碳纤维织物拉伸强度影响因素的研究

赵祎平，苏霞，张黄旭，刘浩轩，郭博睿

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

0 引言

碳纤维预浸料是由增强体，如碳纤维纱、树脂基体、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布。碳纤维复合材料是一种高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维产品具有耐腐蚀性、高强度、高模量等特点，产品主要应用于航空航天、汽摩配件、运动器材、建筑加固及各种装饰件等[1-3]。温固化阻燃环氧碳纤维预浸料8552S/40%/193PW/AS4-3K材料现已在飞机机身结构上得到较大量的应用，特别是民机。近期，连续三批次的材料入厂复验数据显示未达到测试要求，现按标准材料文件制作试板，并按ASTM D3039标准测试碳纤维织物的拉伸强度。

1 概述

1.1 原理

拉伸强度即抗拉强度。拉伸强度即为在不断增大的拉伸载荷的作用下，材料断裂时承受的最大应力。具体试验方法为将按规定要求制备固化完成的碳纤维织物试板两头夹在试验机的上下夹头上， 并对其施加不断增大的拉伸载荷， 测定材料的拉伸性能。

层压拉伸强度试样的固化参数如下为：①对真空袋抽真空至0.065MPa~0.075MPa，并保持60min；②对热压罐加压，当热压罐达到0.14MPa时，真空通大气；当热压罐达到满压时，开始加热；③固化压力为0.6MPa±0.034MPa；④固化温度为185℃±5℃；⑤升温速率为0.2℃/min～3.5℃/min；⑥在压力为0.6MPa±0.034MPa，温度为185℃±5℃条件下，保温120min~135min；⑦降温速率0.2~3.5℃/min。

胶接拉伸强度试样的固化参数如下为：①对真空袋施加不低于0.08MPa的真空压力；②当热压罐压力达到0.069MPa之后，且组件温度未达到50℃之前，将真空袋通大气，在固化过程中保持通大气的状态；③固化压力为0.30±0.035MPa；④满压后开始升温，以0.6℃/min~3.7℃/min升温至107.2℃；在107.2℃~132.2℃保温90min~200min；⑤降温速率≤5.6℃/min。

1.2 计算公式

试样拉伸过程中

式中：

Ph：试样发生截面断裂时的最大载荷，N；

b：试样宽度，mm；

h：试样厚度，mm；

其中，Ph由材料试验机测定，b和h由游标卡尺测定[4]。

1.3 研究内容

结合碳纤维材料热压罐固化材料的工艺现状，确定了下料方式、纤维角度、有无加强片三方面因素分析了织物拉伸强度的变化。

2 试验部分

2.1 试样

拉伸试样的制作和测试要求为：①试样铺层数量为12层，理论厚度为2.46 mm，理论宽度为25 mm，方向为0°和90°；②每组试样数量不少于5个，拉伸强度值最终取测试值的平均值；③7°倒角加强片选用玻璃纤维预浸料MXB7668/7781，铺层数量为8层；④粘接加强片角胶膜为LOCTITE EA 7000 050NW AERO。

图1为一般织物拉伸试样图，图2为有7°倒角加强片的拉伸试样图。由图中可以看出，试样断裂缺口比较齐平，说明试样在拉伸时，受力较为均匀[5]。

2.2 试样试验用材料

试验用材料见表1所示：

表1 试验用材料

2.3 试验成型工艺流程

碳纤维拉伸强度研究试板工艺流程如图3所示。

其中层压拉伸强度试样试板制作流程为生产准备、下料、铺贴、制袋、固化、切割修整、标识、最终检验。胶接伸强度试样试板制作流程为生产准备、下料、铺贴、制袋、固化、切割修整、二次胶接、固化、切割修整、标识、最终检验。

3 实验数据及分析

3.1 下料方式对拉伸强度的影响

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纤维玻璃布材料制作试板，试样尺寸如图1，按1.1节层压拉伸强度试样固化参数固化后并铣切，试验数据见图4。

在试样结构相同时，研究90°试样分别在数控和手工情况下的拉伸强度。由图4数据可以看出，手工下料拉伸试样的拉伸强度高于数控下料拉伸试样，分析其原因，主要是因为原材料的丝束在90°方向有弯曲，而数控下料的时沿90°方向直线下料，导致料片90°方向纤维丝束的偏差较大，有效拉伸丝束（如图5所示）减少。使得拉伸强度降低。手工下料时则沿着原材料90°弯曲的纤维方向下料，减少了90°方向纤维丝束的偏移，提高了拉伸强度。并且，当纤维丝束的角度偏差增大时，有效拉伸丝束。如图5，有效拉伸丝束为图示中L1所示。则，

式中：

L：试样长度；

L1：有效拉伸宽度；

D：试样宽度；

α：纤维偏差角度。

由式中可以看出，当α增大时，L1减小。即当纤维偏移较大增大时，试样有效拉伸宽度减小。

3.2 纤维角度对拉伸强度的影响

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纤维玻璃布材料制作试板，试样尺寸如图1，按1.1节层压拉伸强度试样固化参数固化后并铣切，试验数据见图6。

由图6数据可以看出，使用同种下料方式，试样结构相同时，试样0°拉伸试样拉伸强度远远大于90°，分析原因，主要是由于原材料0°方向纤维丝束受纤维张力的影响，纤维丝束角度偏差非常小，根据3.1节公式（2），有效拉伸丝束越多，故测试数据较高。

3.3 有无加强片对拉伸强度的影响

采用8552S/40%/193PW/AS4-3K碳纤维玻璃布和胶膜LOCTITE EA 7000 050NW AERO材料制作试板，试样尺寸如图2，按1.1节固化参数固化后并铣切，试验数据见图7。

由图7数据可以看出，使用同种下料方式，织物0°拉伸强度和90°拉伸强度数据相近，也就是说，有无加强片对试样的拉伸强度影响不大。加强片在织物被拉伸时起到保护试样端头的作用，它通过胶膜LOCTITE EA 7000 050NW AERO与基体粘接，按1.1节胶接拉伸强度试样固化参数进行固化，并且试验中保持不脱落。

4 结语

文章研究了下料方式、纤维角度、有无加强片三方面因素对织物拉伸强度的影响。结果表明：①手工下料的织物90°方向拉伸强度比数控下料的高。因下料方式不同，手工下可沿织物90°纤维方向下料，使得拉伸过程中承力的有效纤维丝数较多，从而增大拉伸轻度。且偏差角度越大，拉伸过程中承力的有效丝束越少，织物的拉伸强度越小；②织物0°方向拉伸强度远远大于90°方向拉伸强度。织物0°由于纤维张力的作用，其纤维角度偏差较90°方向小，故拉伸强度越大；③有无加强片对织物拉伸强度影响不大。加强片在织物拉伸过程中，起到保护试样的作用，铺贴固化后保证其不脱落即可，对拉伸强度的影响不大。