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

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。