拼接与搭接铺层对复合材料性能影响研究

摘 要：为了解拼接和搭接铺层对碳纤维复合材料结构的力学性能的影响，设计了7组不同的拼接和搭接铺层试验件，根据ASTMD3039标准进行拉伸试验。结果表明，结构设计铺层时，应以拼接铺层为主，对厚度无严格要求的区域，可采用搭接铺层。

关键词：拼接；搭接；碳纤维复合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.011

0 引言

碳纤维复合材料由于其优越的比强度、比刚度和可设计性，广泛应用于航空航天、船舶工程、建筑工程、机械制造等不同领域，尤其是在航空航天飞行器上得到广泛应用，并逐渐由次承力构件发展到主承力结构[1-2]。当前大部分的先进复合材料产品都是由预浸料铺迭后固化而成的。预浸料成型工艺主要有热压罐技术与非热压罐技术，由于热压罐预浸料成型费用昂贵，所以非热压罐技术得到了很大的发展[3-4]。由于很多结构件外形复杂，在进行预浸料铺迭时，需要对预浸料进行裁剪，之后再进行铺迭，在处理铺迭缝一般采用的就是拼接与搭接铺层，这样必然会影响结构的力学性能。本文碳纤维织物预浸料铺迭角度出发，探讨拼接与搭接铺层对碳纤维复合材料性能的影响[6-8]。

1 试验过程与方法

1.1 试样制备

本试验的试验材料为某国产T300织物预浸料。采用非热压罐预浸料成型技术中的OOA工艺对织物预浸料进行铺贴，固化制备试验件。试验件共分为7组，一组典型铺层形式试验件、三组不同拼接铺层形式试验件和三组不同搭接铺层形式试验件，试验件为250mm，宽为25mm，厚为2mm的典型层合板，碳纤维织物预浸料铺层形式为[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]。

1.2 试验方法

采用ASTMD3039标准，通过万能试验机对试验件进行拉伸试验，试验件两端固定在试验机夹具上，试验时需对每个试验件进行应变测量。为了减小试验误差，对每组试验进行6次试验，对比多次试验数据，寻找普遍规律。

2 试验结果与讨论

2.1 典型铺层形式试验

典型铺层形式试验件为整块碳纤维织物预浸料铺设而成，此组试验为6根试验件，试验数据见下表2.1所示。

根据ASTMD3039标准，对表中破坏模式说明：LAB为试验件夹持段破坏、LWB为试验件过渡段破坏、LGM为试验件中部破坏。破坏形式见图2.1-2.3所示。从此组试验破坏模式可以看出，由于典型铺层形式试验件为整块碳纤维织物预浸料铺设而成，破坏位置随机。

2.2 拼接铺层形式试验

拼接铺层共分三组试验，铺层形式为[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一组试验件在第五层进行断开拼接铺层，拼接缝位置在试验件的正中间，第二组试验件在第三层和第五层进行断开拼接铺层，第五层拼接在试验件正中间，第三层处的拼接缝与第五层拼接缝相距20mm，第三组试验件在第三层、第五层和第七层进行断开拼接铺层。拼接位置如下图2.4所示。第五层拼接在试验件正中间，第三层与第七层处的拼接缝与第五层拼接缝相距20mm，分别在第五层拼接缝的两侧。如下图所示。

试验数据见表2.2-2.4所示。

把这三组拼接试验件與典型试验件数据的平均值进行对比，见下表2.5所示。

从表2.5可得，拼接铺层会降低试验件的力学性能，且随着拼接层数的增加，试验件的最大破坏载荷与最大应变逐渐变小；从破坏模式来看，试验全部在试验件中间位置破坏。

2.3 搭接铺层形式试验

搭接试验件共分三组试验件，铺层形式为[（0，90）/（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90） /（45，-45）/（0，90）/（45，-45）/ （0，90）]，第一组试验件在第五层进行断开搭接铺层，搭接缝位置在试验件的正中间，第二组试验件在第三层和第五层进行断开搭接铺层，第五层搭接在试验件正中间，第三层处的搭接缝与第五层搭接缝相距20mm，第三组试验件在第三层、第五层和第七层进行断开搭接铺层，第五层搭接在试验件正中间，第三层与第七层处的搭接缝与第五层搭接缝相距20mm，分别在第五层搭接缝的两侧。搭接位置如下图2.5所示。

试验件数据表2.6-2.8所示。

把这三组搭接试验件与典型试验件数据的平均值对比，见下表2.9所示。

从表2.9中可知，搭接铺层也会降低试验件的力学性能，但随着拼接层数的增加，试验件的力学性能下降无规律且力学性能下降不明显。从破坏模式来看，第一组试验都是在试验件中间破坏，其他两组试验件破坏位置也像典型铺层试验件一样随机出现在试验件的各个区域。

3 结语

根据上述研究可以得出以下结论：

（1）拼接与搭接试验件相比典型试验件力学性能会有所下降。

（2）从拼接试验件数据可以看出，力学性能下降值在可接受范围内，故实际铺层时主要以拼接为主。

（3）拼接试验件随着拼接缝数量的增加，力学性能也逐渐下降。所以碳纤维复合材料结构件采用拼接铺层时，在结构件的一定区域内，应尽可能的使拼接缝相互远离，使拼接缝产生的缺陷不相互影响。

（4）搭接试验件的力学性能优于拼接试验件，但搭接铺层会使铺层区的厚度增加且不厚度不均匀，在对厚度没有严格要求的区域可采用。

参考文献：

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作者简介：李澄（1988-），男，江苏丹阳人，硕士，助教，研究方向：复合材料结构设计。