（1）材質(zhì)缺陷對性能的影響

 

　　碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備工藝較為復(fù)雜，通常會形成孔隙、夾雜和裂紋等缺陷，特別是孔隙的存在，會大大降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用性能。 有研究對不同孔隙率的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料層合板進(jìn)行了力學(xué)性能測試，試驗結(jié)果表明，在孔隙率含量為0.33%、0.71%和1.5%的層合板中，隨著孔隙率的增加，織物碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層合板的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢，如表1所示。

 

　　表1 不同孔隙率層合板拉伸強(qiáng)度試驗值與仿真值

 

　　

 

　　除了孔隙外，碳纖維鋪層的褶皺，即纖維波紋對復(fù)合材料的力學(xué)性能也存在較大的影響，褶皺屬于制作過程中的工藝缺陷，對材料具有力學(xué)性能的負(fù)面作用，有研究對兩種波紋度不同的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了疲勞力學(xué)試驗，材料的微觀形貌如圖1所示，結(jié)果表明，當(dāng)載荷循環(huán)中有拉伸部分時，這兩種纖維波紋的材料都對疲勞載荷有敏感度，在兩種疲勞載荷條件下，波紋度更高的C630材料的疲勞壽命更下，對疲勞載荷的敏感度也更高，與C380材料相比，C630出現(xiàn)更大范圍的纖維束斷裂和分層。

 

　　

 

　　圖1 褶皺下材料C630和C380的微觀形態(tài)

 

　　（2）溫度和濕度對性能的影響

 

　　影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的因素除了材料的增強(qiáng)工藝和材料本身缺陷外，制作過程中的濕熱環(huán)境對復(fù)合材料的力學(xué)性能也存在較大的影響。濕熱環(huán)境對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響一直是材料研制人員所關(guān)注的重點問題之一。有研究對干態(tài)和濕態(tài)下的碳纖維復(fù)合材料層合板進(jìn)行了力學(xué)行為分析，發(fā)現(xiàn)濕態(tài)工況在拉伸強(qiáng)度方面對碳纖維材料的性能影響較為顯著，而彈性模量，應(yīng)變數(shù)值衰減不明顯，經(jīng)過掃描電鏡的分析，如圖2所示，可見老化后的斷口和裂口的氧化物，可看出，水分的滲入會導(dǎo)致基體發(fā)生老化現(xiàn)象，纖維與基體界面降解是導(dǎo)致基體失效的主要原因，這最終會導(dǎo)致層壓板的強(qiáng)度降低。

 

　

 

　　圖2 （a）CP16原始拉伸斷裂面（b）老化后CP16斷裂面（c）老化CP8斷裂面（d）老化CP8裂紋口的氧化物

 

　　有研究表明，兩種復(fù)合材料M-A（國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料）和M-T800H（東麗纖維復(fù)合材料）在高溫濕態(tài)條件下的基本力學(xué)性能，如圖所示，可見，在溫度和濕度的共同作用下兩種復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度和90°拉伸強(qiáng)度明顯下降，例如，M-A復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度從105MPa降至54MPa，層間剪切強(qiáng)度保持率在51.4%，M-A復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度從62.4MPa降至26.4MPa，其拉伸強(qiáng)度保持率在42.3%,研究者分析，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是：在溫度和濕度的共同作用下，一方面吸濕會使樹脂基體中的高分子鏈被打斷，另一方面溫度的升高又使得高分子鏈具有更高的能量而變得不溫度，其變化機(jī)理是水分子進(jìn)入基體后通過溶脹作用使基體發(fā)生增塑，使樹脂性能進(jìn)一步降低，因此，在濕熱條件下復(fù)合材料界面性能下降明顯，對材料拉伸強(qiáng)度的影響大于對剪切強(qiáng)度的影響。

 

　　

 

　　圖3 復(fù)合材料的濕熱性能

 

　　有研究對碳纖維增強(qiáng)聚丙烯基的性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，不同碳纖維對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響如圖所示，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有先增后降的趨勢，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14%左右時，復(fù)合材料所承受的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)了峰值，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18.75%左右時，復(fù)合材料所承受的拉伸強(qiáng)度和彎曲相處出現(xiàn)了峰值，當(dāng)碳纖維含量再次增加時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度幾乎呈直線下降，而彎曲強(qiáng)度下降得比較緩慢，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%時，碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到低谷，而后又有回升的趨勢。性能出現(xiàn)拐點與材料本身有一定的關(guān)系，可以這樣解釋：前期拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的提升是因為碳纖維的加入增加了復(fù)合材料的傳遞應(yīng)力，后期的明顯下降與樹脂基體和碳纖維的界面性能相關(guān)，當(dāng)碳纖維在一定范圍內(nèi)時二者的界面性能會表現(xiàn)良好，而當(dāng)碳纖維含量超過一定值時，碳纖維會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，因此，性能會出現(xiàn)明顯的下降，而隨著碳纖維含量的進(jìn)一步提升，碳纖維之間會發(fā)生堆積纏繞現(xiàn)象，這會使性能進(jìn)一步提升。

 

　　

 

　　圖4 材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度

 

　　碳纖維復(fù)合材料的性能與溫度有顯著的關(guān)系，有研究溫度對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響。試驗結(jié)果如表2-表4所示，可見，在相同溫度下，各個試樣的拉伸性能和壓縮性能基本保持一致，而隨著溫度的降低，復(fù)合材料的拉伸性能和壓縮性能均得到了提升。

 

　　

 

　　表2 71℃力學(xué)性能測試結(jié)果

 

　　

 

　　表3 25℃力學(xué)性能測試結(jié)果

 

　　

 

　　表4 -54℃力學(xué)性能測試結(jié)果

 

　　圖5為不同溫度下的拉伸試樣斷口的掃描電鏡圖片，如圖所示，拉伸試驗時，室溫斷口有少量絮狀樹脂，樹脂形態(tài)保存比較完整，有少部分碳纖維脫離樹脂的包裹，碳纖維整體拔出產(chǎn)生的孔洞幾乎不存在，而在71℃高溫環(huán)境下斷口處絮狀樹脂明顯多于室溫情況，縫隙與孔洞比室溫明顯增多，這表明溫度上升樹脂會因受熱軟化從而造成樹脂和纖維界面結(jié)合弱化，樹脂從纖維上脫落，對界面造成損傷，在低溫下-54℃時，纖維表面的樹脂附著高于室溫，低溫情況下，樹脂分子間的間距變小，作用力變大，樹脂與試樣的纖維粘結(jié)狀態(tài)較好。試樣的失效主要是纖維與樹脂基體剝離，纖維達(dá)到拉伸極限后斷裂導(dǎo)致。

 

　　

 

　　圖5 掃描電鏡分析圖

 

　　（3）應(yīng)變率對性能的影響

 

　　碳纖維復(fù)合材料在高應(yīng)變率下力學(xué)響應(yīng)和失效模式與靜態(tài)時的不同，有研究對碳纖維復(fù)合材料不同應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)和失效進(jìn)行分析，如圖6所示，應(yīng)變率為3866s-1和6484s-1時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比結(jié)果表明，試樣的壓縮強(qiáng)度和失效應(yīng)變的應(yīng)變率效應(yīng)非常明顯，且缺陷相關(guān)的強(qiáng)度減小量已不足以掩蓋如此顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，當(dāng)應(yīng)變率大于1832s-1時，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)⌒局锌梢杂^察到明顯的二次加載現(xiàn)象，圖6b為完全失效工況下的應(yīng)變率變化曲線，從中可以觀察到應(yīng)變率在試樣失效后再次上升，且不會在卸載時下降為負(fù)值，試樣發(fā)生完全失效，沒有回彈過程。

 

　　

 

　　圖6(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）應(yīng)變率-應(yīng)變曲線