高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究_孙闪闪.pdf
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1、玻璃纤维2023 年 第 3 期 7技术研究中图法分类号:TQ342+.742 文献标识码:A高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*孙闪闪,文治天,冯冠铭,李 俊,方允伟,郝郑涛,陈建明(南京国材检测有限公司,南京210012)摘 要:通过对T800碳纤维(单向)增强塑料在-50200 范围内不同温度下0方向和90方向拉伸性能、0方向和90方向压缩性能的测试,分析了温度对拉伸性能和压缩性能的影响,得到了T800碳纤维增强塑料的拉伸性能和压缩性能随温度的变化规律。结果表明:T800碳纤维增强塑料在-50 和-40 下0拉伸强度和0压缩强度均有相应提高,0拉伸弹性模量和0压缩弹性模量变化不
2、明显;当测试温度达到150200 时,0拉伸性能和0压缩性能下降较为显著;90拉伸性能和90压缩性能在-50200 范围内随温度的升高呈现直线下降趋势。关键词:高低温;碳纤维;力学性能;复合材料EffectsofHighandLowTemperatureonMechanicalPropertiesofCarbonFiberReinforcedPlastics*SunShanshan,WenZhitian,FengGuanming,LiJun,FangYunwei,HaoZhengtao,ChenJianming(NanjingGuoCaiTestingCo.,Ltd.,Nanjing21001
3、2)Abstract:The mechanical properties of T800 carbon fiber reinforced plastics,such as 0 and 90 tensile properties and compressive properties were tested at different test temperatures ranging from-50 to 200.The influence of temperature on tensile and compressive properties was analyzed.The dependanc
4、y of tensile and compressive properties of T800 carbon fiber reinforced plastics on temperature was obtained.The results showed that at-50 and-40 ,the 0 tensile strength and 0 compressive strength of T800 carbon fiber reinforced plastics increased correspondingly,but the 0 tensile modulus of elastic
5、ity and 0 compressive modulus of elasticity did not change significantly.When the test temperature reached 150200 ,the 0 tensile and compressive properties decreased significantly,while the 90 tensile and compressive properties showed a straight downward trend with the increase of temperature in the
6、 range of-50200 .Key words:high and low temperature;carbon fiber;mechanical properties;composite material0 前言碳纤维由腈纶和粘胶纤维作为原料,经高温氧化碳化而成,是一种含碳量在90%以上的特种纤维。碳纤维的拉伸强度为2 0007 000 MPa,拉伸弹基金项目:高性能纤维及复合材料原创技术策源地(2021YCJS02)收稿日期:2022-12-09修回日期:2023-02-28作者简介:孙闪闪(1989),男,工程师。主要从事增强纤维及复合材料测试及标准化研究。孙闪闪,等:高低温环境对碳
7、纤维增强塑料力学性能的影响研究*DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.001玻璃纤维2023 年 第 3 期 8技术研究性模量为200700 GPa,密度约为1.52.0 g/cm3,比铝轻,同体积下质量不到钢的四分之一,强度是铁的20倍1。作为增强材料与树脂复合制成碳纤维增强塑料(CFRP),具有重量轻、比强度高、比刚度高、加工成型方便、热稳定性能、抗疲劳性能和减振性能好等优点,已被广泛应用于航空航天2,3、航海、风力发电、汽车、化工、纺织、电子电气、压力容器、建筑、体育休闲等领域,在近几年更是得到了飞速发展。碳纤维等高性能纤维作为国家重点优先发展的关键材料,是我国
8、经济发展和国防建设不可或缺的战略性材料。CFRP在工程应用中,不可避免地受到严寒、酷暑等周围环境的影响,其力学性能主要取决于纤维性能、树脂性能、树脂和纤维界面结合力,在严寒或酷暑的环境中纤维的性能、树脂的性能以及树脂和纤维界面的结合力均会出现不同变化,使CFRP的力学性能也呈现不同的变化。不少学者在高低温老化对碳纤维增强复合材料力学性能的影响方面做了研究,比如陈明等4对碳纤维环氧树脂T300/AG80复合材料进行了高温强度测试分析和数值模拟研究,罗健等5针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响进行了研究,冯消冰 等6针对湿热环境、高低温环境和腐蚀环境对碳纤维复合材料的影响及防护
9、措施进行了研究。本文将对T800碳纤维增强塑料在-50、-40、23、70、120、150 和200 温度下分别进行0拉伸性能、90拉伸性能、0压缩性能和90压缩性能测试和分析研究。1 实验部分1.1 原材料T800碳纤维增强塑料,纱线沿0方向铺制的单向板材。拉伸试样,依据标准GB/T3354-2014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法制备,0拉伸试样尺寸为250 mm12.5 mm1 mm,粘 贴50 mm长 的 加 强 片;90拉 伸 试 样 尺 寸 为175 mm25 mm2 mm,不粘贴加强片。压缩试样,依据标准ASTM D6641/D6641M-16采用复合加载压缩(CLC
10、)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制 备,0压 缩 试 样 和 90压 缩 试 样 尺 寸 均 为140 mm13 mm2 mm,粘贴加强片,加强片长度63.5 mm,试样工作段长度13 mm。1.2 设备仪器电子强力试验机,INSTRON 3382,美国英斯特朗公司生产。量程:100kN,精度:0.5级;高低温试验箱,美国英斯特朗公司生产。工作温度范围:-70 350。1.3 实验方案根据测试温度(-50、-40、23、70、120、150 和200)和测试性能(0拉伸性能、90拉伸性能、0压缩性能和90压缩性能)将设计28组试验,每组试验有效数据个数均为5个,并计算
11、每组试验的平均值、变异系数以及高低温试验的性能保持率,其中性能保持率是指该性能测试的平均值与23温度下该性能测试平均值的百分比。具体设计试验矩阵如表1所示。表1 CFRP高低温性能设计实验矩阵有效数据个数 0 拉伸强度0 拉伸弹性模量90 拉伸强度90 拉伸弹性模量0 压缩强度0 压缩弹性模量90 压缩强度90 压缩弹性模量-50 55555555-40 5555555523 5555555570 55555555120 55555555150 55555555200 55555555孙闪闪,等:高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*玻璃纤维2023 年 第 3 期 9技术研究孙闪闪,
12、等:高低温环境对碳纤维增强塑料力学性能的影响研究*拉伸性能、压缩性能分别依据标准GB/T3354-2014、ASTM D6641/D6641M-16进行测试。在进行测试前,安装好夹具并置于环境箱中预热到所需的测试温度;再将试样安装在夹具中,关上环境箱,待温度达到测试温度时开始计时,保温510 min后开始测试。实验结束后计算强度和弹性模量,并检查试样失效模式,剔除破坏模式不可接受的 数据。2 实验结果分析2.1 温度对CFRP 0拉伸性能的影响CFRP 0拉伸性能测试,在实验过程中,当载荷加载到一定程度时,试样表面和边缘少量纤维出现剥离散丝破坏,持续施加载荷,试样呈现瞬时整体散丝爆炸破坏,试样
13、失效,纤维强度均能得到充分发挥。CFRP 0拉伸性能在不同温度下的实验结果如表2所示,0拉伸强度和弹性模量随温度的变化如图1所示。表2 0拉伸性能实验测试结果-50-40 23 70 120 150 200 0 拉伸强度平均值/MPa2530252724292425245824092084变异系数/%2.852.522.402.091.492.623.59性能保持率/%104.1104.0100.099.8101.299.185.80 拉伸弹性模量平均值/GPa158.5158.3154.6154.9156.8152.4146.1变异系数/%1.571.181.561.451.251.962.
14、40性能保持率/%102.5102.4100.0100.2101.498.494.5a.0拉伸强度随温度变化曲线图b.0拉伸弹性模量随温度变化曲线图图1 0拉伸强度和弹性模量随温度的变化曲线图分析测试结果可知,温度由23 降低至-40 和-50 时CFRP 0拉伸强度性能保持率分别为104.0%和104.1%,0拉伸弹性模量性能保持率分别为102.4%和102.5%,表明在低温测试条件下0拉伸强度略有提高,0拉伸弹性模量变化不超过3%,变化不明显,这主要是由于基体树脂的膨胀系数大于碳纤维的膨胀系数使碳纤维在低温环境下会受到树脂的夹紧力,即增加了基体与纤维的结合度,形成了强界面,提高了界面的相容
15、性7,8,使纤维间的载荷传递更紧密,进而提高了低温测试环境下0拉伸强度,而0拉伸弹性模量主要由纤维的弹性模量决定,低温对纤维弹性模量影响不大,故0拉伸弹性模量变化不大。温度由23 升高至70、120、150 和200 时CFRP 0拉 伸 强 度 性 能 保 持 率 分 别 为99.8%、101.2%、99.1%和85.8%,0拉伸弹性模量性能保持率分别为100.2%、101.4%、98.4%和94.5%,表明在一定测试温度范围内0拉伸性能基本保持不变,当温度超过150 时,随温度的升高0拉伸强度和0拉伸弹性模量均有明显降低,这主要是由于CFRP 0拉伸性能主要取决于纤维的性能,基体树脂主要起
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