下载文档原格式
包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。
方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。
结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。
关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN 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) ABSTRACT: 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. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。
一种碳纤维织物增强复合材料应变率相关的各向异性强度准则——蒋邦海,张若棋碳纤维织物增强树脂基复合材料
复合材料在三个主方向上的单轴压缩应力- 应变关系表达式
纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟——古兴瑾，许希武
复合材料层板高速冲击过程中存在明显的应变率效应，需要考虑应变率对强度参数的影响，模型中认为复合材料单层板各方向上强度的应变率效应可以统一表示为
碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究——王正浩, 赵桂平, 马君峰, 张建新实验所用材料由单向炭纤维环氧树脂预浸料(T300 /Epoxy)(125 ℃固化体系)层合制成
两种铺层。
中国机械工程CHINA MECHANICAL ENGINEERING第32卷第11期2021年6月Vol.32 No.1pp.346-1353SiCp/2024Al 复合材料高应变率热变形行为的新本构模型范依航战纯勇郝兆朋长春工业大学机电工程学院，长春,130012摘要：通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料(SiC p /2024Al)在大应变率和变形温度范围内的热变形行为，分析了热变形参数(变形温度和应变率)对流动应力的影响°研究发现：变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性 模量、应变率敏感性有显著影响；抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小，而抗压强度、弹性模量、 应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点°根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论，建立了描述S i C p / 2 0 2 4 A l 复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型，预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiC p /2024Al 复合材料动态热变形行为°关键词：SiCp/2024Al 复合材料;分离式霍普金森压杆(SHPB)；抗压强度;弹性模量;本构模型 中图分类号:TG501DOI ：10.3969/j.issn.1004132X.2021.n.011开放科学(资源服务)标识码(O SID )：A New Constitutive Model for Hot Deformation Behavior of SiC p /2024AlComposites under High Strain RateFAN Yihang ZHAN Chunyong HAO ZhaopengSchoolofMechatronicEngineering ,Changchun UniversityofTechnology ,Changchun ,130012Abstract ：Throughthedynamiccompressiontestsofthesplit Hopkinsonpressurebar (SHPB ), thethermaldeformationbehaviorofthealuminum-basedsiliconcarbideparticlereinforcedcomposite (SiC p/7074Al) with a volume fraction of 45 % in a large strain rate and deformation temperature rangewas studied. The influence of thermal deformation parameters (deformation temperature and strain rate )onflowstressisanalyzed.Itisfoundthatthedeformationtemperatureandstrainratehavesig- nificant effects on the flow stress , compressive strength , elastic modulus , and strain rate sensitivity ofthecomposites.Thecompressivestrengthandelasticmodulusdecreasewiththeincreaseofdeform- ationtemperature ,whilethecompressivestrength ,elasticmodulusandstrainratesensitivityshowan inflection point with the increase of strain rate. According to the experimental results , combined withthermodynamicsandstatisticaldamagemechanicstheory ,acontinuousdamageconstitutivemodelde- scribingthedynamicthermaldeformationbehaviorofSiC p /2024Alcompositeswasestablished.The predictedflowstressisingoodagreementwiththeexperimentalones ,indicatingthatthe modeles- tablished may accurately describe the dynamic thermal deformation behavior of SiC p / 7074Al compos ites.Key words ： SiC p /2024Al composite ；split Hopkinson pressure bar (SHPB )；compressivestrength ； elastic modulus ； constitutive model0引言高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料SiCp/2024Al 由于比强度高、比刚度高、导电导热性能好、密度小及抗磨损、耐腐蚀等综合物理性能而被广泛应用在汽车、航天、精密仪器、先进武器收稿日期：2020 05 15基金项目：国家自然科学基金联合基金重点项目(U19A20104)；吉林省自然科学基金(20200201064JC)-1346 -系统、电子封装以及体育用品等领域[12] °颗粒增强复合材料的最大体积分数可达70% ,当体积分 数在15%〜20%时,颗粒增强复合材料一般被用来制作主承载件，如直升机旋翼系统、波音777发 动机风扇出口导流片、F18战机液压制动器缸体；当体积分数为35%〜45%时，主要用于制作光学及精密仪器构件，如卫星太阳能反射镜、空间 激光反射镜；当体积分数为60%〜70%时，颗粒SiCp/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型——范依航战纯勇郝兆朋增强复合材料主要用于制作电子封装及热控元件，如印刷电路板、飞行员头部显示器的电子系统J］。
2020年第7期【摘要】利用高速拉伸试验机在0.01~500s -1的应变率范围内获取了某碳纤维增强复合材料（CFRP ）层合板发动机罩的应力-应变曲线并讨论了应变率对其力学性能的影响，结果表明CFRP 层合板是应变率相关材料。
利用获取的试验数据与广义Maxwell 模型拟合，得到考虑应变率效应的广义Maxwell 材料本构模型，将该模型引入分析软件LS-DYNA ，对某CFRP 发动机罩进行了行人保护性能仿真与试验对标，结果表明，考虑模量的应变率效应可以提升CFRP 发动机罩头部损伤值的分析准确度。
主题词：碳纤维增强复合材料应变率行人保护发动机罩中图分类号：TB332文献标识码：A DOI:10.19620/ki.1000-3703.20190683CFRP Hood Pedestrian Protection Performance Analysis ConsideringStrain Rate EffectCheng Chao,Wang Xia（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201）【Abstract 】Stress-strain curve of an engine hood made of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)is obtained at a strain rate range of 0.01~500s -1with a high speed tensile machine,and the influence of strain rate on its mechanical properties is discussed.Test results show that CFRP laminated plate is strain rate related material.The test data obtained is fitted with the generalized Maxwell model,the generalized Maxwell material constitutive model considering strain rate effectis obtained,analysis software LS-DYNA is introduced to this model.Pedestrain protection performance simulation and test benchmarking are carried out for a CFRP engine hood.Test results show that the strain rate effect considering modulus canimprove the accuracy of analysis of CFRP engine hood head injury value.Key words:CFRP,Strain rate,Pedestrian protection,Engine hood程超汪霞（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）考虑应变率效应的碳纤维增强复合材料发动机罩行人保护分析汽车技术·Automobile Technology1前言碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer ，CFRP ）具有极高的比刚度、比强度，同时具有良好的抗疲劳性能和碰撞性能，已被大量应用于航空、航天、国防军工等领域。
带孔复合材料层板动态拉伸破坏的应变率效应荆臻;田常录;吴健;王纬波;赵军华;孙琎【摘要】采用三维Hashin准则作为纤维束损伤判据,根据材料不同损伤模式制定相应的材料性能退化方案,并考虑应变率效应对材料的强度性能进行修正,建立含孔复合材料层合板的渐进损伤分析模型,模拟材料在不同应变率下的损伤破坏过程.通过动态拉伸试验,获得材料在不同应变率下的载荷-位移关系及孔边不同位置的时间-应变关系,讨论了应变率对材料拉伸性能的影响及试件孔边的应力集中情况.有限元分析结果与试验数据相一致,证明了本文所提出分析模型的正确性和有效性.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2019(051)001【总页数】8页(P55-62)【关键词】带孔层合板;应变率效应;冲击拉伸;应力集中【作者】荆臻;田常录;吴健;王纬波;赵军华;孙琎【作者单位】江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,无锡,214122;江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,无锡,214122;中国船舶科学研究中心,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,无锡,214082;江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,无锡,214122;江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,无锡,214122【正文语种】中文【中图分类】O385纤维增强树脂基复合材料凭借高比强度、高比模量、耐高温以及可设计性强等出色的综合性能，已被大量运用于航空航天、国防军工以及交通运输、化工和建筑等领域[1-4]。
在实际应用中，出于结构连接的需要，不可避免地对层合板进行开孔等操作，这破坏了材料自身的连续性，降低了结构强度[5-7]。
研究显示，开孔使某船用层合板的强度下降了40%～60%[8]。
而运用在航空航天、国防军工以及交通领域的结构，往往在很短的时间内承受极大的应力，由于复合材料存在应变率效应的问题，其破坏形式与应变率密切相关[9-10]。
复合材料拉伸应变
复合材料的拉伸应变是指材料在拉伸过程中发生的应变。
拉伸应变是材料在受力作用下的重要性能参数，反映了材料在拉伸方向上的变形能力。
复合材料的拉伸应变通常可以通过拉伸试验来测量。
在拉伸试验中，将复合材料试样固定在试验机上，逐渐增加拉伸力，并记录试样的应变。
通过测量试样的长度变化，可以计算出拉伸应变。
复合材料的拉伸应变与材料的组成、纤维方向、纤维含量、基体性能等因素有关。
在复合材料中，纤维和基体的性能以及纤维的排列方向对拉伸应变具有显著影响。
纤维增强复合材料的拉伸应变主要取决于纤维和基体的性能以及纤维的含量和排列方向。
此外，复合材料的拉伸应变还受到加载条件的影响，如应变率、温度等。
在不同条件下，复合材料的拉伸应变表现出不同的特征。
因此，在进行复合材料拉伸试验时，应充分考虑各种因素的影响，以获得准确的测试结果。
如需更多关于复合材料拉伸应变的专业信息，建议查阅相关领域的专业书籍或咨询该领域的专家。
材料力学中的应力变形规律与应变率效应研究材料力学是研究材料在不同载荷情况下的变形、损伤和破坏行为的一门学科。
在弹性力学中，研究的是材料的弹性变形，而在塑性力学中，研究的是材料的塑性变形。
材料的强度和变形行为，是由其微观结构和化学成分所决定的。
因此，材料力学研究的范畴非常广泛，包括金属、塑料、陶瓷、高分子、复合材料等各种材料。
本文将讨论材料力学中的应力变形规律与应变率效应研究。
一、应力变形规律应力是指单位面积内的内力，与载荷方向和面积大小有关。
应力也可以解释为受到的外部力与件的面积之比。
当材料受到外部载荷作用时，会发生变形，变形程度称为应变。
应变是指材料中受到应力作用时，物体长度、宽度、厚度等尺寸因应力而发生的变化。
应变又可以通过应变率来表示。
应变率是应变随时间的变化率，即单位时间内的应变。
在材料力学中，研究应力变形规律是非常重要的，因为它可以帮助我们了解材料在不同载荷情况下的变形行为。
材料的应力变形规律可以分为弹性变形和塑性变形两种情况。
弹性变形是指材料受到外部载荷作用后，发生的可恢复变形。
当撤去外载荷时，材料能够完全恢复到原来的形状和尺寸。
材料的应力与应变之间的关系遵循胡克定律。
塑性变形是指材料受到外部载荷作用后，发生的不可恢复变形。
即使撤去外载荷，材料也无法完全恢复到原来的形状和尺寸。
材料的应力与应变之间的关系不遵循胡克定律。
在塑性变形过程中，材料发生的能量损失称为塑性变形能。
二、应变率效应应变率效应是材料力学中的一个重要现象。
它指的是在材料塑性变形过程中，塑性应变的大小与应变率的大小是有关系的。
研究应变率效应可以帮助我们更好地了解材料的塑性变形行为，并且预测材料在不同应变率下的变形行为。
应变率效应主要有三种表现形式：在高应变率下的材料强度会上升；在低应变率下的材料强度会下降；在一些材料中，塑性应变在低应变率下是有限的，在高应变率下是无限的。
应变率效应的原因是因为材料的结构和热动力学特性。
在高应变率下，材料中的位错密度增加，位错互相碰撞，形成了强烈的相互作用和动态平衡。
石墨烯橡胶复合材料的性能一、机械性能石墨烯拉伸强度高达130GPa、杨氏模量约为1.01TPa，为目前最硬、强度最高的材料；此外，它还拥有超高的比表面积（约为2630m2/g），比传统石墨高100～500倍，石墨烯的径厚比约为400，比炭黑的高40～80倍，添加少量石墨烯就能明显提升橡胶复合材料性能，这对于石墨烯改性纳米复合材料的应用大有裨益。
Araby等将结构完整的、厚度为3.56nm的石墨烯片通过机械共混法混入EPDM 橡胶中制备出了纳米复合材料。
当GNPs填量为26.7%（体积分数）时，复合材料的杨氏模量、拉伸强度和撕裂强度分别增大了710%、404%和270%。
Gan等利用溶液混合法制备了硅橡胶（SR）/氧化石墨烯纳米复合材料。
结果表明：GO片能够均匀地分散在SR基体中，同时纳米复合材料的热性能和机械性能得到增大。
同时还发现，将不同乙烯基浓度的SR共混使用制备的GO填充纳米复合材料的机械性能均比单一乙烯基浓度的SR纳米复合材料高。
二、疲劳性能橡胶制品在轮胎、高速机车、航空航天等领域服役时，常处于周期动态负载状态，而制品疲劳寿命很大程度上取决于橡胶材料的疲劳断裂性能。
因此，为了保证橡胶制品使用时的安全性、可靠性和长寿命，改善橡胶材料的动态疲劳特性具有重要的意义。
Mahmoud等研究了GNPs对NBR橡胶“循环疲劳—滞后”性能影响。
累计损伤可用耗散的能量LDE（Loading path Disspated Energy）来表示，LDE随周期性应力—应变循环次数的变化情况见图4-6。
研究表明，随着GNPs填量增多，体系中GNPs总表面积增大，GNPs与橡胶基体之间的摩擦作用更强，结果循环过程中复合材料的能量耗散增多，滞后效应更明显，损伤速率加快；且随着循环次数增多，GNPs的结构发生破坏；在经历初次十个疲劳循环后，纳米复合材料的LDE 速率增大到了临界值，此后随着循环次数增大，累积损伤速率变化很小，纳米复合材料的损伤耗散能量降低。
碳纤维增强复合材料的中低应变率力学性能试验研究惠旭龙;刘小川;白春玉;舒挽;葛宇静【摘要】目的研究碳纤维增强复合材料的中低应变率力学性能.方法利用电子万能试验机和高速液压伺服材料试验机对[(±45°)]4s和[(±45°)]8两种铺层碳纤维增强复合材料进行常温下准静态和中低应变率力学性能试验,得到不同应变率下的应力应变曲线和失效参数.结果在应变率6.7×10?4～500 s?1范围内,两种铺层材料均具有明显的应变率强化效应,材料失效应力随应变率的提高而增大.两种铺层材料均发生纤维断裂失效和局部的分层失效,但[(±45°)]4s铺层发生燕尾形失效,[(±45°)]8铺层发生剪切失效.结论获得了碳纤维增强复合材料在不同应变率下的力学性能参数,可为复合材料飞机结构的抗冲击设计和仿真分析提供准确的材料参数.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2018(015)009【总页数】4页(P81-84)【关键词】固体力学;碳纤维增强复合材料;中应变率;应变率效应;失效特性【作者】惠旭龙;刘小川;白春玉;舒挽;葛宇静【作者单位】中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室,西安710065;中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室,西安 710065;中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室,西安 710065;中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室,西安 710065;中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室,西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TJ04碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度、耐腐蚀、抗老化等特性，已被广泛应用于飞机结构中[1]。
飞机在使用过程中不可避免会发生鸟撞、冰雹撞击、坠撞等威胁到飞行安全的问题，为提高飞机的安全性，并尽可能减轻飞机质量，就需要了解碳纤维增强复合材料的动态力学特性，获得材料在不同应变率下的力学性能参数，为复合材料飞机结构的抗冲击设计和仿真分析提供准确的材料参数。
复合材料的动态响应特性分析在现代工程领域中，复合材料因其优异的性能而得到了广泛的应用。
复合材料由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成，具有比单一材料更出色的综合性能。
然而，要充分发挥复合材料的优势，了解其动态响应特性至关重要。
复合材料的动态响应特性是指在动态载荷作用下，材料的力学行为和性能变化。
动态载荷包括冲击、振动、爆炸等快速变化的外力作用。
与静态载荷不同，动态载荷的作用时间短、加载速率高，会导致复合材料表现出独特的响应特性。
首先，复合材料的组分和微观结构对其动态响应特性有着重要影响。
常见的复合材料有纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
以纤维增强复合材料为例，纤维的种类、长度、取向以及与基体的结合强度都会影响材料的动态性能。
如果纤维的取向与载荷方向一致，那么材料在该方向上的强度和刚度会显著提高；反之，如果纤维取向不一致，材料的性能则会较为复杂。
其次，加载条件也是影响复合材料动态响应的关键因素。
加载速率的高低会直接影响材料的变形和破坏模式。
在高加载速率下，材料可能来不及发生塑性变形，表现出脆性断裂；而在低加载速率下，材料则有更多的时间进行能量耗散，呈现出韧性断裂的特征。
此外，载荷的类型（如拉伸、压缩、剪切等）和加载的方向也会对复合材料的动态响应产生不同的影响。
在研究复合材料的动态响应特性时，实验方法是获取直接数据的重要手段。
常见的实验方法包括霍普金森压杆实验、落锤冲击实验等。
霍普金森压杆实验可以精确测量材料在高应变率下的应力应变曲线，从而了解材料的动态力学性能。
落锤冲击实验则能够直观地观察材料在冲击载荷下的破坏模式和能量吸收情况。
数值模拟方法在复合材料动态响应特性研究中也发挥着重要作用。
通过建立合理的数学模型和有限元分析，可以预测材料在不同加载条件下的响应，为实验研究提供补充和指导。
然而，数值模拟的准确性很大程度上取决于模型的合理性和材料参数的准确性。
复合材料在动态载荷下的变形和破坏机制较为复杂。
第二章复合材料的复合效应第一节复合效应概述复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。
耦合：不同性质材料之间的相互作用。
→复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能）。
从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。
拟解决的问题：寻找材料复合的一般规律。
研究增强机理。
一、材料的复合效应线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。
非线性效应：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。
复合效应是复合材料的研究对象和重要内容，也是开拓新型复合材料、特别是功能型复合材料的基础理论问题。
非线性效应尚未被充分认识和利用，有待于研究和开发。
1、平均效应：P c=P m V m+P f V f（P：材料性能；V：材料体积含量；c：复合材料；m：基体；f：增强体或功能体）应用：力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性；热传导、电导等物理常数。
例：复合材料的弹性模量：E c=E m V m+E f V f（混合定律）2、相补效应：性能互补→提高综合性能。
例：脆性高强度纤维与韧性基体复合，适宜的结合形成复合材料。
→性能显示为增强体与基体互补。
3、相乘效应：X/Y·Y/Z=X/Z（X、Y、Z：物理性能）两种具有转换效应的材料复合→发生相乘效应→设计功能复合材料。
例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。
压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。
对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。
最大输出已达103V·A。
单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。
4、共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，产生机械的、电的、磁的共振。
应用：改变复合材料某一部位的结构→复合材料固有频率的改变→避免材料工作时引起的破坏。
吸波材料：调整复合材料的固有频率，吸收外来波。
一种碳纤维织物增强复合材料应变率相关的各向异性强度准则——蒋邦海,张若棋碳纤维织物增强树脂基复合材料
复合材料在三个主方向上的单轴压缩应力- 应变关系表达式
纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟——古兴瑾，许希武
复合材料层板高速冲击过程中存在明显的应变率效应，需要考虑应变率对强度参数的影响，模型中认为复合材料单层板各方向上强度的应变率效应可以统一表示为
碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究——王正浩, 赵桂平, 马君峰, 张建新实验所用材料由单向炭纤维环氧树脂预浸料(T300 /Epoxy)(125 ℃固化体系)层合制成
两种铺层。
