（固体力学专业论文）复合材料低温力学行为的研究.pdf

摘要 譬 工i9d7 本论文由五章组成，但实际上第二章至第四章才代表了三年研究生期间作 者自身的研究工作。 第一章作者评述了纤维复合材料低温力学行为的研究进展并提出了需要迸 _ 一步研究的问题。 在第二章，报告了作者进行的复合材料低温力学行为的实验细节和结果。 f 特别强调的是，为考察纤维强度的统计特性和得到纤维性能的原始数据，对玻 璃纤维和碳纤维进行了一系列室温和低温( 7 7 k ) 下的拉伸试验。结果表明，这 两种纤维低温强度的统计特性仍可用两参数w e i b u l l 分布来描述，但是他们在 低温( 7 7 k ) 下的尺度参数比室温下的大，而形状参数几乎不变。在本章其余部 分，对各种复合材料试样( 包括无缺口，有缺口，单向或各种铺层) 进行了室 温和低温( 7 7 k ) 下的拉伸试验研究。试验给出了应力应变曲线和断裂功。结果 表明，两种复合材料的低温拉伸强度和模量都比室温时的大，断裂功也是如 此。y 单向复合材料力学行为的数值模拟是第三章的中心问题，其目的是探求一 一 r 种方法预测单向复合材料的低温力学行为。，7 把修萨的剪滞模型和m o n t e c a r l o f 模拟技术结合起来形成一种方法，可以用来模拟包括单向复合材料的破坏过 程、模量、强度和韧度的力学行为。模拟结果与室温和低温下的试验结果比较 显示了较好的符合性。研究发现，碳纤维和玻璃纤维复合材料低温力学性能的 改善的主要原因是低温下尺度参数的增加，而界面状态也是不可忽略的。至于 带缺口的单向复合材料，根据断裂力学中的能量释放率概念，发展了种计算 能量释放率的方法。计算了在室温和低温下的起始及临界的能量释放率，比较 了临界能量释放率和断裂功。所得出的能量释放率可能是单向复合材料韧性的 一种表征。 在第四章，建立了一种三维细观有限元模型，这种模型的单元尺寸是纤维 横截面的量级并且可以计及纤维强度的统计特性。这利t 模型与m 。n t e c a r l o 模 拟技术结合可以数值模拟正交层压板的力学行为。作者对玻璃纤维正交层压板 的室温和低温力学行为进行了数值模拟。 第五章是全文的总结。 a b s t r a c t t h i st h e s isc o n t a i n sf i v ec h a p t e r s ，b u ti nf a c t ，i tp r e s e n t e dt h r e e p a r t s o fs e lf a u t h o r sr e s e a r c hw o r k si nt h r e e y e a r s o f g r a d u a t e s t u d y ， i e t h ec o n t e n t sf r o j l 】c h a p t e r2t o4 i n c h a p t e r1 ， t h ea u t h o rd e s c r i b e dr e s e a r c h p r o g r e s s o nm e c h a n i c a l b e h a v i o r sa t c r y o g e n i cf o r f i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa n di n d i c a t e d s o m ep r o b l e m sw h i c hn e e d e dt ob er e s e a r c h e df u r t h e r i n c h a p t e r2 ， t h e e x p e r i m e n t a l d e t a i l sa n dr e s u l t so nm e c h a n i c a l b e h a v i o r so f c o m p o s i t e s a t c r y o g e n i c w e r e r e p o r t e d p a r t i c u l a r e m p h a s i s ist h a tas e r i e so ft e n s i l et e s t sw e r ec o n d u c t e da tr o o ma n d l o w( 7 7 k ) t e m p e r a t u r e s f o rc a r b o na n d g l a s s f i b e r st oe x a m i n et h e s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft e n s i i e s t r e n g t h s ， a n dt h e p r i m a r y d a t ao ff i b e r p e r f o r m a n c e sw e r eg i v e no u t ，t o o t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 。ft e n s i l e s t r e n g t h s a t c r y o g e n i c c a nb es t i l ld e s c r i b e d b yt w o p a r a m e t e r sw e i b u l i d is t r i b u t i o nf o rb 。t ht h ef i b e r s b u tt h es c a l e p a r a m e t e r so fw e i b u l l d i s t r i b u t i o na t7 7 ka r e l a r g e rt h a no n e sa tr o o mt e m d e r a t u r ea n dt 1 e s h a p ep a r a m e t e r sa r ea l l 7 】o s tu n c h a n g e d i nt h er e s to ft h js c h a p t e r ， a s e r i e so ft e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e d o u ta t r o o ma n dl o w ( 7 7 k ) t e m p e r a t u r e s f o ra v a r i e t y o f c o m p o s it es p e c i m e n sw h i c hi n c l u d e d u n n o t c h e da n dn o t c h e d ，a sw e lla su n i d ir e c t i o n a l o rw it han u j j 】b e ro f s t a c k i n gs e q u e n c e s t h et e s t s g a v e 。u tt h es t r e s s s t r a i nc u r v e sa n d t h et 、r a c t u r ew o r k s t h er e s u lt ss h o w e dt h a t t h et e n s il e s t r e n g t ha n d m o d u l u so fb o t ht h e c o m p o s it e s a r ei n c r e a s e d a t c r y o g e n i c( 7 7 k )a n d t h ef r a c t u r ew o r k sa 1s o n u m e r i c a l s i m u l a t i o no f m e c h a n i c a l b e h a v i o ra t c r y o g e n i cf o r u n i d i r e c t i o n a lc o m p o s i t e si st h ef o c u so fa t t e n t i o n i nc h a p t e r3 t h e a i mist o p r o b e am e t h o dt o p r e d i c tt h em e c h a n i c a l b e h a v i o ro f u n id i r e c t j o n a l c 。m p o s jt ea t c r y 。g e n j ca n dt oe x a m i n e t h ei n f l u e n c e f a c t o r s a na p p r o a c hc o m b i n e d t h em o d i f i e d s h e e r l a g 仃l o d e l w i t ht h e m o 几t e c a r 】os i m u l a t i o n t e c h n i q u e w a s d e v e l o p e d t os i m u l a t e n ur f l e r i c a l l yt h em e c h a n i c a l b e h a v i o r i n c l u d i n g t h ef a i l u r e p r o c e s s ， t e n s i l em o d u l u s ， s t r e 九g t ha n dt o u g h n e s s a tr o o ma n dl o w t e m p e r a t u r e s f o ru n i d i r e c t i o n a l c o m p o s i t e s c o m p a r i s o n s o ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t aa t2 9 6 ka n d 7 7 kd e m o n s t r a t e d g o o d a g r e e m e n t i ti sf o u n dt h a t i m p r o v e m e n t o ft h e p e r f o r m a n c e a t c r y o g e n i cf o r c a r b o na n dg l a s sf i b e r sc o m p o s i t e si sm a i n l yd u et ot h e i n c r e a s ei nt h es c a l ep a r a m e t e ro ff i b e r ， a n dt h es t a t e so fi n t e r f a c e a t c r y o g e n c c a nn o tb e n e g l e c t e d t o o a st ot h eu n i d ir e c t i o n a l c o m p o s it e s w it han o t c h ，am e t h o dc a l c u l a t e dt h ee n e r g yr e l e a s er a t e o fn o t c h g r o w t h w a s d e v e l o p e d o nt h eb a s iso f t h e c o n c e p t o ft h e e n e r g y r e l e a s er a t ei nf r a c t u r em e c h a n i c t h ei n i t i a la n dc r i t i c a l e n e r g y r e l e a s er a t e sa tr o o md n d1 0 w t e m p e r a t u r e s w e r e p r e d i c t e d c o m p a r i s o n so ft h ec r i t i c a le n e r g yr e l e a s er a t et ot h ef r a c t u r ew o r k w e r em a d e its h o w e dt h a tt h ed e v e l o p e de n e r g yr e le a s er a t e m a yb ea c h a r a c t e r i s t i co f t o u g h n e s s f o ru n i d i r e c t i o n a l c o m p o s i t e s w i t ha n o t c h i nc h a p t e r4 ，at h r e e d i m e n s i o n a lm u l t i c e l l 【l e s o m e c h a n i c a lf i n i t e e l e m e n tm o d e lw a sd e v e l o d e d t h i sm o d e lc o n t a i n e dt h ee l e m e n t sw i t h s i z eb eo r d e ro fc r o s s s e c t i o no ff i b e ra n d c o u l dt a k ei n t ot h e s t a t is t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ff i b e r s t r e n g t h c o m b i n i n gt h em o n t e c a r l os i m u l a t i o n t e c h n i q u e ， i tc a ns i m u l a t et h em e c h a n i c a l b e h a v i o r a tr o o ma n dl o wt e m p e r a t u r e sf o rc r o s s p i y1 a m in a t e s s i m u l a t i o nf o r 9 1 a s sf i b e r1 a m i n a t e sw a sc a r r i e do u t c o n c l u d i n gr e m a r k sw a sg i v e n i n c h a p t e r5 苎二兰丝一 第一章绪论 1 1 引言 先进复合材料是从本世纪六十年代出现，至今仍在飞跃发展的一种新型材 料，它是由两种或两种以上的材料通过一定的成形工艺而形成的在性能上全新的 一种材料。由于其具有比强度和比刚度高、材料性能的可设计性等优点，近几十 年来，已被广泛的应用于航空、航天、机械、船舶、土木工程以及电子、医疗、 体育用品等各个领域。而连续纤维增强复合材料是目前最常用的复合材料，它由 纤维、基体和界面几部分组成。其中纤维在复合材料中起主要作用，由它提供复 合材料的强度和刚度，基本控制材料的力学性能；基体材料起配合作用，它支持 和固定纤维材料，传递载荷，保护纤维以防止磨损和腐蚀并改善复合材料的某些 性质。复合材料从诞生之日起，其研究工作就沿着两个主要方向进行，一是针对 工程应用的复合材料宏观结构力学的研究，二是针对材料力学性能的复合材料细 观力学的研究。宏观力学方法以材料实验为基础，归纳出材料的本构方程、损伤 演化和破坏规律，为材料和结构的分析、设计和应用提供依据和方法。而细观力 学方法则是将材料看成细观结构，用连续介质力学的方法获得细观结构对外载和 其他环境条件的响应，再通过平均化方法得到宏观的本构方程和损伤的宏观表 征，描述在外载作用下材料的变形、损伤和破坏的规律。细观力学当前已成为改 进材料力学性能和设计先进材料的必不可少的力学理论基础。用细观力学方法研 究材料的力学性能，从而为复合材料的力学计算和材料的优化设计提供依据，已 经成为固体力学和材料科学中重要的前沿课题之一【1 2 】。 随着超导体等低温技术的发展以及航空航天的需求，复合材料在低温环境中 的应用也越来越广泛。在低温环境下使用的各种结构、支撑、连接等构件对材料 的低温力学性质有各种特殊的要求，材料在低温条件下的力学性能会发生较大的 改变，这就需要了解它们在低温下的力学性能。对材料在低温下的力学性质、力 学行为的研究构成了一门新的交叉分支学科一一低温力学( c r y o g e n i c m e c h a n i c s ) 。 复合材料在低温环境下的大量应用，使得在低温条件下复合材料力学行为的 研究具有重要的理论和实际意义。而当前低温力学的研究方向主要为材料低温力 第一章绪论 学性能的测试和评价、低温下材料某些力学行为的理论解释、低温下使用的新材 料的设计等等 3 7 1 。可以看出，实际匕对复合材料低温力学行为的研究主要集中 在工程应用和实验测试方面。而对低温下复合材料力学性能的理论分析和预测等 工作则显得相对稀少。如何利用室温下对复合材料力学性能的研究成果，从理论 分析和数值模拟方面对低温下复合材料的力学行为进行分析和预测，将是一个具 有重要意义的课题。 单向纤维增强复合材料是最简单的复合材料，也是复合材料工程结构中最基 本的单元，承受沿纤维方向的纵向拉伸载荷是其最基本的承载形式。研究单向纤 维增强复合材料在低温条件下的力学行为是复合材料低温力学的一个基本问题。 相对于单向复合材料来说，角铺层纤维增强复合材料由于其具有更为优越的 力学性能而在低温工程中得到广泛的应用，而对其所做细观力学分析也因其结构 的复杂多变而显得更为困难。研究低温下角铺层复合材料力学性能将是一个复杂 而又具有实际意义的工作。 1 2 纤维增强复合材料在低温工程中的应用 自本世纪7 0 年代后，随着科学技术的进步，在一些要求特殊的领域，传统 材料越来越难以满足工程实践的需要。尤其是在某些环境苛刻，要求特殊的条件 i 下。如空间工程中要求材料的比强度、比刚度高，而且低温热性能好、热膨胀系 数小；低温工程中( 超导磁体，低温电子，低温容器，热核反应堆等等) 要求材 料的低温力学性能好、热传导率低等。复合材料由于其优异的力学、热学、电学 及其它物理性能，在这些领域脱颖而出，得到越来越广泛的应用。 纤维增强复合材料在低温工程中的应用主要有以下几个方面【8 】： ( 1 ) 支撑材料：包括支撑和悬挂带材两种形式。 由于复合材料的高比刚度、比强度，使其多被用来在对重量要求严格的航天 器上作为结构支撑材料。而在空间环境中，温度变化较大，如卫星在地球面向太 阳的一侧和背向太阳的一侧运行时，工作温度在9 0 k 6 0 0 k 之间变化。 主要性能指标：抗拉强度、拉伸模量、抗压强度、压缩模量、热导、热膨 胀系数、疲劳性能和抗辐射性能。 第一章绪论 s 叫h n d 呐【l i | i n 。 u r b r 蚋i 删e p - c i ，b o n 胁艟，p | 1 c e n m i c 。 图1l 低温容器的支撑结构 图l1 是一种常见的支撑单元中复合材料作为支撑和悬挂带材的应用实例。 在考虑结构强度和刚度的前提下，减少支撑的漏热可以大大提高低温结构的效 率，由于碳纤维复合材料在液氦温区( 4 k ) 热导很小，而其高温区热导较大， 玻璃纤维复合材料的热导则恰恰相反。因此才有图11 中碳纤维玻璃纤维复合支 撑的结构。 ( 2 ) 低温容器：例如压力容器和杜瓦瓶。 由于大部分纤维增强树脂基体复合材料的低导热率和抗磁、不导电等性质， 现在也被用来制作低温液体储液槽、低温无磁杜瓦等。 主要性能指标：热导、抗拉强度、拉伸模量、热膨胀系数、透气率和疲劳性 能。 f i b e r g l 鹋s e p o x y 图l2 纤维增强复合材料在低温容器中的应用 图l2 给出了玻璃纤维增强环氧树脂在低温容器中的应用。 印 “ o b i ， m 潞 h 眦“ 鼢 nuv 第一荜绪论 ( 3 ) 绝缘材料：包括浇铸绝缘和绝缘层两种。 超导体分为常规超导体( 工作在液氦温区) 和高温超导体( 工作在液氮温区) 两种类型，目前在实际应用的主要是常规超导体。但不管何种超导体，一般的工 作温度都在较低温度。在低温热核反应堆( t 0 k a m a k ) 、高速对撞机、超导磁悬 浮列车中都应用到超导磁体。由于对材料的绝缘性、抗磁性、热膨胀性质、抗疲 劳断裂性质的要求，大多数超导磁体的浇注都使用纤维增强复合材料，如中科院 等离子所的托克马克、国际低温热核反应实验堆( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a r e x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) 9 、欧洲核子中心( c e r n ) 等所用的超导体中的绝缘材 料都使用了复合材料。 主要性能指标：厚度方向特性( 抗剪强度、剪切压缩耦合强度、抗压强度) 、疲 劳特性、电学强度、热膨胀系数、热导、界面性能和抗辐射性能等。 。 图l3 复合材料在低温结构中用作电绝缘材料实例 图l3 是国际低温核反应堆( i n t e m a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x d e r i m e n t a l r e a c t o r ) 中磁约束超导线圈的截面示意图。以环氧树脂为基体的s 玻璃纤维增 强复合材料以及环氧树脂本身被用于超导磁体的绝缘和支撑材料。 ( 4 ) 热辐射探测装置：热辐射、红外探测需要良好的深冷环境，而由于探测所需 要的高灵敏度，对使用材料的热膨胀性能有着苛刻的要求，同时又要求整个结构 4 第一章绪论 有较好的减震性能。由于些纤维增强复合材料低温下有着零膨胀系数，甚至是 负膨胀系数，又有较高的阻尼，在红外、热辐射探测设备中得到了广泛的应用。 1 3 纤维增强复合材料在低温下的力学性能及研究现状 1 3 1 纤维增强复合材料在低温下的力学性能 由于复合材料是由纤维、基体和界面等组成的，它的低温性能主要也就是它 的组分性能及它们的相互作用所决定。下面讨论一下复合材料组分的一些低温性 能： 1 纤维 玻璃纤维是由共价键连接的各向同性材料，各方向具有同样的强度；碳纤维 是各向异性材料，仅仅在纤维方向由很强的共价键连接，而在侧向上由很弱的范 德华力结合。碳纤维的各向异性使得其热传导也同样具有各向异性，在室温下， 纤维轴向的热膨胀系数高于侧向。 表1 1 和1 2 中列出了在低温工程中常用的几种纤维和基体的物理和力学性 质。 表l l 室温下部分纤维的力学性质【9 】 f i b r e sm o d u l u s o t p m l eo ：y i v es t ce t f a t 逗u e t h e r m a l g p a g p a g p a s t r e n 昏h e x d a n s i o n c a r b o n h s3 0 0 5 0 04 81 2 1 5 2 v e f y h i 曲 v j r v l o w h m5 0 0 9 0 02 3l 一2 1 7 1 7 2 7 6 2 o 一2 7 5 碳含量， 9 9 89 9 o 9 6 59 4 5 对于碳纤维的种类划分，文献中经常使用的另一种方法是根据其优先位相的 程度来划分的。i 型结晶方向平行于纤维轴的程度高，并且有高模量。i i 型的定 向程度低一些，但有高强度。i i i 型为自由位向，其强度和模量低。 本试验中采用的碳纤维性能如下( 由厂家提供) ： 产地：台湾 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 名称：台丽丝( t a ir y f i l ) 牌号：t c l2 k ：j 3 单丝直径：6o o j ， 一 密度：18 0 占册3 此纤维的性能接近于t 3 0 0 碳纤维，可看作是高强度( h t ) 型碳纤维。 一室温和低温下碳纤维统计强度测试结果 在室温( 7 1 = 2 9 6 k ) 下测试出标距长度分别为l = 2 0 月聊、4 0 州下碳纤维 强度值，在低温( 7 1 = 7 7 k ) 下测试出标距为= 2 0 月7 的碳纤维强度值。由测 试出来的每根纤维强度就可以利用方程( 2 5 ) 和( 2 8 ) 绘出纤维破坏概率与纤 维破坏强度的关系曲线以及纤维强度的w e i b u l l 分布图。 图2 5 2 1 0 分别为室温和低温下不同标距长度碳纤维的w e i b u l l 分布图和 碳纤维破坏概率一强度关系图。纤维的w e i b u l l 分布图也称双对数w e i b u l l 图， 由图知纤维强度数据点呈现线性分布，采用最小二乘法线性拟合成为条直线。 由直线的截距和斜率就可以得到纤维强度w e i b u l l 分布的尺度参数和形状参数。 由拟合结果知碳纤维在室温和低温下强度都可以采用w e i b u l1 分布进行描述。 器 苫 量 咐 图25 碳纤维w e i b u l l 分布图 ( 7 = 2 9 6 k ，= 2 0 ) 1 0152 02 53 03 54 05 删 图26 碳纤维破坏概率强度图 ( 7 、= 2 9 6 ，= 2 0 ) 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 气。 兰， 姜。 4 4 o ； 苫 工 a 2o 40 6 0 81 01 21 4 咐 图27 碳纤维w e i b u h 分布图 ( 7 1 = 2 9 6 足，三= 4 0 ) 图29 碳纤维w j i b u l l 分布图 ( 丁= 7 7 k ，= 2 0 ) a ( g p a ) 图28 碳纤维破坏概率强度图 ( 7 = 2 9 6 足，三= 4 0 ) d15 2 0z 53 0a 5o55 0 图2 1 0 碳纤维破坏概率强度图 ( ，= 7 7 k ，= 2 0 ) 二室温和低温下碳纤维强度测试结果的比较与分析 图2 1 1 为室温下不同标距长度下碳纤维的w e i b u l l 分布图。由图我们发现， 不同标距长度得到的纤维w e i b u l l 分布的尺度参数和形状参数几乎相同，纤维的 强度仅仅跟纤维的长度有关。图2 1 2 为采用同样尺度参数和形状参数对不同标 h ，t一一 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的耍验研究 距纤维拟合得到的破坏概率一强度曲线与实验结果的比较。这也证明了可以通过 方程( 2 5 ) 得到任意标距长度下纤维的强度分布。 j ， 卜，：二 图21 1 碳纤维w e i b u l l 分布图 ( 7 1 = 2 9 6 k ，= 2 0 ”1 朋、4 0 打圻1 ) o ； 苫 工 咐 图21 3 碳纤维w e i b u n 分布图 ( l = 2 0 m 埘7 1 = 2 9 6 k 、7 7 足) d a 图2 1 2 碳纤维破坏概率强度图 ( 7 = 2 9 6 k ，= 2 0 ，”埘、4 0 掰埘) 1 52 02 53 03 5 0 4 5 5 0 删 图21 4 碳纤维破坏概率强度图 ( = 2 0 卅所7 1 = 2 9 6 足、7 7 k ) 图2 1 3 为2 0 脚册标距时碳纤维室温和低温下w e i b u l l 分布图，图2 1 4 为 2 0 m 肌标距时碳纤维室温和低温下破坏概率一强度测试结果图。 ， _ 一d一一r；一e一_)j 讹一审纤维增强复合村低泓j j 学n 能的试验州究 表2 2 给出碳纤维的w e i b u l l 分布参数。我们发现，在低温下碳纤维强度分 枷仍然可刚w e i b u l l 分布来描述，且w e i b u l l 分雨j 的尺度参数会略有增加，增加 幅度约为1 2 7 。而形状参数保持不变。由同一标距下测得的纤维平均强度发现， 低温卜纤维强度有所增加，增加幅度约为1 1 6 。 表2 2 碳纤维和玻璃纤维试验测试结果 f i b r e c a r b o ng l a s s t e n l p e r a t l i r e ( 足) 2 9 62 9 6 7 7 2 9 62 9 67 7 l e n g c h ( 埘删) 2 04 02 02 04 02 0 n u m b e ro f n b r e6 71 0 0 1 2 413 l7 41 2 6 s c a l ep a r a m e t e r 吼( g p d ) 1 5 01 5 216 9o 8 5o 8 01 1 3 s h a p ep a r a m e t e r ( ) 6 1 35 9 36 1 78 3 575 48 1 3 a v e r a g es t r e n g t h ( g j d a ) 2 6 72 4 8 2 9 820 1l8 2 2 6 9 t e n s i l em o d l l l u s ( g p d ) 2 3 52 3 52 3 77 27 17 4 图2 1 5 为碳纤维在室温和低温下拉伸破坏后断口的s e m 照片，由照片知道， 碳纤维在低温下断口比室温下稍显平整，断口起伏较少，这表明低温下碳纤维可 能会变脆。 ( a ) 7 7 k( b ) 2 9 6 k 图2 15 碳纤维低温室温拉伸断ls e m 照 ( 6 0 0 0 ) 第二蕈纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 2 2 4 室温和低温下玻璃纤维拉伸性能的测试 玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用极为广泛的增强体。可作为有机高聚物 或无机非金属复合材料的增强材料。玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化 一 学腐蚀性好、拉申强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。 玻璃纤维是非结晶型无机纤维，主要成分是二氧化硅与金属氧化物。按其原 料组成可以分为碱性玻璃纤维和特种玻璃纤维两大类，见图2 1 6 。还可以按单 丝直径分为粗纤维( 单丝直径为3 0 ，删) 、初级纤维( 单丝直径为2 0 f 删) 、中级 纤维( 单丝直径为1 0 2 0 彬) 、高级纤维( 单丝直径为3 9 朋，) 。 表2 3 给出了玻璃纤维单丝的主要物理一力学性能，表中代号a 为普通有碱 ， 纤维；c 为耐酸玻璃纤维；d 为低介电常数玻璃纤维( 透雷达波性能好) ；e 为无 碱玻璃纤维，电绝缘性能好；s 为高强度玻璃纤维。 本试验中采用的玻璃纤维是由南京玻璃纤维研究院生产的e 一玻璃纤维。e 一 玻璃纤维最早是用来做电子绝缘带的，是最普遍用作增强树脂的玻璃纤维。它是 一种钙一铝一硼硅物玻璃，其碱含量( n a 。o + k 0 + l i ：o ) 小于2 ，低碱含量确保了其 玻璃纤维 广- j 厂 厂 石高含硅铝铝 英硅铅铝镁镁 纤氧纤钙硅硅 维纤维镁高高 维耐模强 药高纤 品强维 纤纤 维维 抗腐蚀性和高电阻。 碱 性 玻 璃 纤 维 广广 无 低中 碱 碱碱 纤纤纤 维维维 国2 1 6 玻璃纤维分类 特种玻璃纤维 兰三兰竺丝望垡墨鱼盟型堡堡塑兰堡堂竺壅矍堕塞 表2 3 室温下玻璃纤维性能 5 8 玻璃纤维 性能 acdes 拉伸强度( 原纱) ， 3 13 12 53 44 5 8 g p a 拉伸弹性模量，g p a 7 37 45 57 l8 5 延伸率， 3 6 3 3 74 6 密度，m g m 3 2 4 62 4 6 2 1 42 5 52 5 比强度，m n k g 1 31 3 1 21 31 8 比模量，州k g 3 03 02 6 2 83 4 线膨胀系数，1 0 4 k 。1 82 、3 折光指数 1 5 2 0 1 5 4 8 1 5 2 3 介质损耗角正切 0 o 0 0 5o 0 0 3 9 1 0 0 7 2 ( 1 0 5 h z ) 介电常数 1 0 1 0 h z 6 1 l5 6 l o 。h z 3 8 5 功率因素 1 0 ”h z o 0 0 6 1 0 5 h z 0 0 0 0 9 体积电阻率，1 0 “ 1 0 1 9 q 肌 一室温和低温下玻璃纤维统计强度测试结果 类似于碳纤维统计强度测试方法，在室温( 7 1 ：2 9 6 k ) 下测试出标距长度 分别为l = 2 0 研脚、4 0 脚下玻璃纤维强度值，在低温( 7 ：7 7 足) 下测试出标距 为= 2 0 臃所的玻璃纤维强度值。由测试出来的每根纤维强度值利用方程( 2 5 ) 和( 2 8 ) 绘出纤维破坏概率与破坏强度的关系曲线以及纤维强度的w e i b u l l 分 2 7 苎三兰箜丝些堡里鱼量型堕塑苎! 型：! ! ! 壁堕堕壅一 布图。 图2 1 7 2 2 2 分别为室温和低温下不同标距长度玻璃纤维的w e i b u l l 分布图 和玻璃纤维破坏概率一强度关系图。采用最小二乘法线性拟合得到纤维强度的 w e j b u l l 分布参数。 图21 7 玻璃纤维w e i b u l l 分布图 ( 7 1 = 2 9 6 k ，三= 2 0 ) 0 20 30 4d 5o e0 80 9 图21 9 玻璃纤维w j i b u l l 分布图 ( 7 = 2 9 6 k ，工= 4 0 ) 2 8 o1 2146”2 02 22 42 62 83 0 口 图21 8 玻璃纤维破坏概率强度图 ( 7 1 = 2 9 6 k ，= 2 0 ) 1 0 12 1 1 e18 2 02 2 2 42 62 6 0 0 g p 砷 图2 2 0 玻璃纤维破坏概率强度图 ( 7 = 2 9 6 足，己= 4 0 ) 号山l)ctc一 、 苎三兰笪堡塑塑墨宣塑塑坚里塑兰堡堂塑壅竺竺茎 咐 1 _ t 6 82 0 2 22 2 62 8 3 0 3 23 3 63 8 0 2 。幅哪 图22 l 玻璃纤维w e i b u l l 分布图图2 2 2 玻璃纤维破坏概率强度图 ( 7 1 = 7 7 k ，= 2 0 )( r = 7 7 k ，= 2 0 ) 二室温和低温下玻璃纤维测试结果的比较与分析 图2 2 3 为室温下不同标距长度的玻璃纤维w e i b u l l 分布图。由图我们发现， 与碳纤维样，不同标距长度得到的玻璃纤维w e i b u l l 分布的尺度参数和形状参 数几乎相同，纤维的强度仅仅跟纤维的长度有关。图2 2 4 为采用同样尺度参数 和形状参数对不同标距纤维拟合得到的破坏概率一强度曲线与实验结果的比较。 图22 3 玻璃纤维w j i b u l l 分布图 图2 2 4 玻璃纤维破坏概率强度图 ( 7 = 2 9 6 k ，三= 2 0 肼埘、4 0 卅肌) ( 丁= 2 9 6 k ，工= 2 0 m 肌、4 0 卅脚) 图2 2 5 为2 0 m 标距时玻璃纤维室温和低温下w e i b u l l 分布图，图2 2 6 为 笫二章纤维增强复合材料低温力学性能的试验研究 2 0 ”m 标距时玻璃纤维室温和低温下破坏概率一强度试验测试结果图。 图2 2 5 玻璃纤维w e i b u l l 分布图 图2 2 6 玻璃纤维破坏概率强度图 ( = 2 0 m r = 2 9 6 芷、7 7 k )( = 2 0 m7 = 2 9 6 k 、7 7 k ) 通过实验测定出玻璃纤维的w e i b u l l 分布参数见表2 2 ，由此我们发现，在 低温下玻璃纤维强度分布也可用w e i b u l l 分布来描述，且w e i b u 分布的尺度参 数会有明显增加，增加幅度约为3 2 ，而形状参数保持不变。由同一标距下测得 的纤维平均强度发现，低温下纤维平均强度也有较大增加，增加幅度约为3 4 。 图2 2 7 为玻璃纤维在室温和低温下拉伸破坏后断口的s e m 照片。由照片知 道，与室温情况相比，玻璃纤维在低温下断口呈现撕裂破坏，断口起伏较多。由 此我们认为低温下玻璃纤维的韧性可能会有所增加。 ( a ) 7 7 k ( b ) 2 9 6 k 图2 2 7 玻璃纤维在低温室温下拉伸断口的s e m 照片( 6 0 0 0 ) 3 0 7 2 2 7 2 3 3 4 3 3 3 3 3 “j ，1 ) ； 蔓三童壁丝些塑墨鱼塑型堡墨垄兰堡! 塑塞垦里壅一一 2 3 纤维增强树脂基复合材料的室温和低温断裂试验 当前，纤维增强树脂基体复合材料在低温下的拉伸断裂实验研究工作已经有 很多，但大多是对单向复合材料的低温强度和破坏应变的研究上。很少关注到含 有缺口材料低温的力学性能及其破坏形貌和模式。另外，对角铺层和正交铺层复 合材料的低温性能研究文献也都比较少见。 本节采用拉伸试验方法测试出单向和角铺层碳、玻璃纤维增强复合材料在室 温和低温下的强度、破坏应变和弹性模量，以及含缺口复合材料的破坏强度和应 变。 2 3 1 试验设备与试验原理 一低温环境的获得 本次实验的关键在于获得一个均匀，稳定，大尺度的低温环境。我们是通过特 制的低温环境箱来实现的 5 7 】。低温箱的工作温度范围为室温到液氮温度。低温 箱的基本参数见表2 4 ； 表2 4 低温箱的基本参数 3 0 1 7l olo 0l7 7 3 0 0 二加载及数据采集系统 试件加载使用m t s 系统。m t s 系统是套完善的材料试验机系统，由微机控 制，加载方式可编程，实验数据的采集与记录也自动完成。 为了与环境箱配合，我们自制了夹头。夹头由低温特性较好的奥氏体不锈钢 制成。夹头形状如图2 2 8 所示。 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 图22 8 夹头示意图 考虑到环境箱内空间有限，并为了在加载过程中不对试件造成大的损伤，而 且实验只施加拉伸载荷，我们采用了自锁装置的设计。夹头通过装在契型槽内的 两个契型滑块夹住试样。当试样中的拉力越大时，滑块对试样的夹持力越大。但 是在实验过程中发现经常出现打滑的现象。包括试样与加强片之间以及加强片与 楔形块之间出现打滑现象。通过分析发现，造成打滑的原因主要有： 1 ) 虽然采用了自锁装置，但是滑块对加强片和试样的夹持力还不够大，使得加 强片与试样之间出现打滑； 2 ) 在低温环境下，粘结胶水变脆剪切强度降低，使得试件与加强片之间也存在 打滑现象。 为防止打滑现象的发生，我们采用了如下的办法： 1 ) 在楔形滑块和夹头接触面之间涂上润滑油，使得楔形滑块容易下滑形成自锁， 从而增加夹持力。 2 ) 为防止滑块与试样加强片之问的打滑，将滑块内侧表面采用线切割加工成锯 齿形表面。 3 ) 为防止试件与加强片之间的打滑，我们重新设计了楔形滑块，如图2 2 9 所示， 将滑块加长，并用螺丝拧紧，增加试样与加强片之间的接触压力，从而起到 ， 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 防止打滑的作用。 图22 9 试样夹持方法示意图 2 3 2 碳和玻璃纤维增强树脂基体复合材料的制备 碳纤维增强复合材料的制备 我们采用的碳纤维增强环氧树脂基体复合材料是通过购买碳纤维预浸布，采 用手扳压机直接压制而成。 用预浸无维布按给定的铺层顺序铺设层压板坯料，并将其放入不锈钢模板 中，模板与坯料之间铺垫聚脂脱模薄膜，再将铺有坯料的模板放入加热板中( 图 2 3 0 ) ，再进行加温加压。加温加压固化程序如图2 3 l 所示。 图23 0 材料铺叠方法 1 ) 图中温度值为加热板( 固定于压机) 的表面温度，且上、下加热板表面温度 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 要一致。 2 ) b 、c 之间升温速率为：3 0 c m i n ：d 、e 之间为保持1 2 5o c 和5 k g c m ：的压力 9 0 分钟。e 为降温点，当温度降低到小于6 0 。c 时，卸压，自然冷却，脱模。 3 ) p = 5 k g c m 2 为材料承受的压应力，d 开始为加压点，加压点可在一定范围内调 整。即可在3 一l o m i n 之间，视材料四周流胶情况与纤维变形情况作适当调 整。 1 2 5 1 0 0 0 图23 1 材料压制时间与温度关系 时卸压脱模， t ( m i n ) 二玻璃纤维增强复合材料的制备 本文采用的玻璃纤维增强复合材料是通过预浸料的配制、缠绕玻璃纤维预浸 布、手扳压机压制等步骤制做而成的。 1 环氧树脂预浸料的配制 本文采用的环氧树脂预浸料的配方由中国科技大学高分子科学与工程系研 制而成。具体配方为( 质量比) ： 环氧树脂( e 5 1 ) ：l o o ； 二氰二胺( 双氰胺) ：8 ； d m p 一3 0 ：1 5 ： 混合溶剂( 丙酮乙醇) ：3 0 ( 可调节) 。 环氧树脂预浸料的工艺条件为： 固化温度：1 3 0o c ： 凝胶时间：5 m i n( 测量仪器：h l x 一1 树脂固化仪) ； 第二章纤维增强复合材料低温力学性能的实验研究 固化时间：1 5 小时； 双氰胺先研磨然后混合溶剂溶解，再加e 一5 lt 混合溶剂由丙酮和乙醇按照i ：l 质量比配置。 其叶】d 一3 0 起促进剂作用，其全称为： 2 ，。1