高温测试条件下一体成型的碳纤维复合材料拉伸试件制作及优化分析

刘佳 遇家运 王维 王宝瑞 王清民 刘甲秋

摘  要  本文突破常规成型过程及试件制作过程，对碳纤维树脂基复合材料单向板0°拉伸试件进行制作，用于测量其在高温条件下的力学性能。首先通过结合生产和实际测试需求，化繁为简，对高温测试试件所需的0°拉伸一体化成型模具进行设计，将复合材料加强片通过试件的本体树脂粘接，固化后一体成型，通过切割即可得到所需尺寸的试件，此方法避免了常规粘贴加强片操作及对胶粘剂进行涂抹和固化的过程。通过前期的模具设计，进行工艺摸索和试件制备，材料选用T800碳纤维和双马来酰亚胺树脂体系构成的预浸料，进行了180℃和240℃条件下的力学性能测试。同等条件下进行传统后粘贴加强片的试件测试，控制测试条件一致的情况下，将数据结果进行对比分析发现，一体成型高温0°拉伸试件的力学性能有更好的表征，充分发挥高温状态下单向纤维的性能，降低了传统试件加强片及胶粘剂对本体材料的损伤，缩减了时间和人工成本，碳纤维一体化高温试件的制作工艺有可行性。

关键词  复合材料；高温测试；单向试件；一体成型

ABSTRACT This paper breaks through the conventional forming process and test specimen making process， and makes 0-degree tensile specimen of carbon fiber resin matrix composite unidirectional plate， which is used to measure its mechanical properties at high temperature. First of all， through combining production and actual testing requirements， the high temperature test required by the 0-degree tensile integrated molding design. Through the design of mold， the composite strengthening sheet is bonded by the bulk resin of the specimen， and the specimen of required size can be obtained by cutting. This method avoids the process of pasting and curing the adhesive. Through the early mold design， the process was explored and the test piece was prepared. The material was prepreg composed of T800 carbon fiber and bismaleimide resin system， and the performance was tested under the conditions of 180℃ and 240℃. Under the same conditions， the test piece of traditional post-pasted reinforcing was tested，and the data results were compared under the same control test conditions. The results show that the mechanical properties of the unidirectional fiber are better characterized by the unidirectional fiber under the condition of high temperature， which reduces the damage of the traditional specimen strengthening pieces and adhesives on the bulk material， and reduces the time and labor cost. The production process of carbon fiber integrated high temperature specimen is feasible.

KEYWORDS composite materials; high temperature test; unidirectional test piece; integrated molding

1 引言

碳纖维复合材料以其轻质高强的特性在航空航天及国防科技等方面占有重要地位，在碳纤维树脂基复合材料领域，单向板性能测试数据作为一种能够直观反映原材料性能的关键参数，对指导产品设计及制造有着关键且不可或缺的作用，尤其对于新型复合材料和在特殊使用条件下的复合材料，如高温条件等。在将原材料正式用于产品生产前，单向板及层合板的力学及理化性能数据可以决定其在相应工作条件下是否适用。由于目前对于复合材料的使用条件提出需长时间耐高温等要求，所以材料需要在高温条件下测试才能对其性能做出直观和有针对性的表征。但是决定测试数据的因素除树脂、纤维等原材料和相关界面结合性外，单向板及层合板的制作质量和试样的切割损伤状态也对测试数据有着一定程度的影响。

常规单向板及层合板的制作普遍为等厚平板，后期再粘贴加强片（金属或本体材质）[1]，进而制作出符合测试条件的试件，但是对于高温测试，加强片的材质及粘贴加强片的胶粘剂同样需要满足相应的耐高温性能，否则测试过程中如果胶粘剂失效，试件的测试结果就不具有参考意义，这就对试件与加强片之间的粘接性能提出较高要求。在试件与加强片粘贴完成后[2]，还需要对耐高温的胶粘剂进行固化操作，试件的制作、加工、处理和测试等过程所需周期与常温测试相比大大加长，人工和资源消耗严重。

随着复合材料胶接连接、共固化以及缝合等连接技术的逐步成熟，利用复合材料可设计性强的特点和优势，通过复杂零件的共固化、共胶接成型，从而实现复合材料结构的整体化设计与制造是可行的，本文通过模具设计和工艺优化，用一体成型的方式制作高温测试条件下的单向板0°拉伸力学试件，该种模具通过预浸料本体树脂，经过固化过程，将加强片直接在试件两端成型，避免了试件后期涂刷胶粘剂和高温胶粘剂的二次固化等繁琐操作，同时也减少了试件加工过程中的材料损伤。通过调整工艺，优化了试件的制作效果，通过调整原材料，改变了单板变形翘曲的情况。对比180℃和240℃高温测试条件下，常规用高温胶粘贴加强片[3，4]的试件性能和通过模具一体成型的试件性能，从工艺和性能两个方面对模具的可行性进行了分析。

2 传统单向板拉伸试件制作及模具设计

传统纤维增强复合材料单向板的制作，即同一角度平板的制作，将所需角度的预浸料，层层铺叠至相应厚度，按照预浸料的固化制度进行热合固化操作，最后脱模得到所需厚度的平板，再通过后期加工得到所需尺寸的試件，根据测试温度决定加强片的成型方式和材质。

2.1 单向板制作

下料：将所需厚度的预浸料置于裁床，沿纤维方向将其剪裁为300mm×300mm的尺寸，剔除干纱；铺放：在经过预热的模具上将预浸料层层铺叠，按照所需厚度，铺放相应层数；固化：按照预浸料的固化制度对单向板进行热合固化；试件制作：对固化脱模后的单向板进行探伤检测，质量合格后再进行切割和粘贴加强片等操作，形成最终可测试试件。

2.2 模具设计

传统单向板模具的设计以平板结构为主，可设计固定模腔，也可选择使用闭腔模具，后者的优势是在不改变模具结构的前提条件下，通过垫片调整模腔的方式，随机改变所需层合板的厚度，灵活性较强。传统模具如图1所示。

3一体化高温试件模具设计及层合板制作

随着我国航天航空技术的迅速发展，复合材料应用越来越广泛，对其应用环境要求也越来越苛刻，尤其对耐温性能及经过高温测试后的强度保留率有极高的要求，在生产中也经常用单向板及层合板的高温力学性能作为参考，评价大型舱段在相应工况下的适用性。本文中通过模具设计、工艺实施和工艺改进，对高温试件的制作过程进行了创新。

3.1 模具设计

一体成型高温测试件模具的设计初衷是为了更好地将材料的性能通过测试手段表达，在创新的同时提高工作效率，减少粘贴加强片的操作及胶粘剂的固化时间。本文根据测试标准GB/T 3354-2014，对0°拉伸高温试件模具进行了设计，加强片以产品加厚区的形式存在，经过本体树脂一次固化的工艺，将所需要的试件一次性制作完成，固化成型后再将产品按标准尺寸切割成宽度为12.5mm的测试试件。一体成型模具如图2所示。

一体成型高温测试用单向板的制作思路：通过选取同种树脂材料的预浸料（碳布），通过加厚区模腔和型面的控制，达到加强片和试件本体一体成型共固化的目的。

3.2 工艺过程

加强片位置成型：加强片在模具上以加厚区的形式存在，可选择与试件同种材料，或者同种树脂体系的碳布，设计正交铺层，对加厚区进行成型[5]；正交铺层的设计意图是增加试件在端部夹持的摩擦力，避免测试过程中单向纤维在夹持端位置发生滑移。

0°试件：将厚度为0.1mm的高强度、高模量碳纤维预浸料，纵向10层铺贴成厚度为1mm的叠层板。

工艺难点：由于首次使用该种模具制作高温测试试件，初次尝试过程中由于加强片采用了正交铺层的预浸料，有效试件利用单向纤维进行成型，由于金属模具和碳纤维复合材料在各方向的热膨胀系数不同，固化过程中整体结构变形不协调，加上铺层角度对内部应力分布的影响，固化后的产品出现严重的翘曲。利用有限元仿真分析得出实际脱模后的变形趋势与理论计算相符，在斜角对称的位置发生了平板翘曲，所以用单向预浸料通过正交铺层成型加强片的工艺有待深入研究。一体成型试件固化变形仿真与实际对比如图3所示。

由于0°拉伸高温测试试件厚度较薄，为1mm，两侧的加强片厚度均为1.5mm，即使采用关于平板完全对称的正交铺层，经过高温固化、降温和脱模后，依然会导致平板变形。

3.3 工艺改进

为避免试件变形，工艺成型过程中进行了改进调整，将加强片位置用碳纤维预浸布代替单向纤维预浸料，可以避免单向纤维正交铺叠导致的平板变形翘曲，也无需考虑角度问题，碳纤维预浸布的网格正交形态使其在测试过程中的夹持效果强于正交铺叠单向预浸料。碳纤维预浸布成型加强片共固化高温测试用平板如图4所示。

4 一体成型高温0°拉伸试件测试

将固化成型后且探伤合格的试件平板，经过机械加工切割成宽度为12.5mm的标准试件[6，7]，平板长度为试件长度230mm，宽度为300mm，去除机械加工损伤，单张一体成型平板可切割出约18个高温0°拉伸试件，远超国标要求的有效试件数量，可以同时测试出不同温度体系下的力学性能。

4.1 测试条件及过程

在INSTRON 8802试验机上开展定向纤维增强聚合物基复合材料高温拉伸试验，在试件工作段两个表面对称位置背对背分别安装引伸计；将环境箱和试验夹具预热到规定温度，然后将试样加热到试验温度，当试样达到试验温度后，保温5min～10min开始试验；将试样对中夹持于试验机夹头中，试样的中心线应与试验机夹头的中心线保持一致，采用合适的夹头夹持力，以保证试样在加载过程中不打滑并对试样不造成损伤；测试加载速率设置为2mm/min。

4.2 试验结果分析

对定向纤维增强聚合物基复合材料单向试验件开展180℃及240℃的0°拉伸试验，将一体成型共固化的试件和后期粘接加强片的试件测试结果进行对比，如表1所示。

通過试件的破坏形式可看出，宏观表现为以纤维束破坏为主，并发生在试件工作段，试验件边缘出现纤维束开裂、拔出，根据GB/T 3354-2014测试标准判定试件失效模式属于XGM。通过数据对比及破坏形式可得，一体成型试件可充分满足材料的测试需求，很好地表观出材料拉伸应有的断裂模式，且一体成型加强片根部应力集中小，更有效地体现测试段材料在高温状态下的真实性能，提高效率的同时降低加工影响和测试误差。一体成型高温测试拉伸试件及破坏形式如图5所示。

5 结语

碳纤维复合材料在高温下的力学性能以及影响高温力学性能因素方面的研究较少，本文通过模具设计和工艺更新，对比后粘接加强片和一体固化成型加强片0°拉伸试件的高温力学性能，发现一体成型试件的制作并不会影响材料的性能，且工艺可行，同时发现在180℃和240℃的条件下测试，温度对于纤维方向的力学性能影响不大，体现了碳纤维在高温条件下仍能保持较好的性能参数，规避了传统试件中额外因素对高温测试的影响，此外除了0°高温拉伸测试外，其他类似的力学性能测试也可在此基础上继续拓展，一体成型高温试件为纤维增强聚合物基复合材料的测试提供了参考，为后续的高温测试试件制作过程积累经验。

参考文献

[1]  宋亚吉，赵小津. 高模量复合材料力学性能测试 [J]. 航天器工程，2003，（02）：47-53.

[2]  王秉权，张根荣，杨荫萍. 玻璃钢单向板的制作及拉伸试验方法的初步研究 [J]. 玻璃钢，1981，（01）：20-24+31.

[3]  陈波，翁少东，温卫东，等. 单向碳/碳复合材料高温拉伸行为失效机理研究 [J]. 复合材料科学与工程，2021，（02）：89-94.

[4]  李金亮，高小茹. 不同温度下国产T800/双马来酰亚胺树脂预浸料的力学性能研究 [J]. 纤维复合材料，2020，（02）：16-18.

[5]  黄光启，杨胜春. 先进复合材料力学性能表征与测试技术研究 [J]. 工程与试验，2018，（04）：12-18.

[6]  李丽. 高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试方法的研究 [J]. 理化检验（物理分册），2004，（07）：337-340.

[7]  王志，张雷，陈健，等. 碳纤维环氧复合材料高温力学性能研究 [J]. 消防科学与技术，2016，（12）：1659-1663.