弯曲疲劳下碳纤维复合材料的剩余模量研究

谢俊 于洪浩 冷利 张罡

摘 要 碳纤维复合材料具有优异的力学性能，在航空航天及地面交通运输领域得到了广泛的应用。应用在车辆上的碳纤维复合材料在车辆长时间的行驶过程中，会受到交变载荷的作用，导致其性能下降从而影响复合材料的使用寿命。本文选用692-3K型环氧树脂为基体，24K-T300碳纤维为增强体，采用VARTM的方法制备碳纤维树脂基复合材料板，对三种不同铺层层数的复合材料板进行静态弯曲试验，得到在6层铺层下的极限弯曲应力为572.9 MPa。采用20Hz频率和50%载荷水平对复合材料进行三点弯曲疲劳试验，探究了复合材料在循环周次逐渐增加的过程中的剩余模量变化。随着循环周次的增加，弹性模量呈现先降低再升高的趋势，然而循环周次进一步的增加并没有导致弹性模量升高，反而导致下降。这表明循环周次对弹性模量存在影响。进一步研究发现，复合材料内部存在部分尚未完全固化的树脂，推测这部分未固化树脂在疲劳循环过程中吸收热量开始固化从而修复了疲劳循环过程中产生的微裂纹，这是导致弹性模量出现先下降后上升趋势的原因。

关键词 复合材料；弯曲性能；疲劳性能；剩余模量

Study on Residual Modulus of Carbon Fiber Composite under

Different Cycle Bending Fatigue

XIE Jun，YU Honghao，LENG Li，ZHANG Gang

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159）

ABSTRACT Carbon fiber composite materials have excellent mechanical properties and are widely used in the fields of aerospace and ground transportation. The carbon fiber composite material applied to vehicles will be subjected to alternating loads during long-term driving， resulting in a decrease in its performance and affecting the service life of the composite material. This article selects 692-3K epoxy resin as the matrix， 24K-T300 carbon fiber as the reinforcement， and uses VARTM method to prepare carbon fiber resin based composite material plates， Static bending experiments were conducted on three composite material plates with different number of layers， and the ultimate bending stress under six layers was obtained to be 572.9 MPa.Three point bending fatigue experiment was conducted on composite materials under 20Hz frequency and 50% load level，Explored the residual modulus changes of composite materials during the gradual increase of cyclic cycles.As the number of cycles increases， the elastic modulus shows a trend of first decreasing and then increasing. However， further increasing the number of cycles does not lead to an increase in the elastic modulus， but rather a decrease.This indicates that there may be a critical point at which the stress level affects the elastic modulus due to the number of cycles.Further research has found that there are some uncured resins inside the composite material，It is speculated that this portion of uncured resin absorbs heat during the fatigue cycle and begins to cure， thereby repairing the flaw generated during the fatigue cycle， This is the reason why the elastic modulus first decreases and then increases.

KEYWORDS composite materials; bending performance; fatigue performance; residual modulus

基金項目：沈阳市科技局双百项目（Y18-1-018）

通讯作者：张罡，男，教授，博士。研究方向为碳纤维增强树脂基复合材料。E-mail： gangzhang_imr@163.com

1 引言

碳纖维复合材料作为一种具有高比强度和高比刚度性能的先进材料，在二十一世纪得到了大力发展和广泛应用，特别是在航空航天、风力发电、汽车轻量化、建筑加固等领域，碳纤维复合材料的使用率不断上升，成为部分金属部件的良好替代品［1］。但是，在一些复杂工况下碳纤维复合材料依然会面临疲劳失效和结构破坏的问题，这限制了碳纤维复合材料的推广应用。因此，对碳纤维复合材料的疲劳损伤特性、疲劳性能展开研究有助于加深对材料性能的了解，扩展材料的性能优势［2］。对碳纤维复合材料经过疲劳循环后剩余的模量研究有助于了解复合材料在疲劳循环后的模量变化值，从而确定碳纤维复合材料在疲劳循环下的应力最小值［3］。

国内外研究学者已经对复合材料疲劳性能从理论和实践方面进行了相关研究。王育虔［4］对T700复合材料层合板在高应力水平下的拉-拉性能进行研究，结果表明，应力水平并没有与疲劳寿命表现出相关性，在疲劳破坏过程以分层破坏为主，且刚度退化曲线表现为三阶段特性。Saeed Shiri［5］等人建立了基于刚度的复合材料疲劳损伤累积模型，解决了以前模型所具有的相关限制，通过试验数据对模型加以验证，结果表明，模型对于剩余疲劳循环的预测具有较高的准确性。Alberto D［6］等人对碳纤维增强复合材料在循环载荷下的残余强度进行了建模，通过相关试验数据验证了定律的可靠性和准确性，结果表明，疲劳寿命和剩余强度均与静强度的统计分布有关。Li［7］等人对三维机织复合材料在室温和低温下的弯曲疲劳性能进行分析，研究表明，在低温下复合材料的疲劳性能比室温下的更优异。

本文采用VARTM工艺制备碳纤维复合材料板，通过对复合材料板进行不同周期的疲劳循环以研究复合材料的剩余模量变化。

2 试验部分

2.1 试验材料

本试验采用深圳郎博万先进材料有限公司生产的692-3K环氧树脂体系，树脂与固化剂比例为100∶20，性能如表1所示，碳纤维编织布采用天津昂林贸烽高新材料有限公司生产的24K-T300碳纤维编织布，性能如表2所示。分析纯丙酮，长城7501脱模剂。

2.2 试验设备

本次试验所用设备型号以及用途如表3所示。

2.3 试件制备

采用VARTM工艺制备碳纤维复合材料板，碳纤维布大小为250 mm×250 mm，铺层分别为4/5/6层，注入树脂固化剂混合物后抽真空放入真空烘箱，烘箱温度设定为70 ℃，两小时后取出复合材料板，脱模后根据GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》制备弯曲试样，GB/T-35465.5-2020《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法弯曲疲劳试验准则》制备弯曲疲劳试样，两种试样大小均为80 mm×15 mm×1.5 mm。

2.4 静态弯曲性能试验

静态弯曲试验在Instron8801压断试验机进行。根据层数不同共三种试样，每种试样5个，设定最大加载载荷10 KN，压头下压速度2 mm/min。

2.5 弯曲疲劳性能试验

三点弯曲疲劳试验在InstronE1000疲劳试验机进行。将样品固定在疲劳试验机的夹具上，调整加载点位置和夹具间距为32 mm。由静态弯曲试验得到极限弯曲应力，设置加载频率为20 Hz、加载应力为50%载荷水平（一个周期内施加的最大应力与复合材料试件的极限静态弯曲应力之比）和循环周次分别为18000、36000、70000、140000［8］。如表4所示。在试验过程中，启动疲劳试验机开始循环加载样品，监测和记录加载循环次数、载荷和位移数据。试验结束时，停止加载并取出样品，再使用压断疲劳机测试其剩余强度，并进行记录。

3 结果分析与讨论

3.1 静态弯曲试验结果

对不同层数的碳纤维复合材料进行静态弯曲试验，试验结果如表5所示，发现随着层数的增多，材料的弯曲强度有明显提升，在6层时复合材料的极限静态弯曲应力达到了572.9 MPa，故选择6层铺层的碳纤维复合材料板材进行后续的疲劳循环试验。

3.2 疲劳后弯曲强度试验

根据静态弯曲试验的结果选用6层的复合材料板材在进行不同周次的疲劳循环后，对复合材料试样进行弯曲试验，记录试验过程中材料的载荷、位移等数据。通过对这些数据的分析，绘制弯曲应变-应力曲线，如图1所示。

由图1可以看出，循环次数为70000次材料所受弯曲应力最大，18000次时所受弯曲应力最小。在没有进行疲劳循环的情况下复合材料并没有表现出更强的弯曲性能，反而在作为循环次数中位数的36000次和70000次表现出了更强的弯曲性能。为了更好的分析出现这种现象的原因需要引入弹性模量，弹性模量反映了材料在受力时的应力和应变之间的关系。在VRTM制备碳纤维复合材料的疲劳性能研究中，弹性模量是评估材料刚性和变形能力的重要参数。

3.3 复合材料剩余弹性模量变化

分析弹性模量与循环周次之间的关系。观察循环周次变化对弹性模量的影响，是否存在应力水平的临界点［9］。

不同循环加载次数下的弹性模量算法如公式（1）所示。

E=δε（1）

其中，E为线性段的弹性模量；δ为极限加载应力（MPa）；ε为加载应力对应的弯曲应变，通过应变-应力曲线得出材料的剩余弹性模量和剩余弹性模量变化趋势，如表6和图2所示。

通过试验结果发现，随着循环周次的增加，弹性模量呈现先降低再升高的趋势，然而循环周次进一步的增加并没有导致弹性模量升高，反而开始下降。这表明循环周次对弹性模量的影响，可能存在一个应力水平的临界点。

在循环周次为18000次时，弹性模量呈下降趋势。然而，在随后的36000和70000周次中，弹性模量明显上升，而在经过140000次加载后，弹性模量显著下降。在36000周次和70000周次时，弹性模量甚至高于0次时的弹性模量。推测在18000次时弹性模量下降是因为随着疲劳循环的进行，树脂因为较高的加载频率出现了微裂纹从而使得树脂和碳纤维之间的界面结合力降低而导致的弹性模量下降；在随后的36000次和70000次时，随着疲劳循环的进行导致复合材料温度升高，使得不完全固化的环氧树脂开始逐渐吸热固化，新固化的树脂修复了初始疲劳导致的微裂纹，使得弹性模量开始上升，在循环周次达到70000次时，加载时间达到了58 min，此时复合材料试样内部剩余的未固化树脂已经接近完全固化，弹性模量接近达到最大值。随着疲劳循环的继续进行，在达到140000次时，后续疲劳产生的微裂纹已经没有未固化树脂进行修复，大量微裂纹的产生使得树脂和碳纤维之间的界面结合力迅速下降，表现为材料性能和弹性模量降低。为了支持此推论，需要进行进一步的试验。

3.4 断口分析

静态弯曲试验试样在受力時会出现两种不同的断裂形式，一种是不完全断裂，另一种是完全断裂。弯曲断裂宏观样貌如图3所示。

从图3中可以看出，复合材料在弯曲过程中会产生开裂现象，结合图3（a）和图3（b）中试样弯曲过程中存在拉伸断裂和压缩断裂两种形式，拉伸后的断裂表面比较粗糙，表面不平整，甚至还有脱出现象，而压缩后的断裂表面比较平整。由于弯曲断裂不同于拉伸断裂的脆性断裂，因此，会有分层现象，会极大的影响复合材料的弯曲强度。

通过使用扫描电子显微镜（SEM），对经过疲劳循环后的碳纤维树脂基复合材料的断口进行了详细观察。如图4所示，其破坏模式主要有纤维的断裂，纤维-基体界面的脱粘、纤维的屈曲和分层、基体的开裂。

从图4（a）中可以明显观察到，纤维断裂后产生了大量碎渣。这种现象可以解释为部分纤维和固化后的树脂形成的结合体瞬间发生了脆性断裂，导致一些碎渣的崩出。复合材料的分层断裂是由于两个具有各向异性的纤维层之间的层间开裂所引起的。这种分层断裂可以通过自由边界面外的应力作用来诱发，也可以是由基体裂纹扩展至层界面所导致［10］。

从图4（b）中可以明显观察到，复合材料断裂面上纤维表面的基体粘附较少，这表明复合材料的界面结合性能一般。其次，图中显示基体中存在大量的空洞，这是由于固化过程中产生的小分子产物未能完全逸出而残留在基体中所致。基体中空洞的存在带来两个主要问题。一方面，它降低了增强体与基体的相容性，导致界面不完整，进而影响应力的传递效率，因为只有增强体总面积的一部分与基体接触。这降低了层间剪切强度。另一方面，空洞的存在严重影响了基体的连续性。当外力作用于材料时，裂纹首先从空洞处扩展，导致外力无法有效传递到碳纤维基体，从而导致材料的拉伸强度急剧下降［11］。

从图4（c）中可以明显观察到，在断口处，纤维与基体间的破坏严重，甚至存在大量基体缺失的状况，这是由于纤维在断裂之前就储存了大量能量，这些能量在基体破裂的同时释放出来，加剧了复合材料层合板破坏的产生。

3.5 推论验证试验

为了验证前文所说的推论，需要对复合材料板材内部的树脂进行DSC和热失重试验，以判断是否存在仍未完全固化的树脂。将复合材料试样切割后从内部取出部分树脂基体，对这小部分树脂基体进行试验，为了尽可能保证试验准确性，取了3个从不同试样不同部位获得的树脂基体。

试验采用美国生产的STA 449型差式扫描量热仪对树脂基体DSC和热失重性能进行检测。测试条件：测试环境氮气氛围下，温度范围25 ℃～400 ℃，升温速率10 ℃/min。

通过试验后发现3个树脂基体中除了一个基体完全没有固化反应外，另外两个都出现了固化反应，这表明复合材料内部仍然存在部分未完全固化的树脂，发生固化反应的树脂基体DSC如图5所示。

试验结果显示相比于用树脂和固化剂混合后直接进行DSC试验，树脂基体在固化温度上有明显变化，树脂和固化剂混合固化温度在60 ℃左右，而复合材料板材内部的树脂基体固化温度在90 ℃左右，虽然有固化反应能证明复合材料板材内部存在部分未固化树脂，但是仅通过疲劳循环无法使温度提升到90 ℃，而树脂仅需要吸收热量就可以开始固化，疲劳循环的过程中放热被树脂吸收开始固化，但是因为温度低，所以相较于90 ℃时的固化，在疲劳循环下的固化需要更长的时间，这也解释了为什么从36000次到70000次材料弹性模量仍在不断上升，因为低温度下的固化需要更长的时间。而树脂基体在350 ℃时才开始热分解，疲劳循环无法到达此温度，所以排除了树脂基体热分解导致后续弹性模量下降的可能性。

4 结语

采用VARTM制备碳纤维树脂基复合材料进行弯曲疲劳试验，经过不同周期后在进行弯曲试验，发现其弹性模量随着疲劳次数的增加出现先降低后上升在降低的现象，探究后发现采用VARTM制备的碳纤维复合材料内部存在部分未完全固化的树脂。

692-3K树脂在和固化剂混合后在60 ℃下放置两小时无法使树脂完全固化，内部仍然存在部分未完全固化的树脂。

复合材料板材在疲劳循环过程中出现的微裂纹被后续固化的树脂修复，说明复合材料内部存在自修复现象。

经过一定疲劳循环后的试样其弹性模量甚至高于没有进行疲劳循环的试样，说明疲劳循环因为自修复的原因存在强化试样的行为，可以考虑固化后进行疲劳循环以强化材料强度。

参 考 文 献

［1］杜善义.先进复合材料与航空航天［J］.复合材料学报，2007（01）：1-12.

［2］刘牧东.航空复合材料疲劳性能研究［J］.中国科技信息，2019（01）：29-30+33.

［3］Dvorak G J. Composite materials： Inelastic behavior， damage， fatigue and fracture［J］. International Journal of Solids and Structures， 2000， 37（1-2）： 155-170.

［4］王育虔，刘展，杜金强.高应力水平下T700/MTM46复合材料层合板拉-拉疲劳性能研究［J］.玻璃钢/复合材料，2019 （04）： 31-36.

［5］Hongyu Q， Weidong W， Lianwen S. Fatigue damage accumulation model based on stiffness degradation［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2004， 30（12）： 1200-1203.

［6］Amore A， Giorgio M， Grassia L. Modeling the residual strength of carbon fiber reinforced composites subjected to cyclic loading［J］. International journal of Fatigue， 2015， 78： 31-37.

［7］Li D， Dang M， Jiang L. Fatigue behavior and failure mechanisms of 3D angle-interlock woven composite at room and cryogenic temperatures under bending［J］.Composites Communications， 2021， 23： 100559.

［8］許良，肖景厚，宋万万，等.碳纤维复合材料层合板三点弯曲疲劳性能［J/OL］.吉林大学学报（工学版）：1-10［2023-09-30］.

［9］罗斌，王延杰.一种等效测量不同湿度条件下离子聚合物金属复合材料弹性模量的方法［J］.功能材料，2016， 47（S2）： 116-119.

［10］李嘉禄，杨红娜，寇长河.三维编织复合材料的疲劳性能［J］.复合材料学报，2005（04）：172-176. DOI：10.13801j. cnki. fhclxb.2005.04.029.

［11］拓宏亮，吴涛，卢智先，等.复合材料层合板疲劳寿命预测方法研究［J］.西北工业大学学报，2022，40（03）：651-660.