截面积;h S、S S分别为试件的厚度与横截面积。
2 实验结果及其分析211 SHPB波形分析在实验中,选用的压杆材料是45#钢,其弹性模量E=211GPa,密度ρ=7185g/cm3,由此可估算出压杆中一维应力弹性波速C=(E/ρ)1/2=51184 mm/μs。
信号采集使用的是Tek3014B数字荧光示波器,采样率为100M Hz。
实验时在试件与压杆的接触面涂抹了适量的二硫化钼润滑脂以减小试件和压杆接触面摩擦力的影响。
实验前已测量得图3中应变片1(Gage1)到试件左端面的距离l1为986 mm±1mm和应变片2(Gage2)到试件右端面的距离l2为576mm±1mm。
