復(fù)合材料高溫試樣加強(qiáng)片應(yīng)用淺析

王寶瑞，楊紀(jì)龍，李金儒，吳偉萍，劉佳，韓蓉

摘要本文對制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高溫力學(xué)試樣使用的加強(qiáng)片和膠粘劑，以及一體成型試樣進(jìn)行了研究。本文對粘貼加強(qiáng)片的膠粘劑進(jìn)行了研究和驗證，包括雙組份耐高溫膠粘劑、多組份耐高膠粘劑、結(jié)構(gòu)膠膜和雙馬樹脂；對加強(qiáng)片材質(zhì)進(jìn)行了研究和驗證，包括金屬加強(qiáng)片和復(fù)合材料加強(qiáng)片；對加強(qiáng)片與試樣的一體成型工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：不同膠粘劑的工藝條件不同，應(yīng)用的范圍也有較大差異；高溫試驗中，復(fù)合材料加強(qiáng)片更為適用，推薦使用耐高溫樹脂體系，纖維布或0°/90°正交鋪層的加強(qiáng)片；加強(qiáng)片采用與試樣本身一體共固化的方式成型，可以制備標(biāo)準(zhǔn)的高溫力學(xué)試樣，有效避免二次粘接引起的影響。

關(guān)鍵詞復(fù)合材料；試樣；試樣制備；加強(qiáng)片

Application Analysis on the Reinforced Sheets for?High Temperature Composite Specimens

WANG Baorui1， YANG Jilong1， LI Jinru1， WU Weiping1， LIU Jia1， HAN Rong2

（1.Harbin FRP Institute Co.，Ltd.，Harbin 150028；2.Harbin Institute of Petroleum，Harbin 150028）

ABSTRACTIn this paper， the reinforced sheets and adhesive for preparing fiber-reinforced composite specimens while used in high temperature mechanical text were studied. This paper also studied the integrated molding process of reinforced sheets and specimens. In the study and validation of adhesive for pasting reinforced sheets， we used two-component high-temperature resistant adhesive， multi-component high-temperature resistant adhesive， structural adhesive film， and bismaleic resin. In the study and validation of materials of reinforced sheets， we used metal and composite materials. The results showed that： The application range of different adhesives was affected by process conditions. In high-temperature mechanical tests， composite reinforced sheets were more suitable， and it was recommended to use high-temperature resistant resin systems， fiber cloth， or reinforced sheets with 0°/90° orthogonal layers. In the preparation process of standard high-temperature mechanical specimens， the forming method of reinforced sheets and specimens co-curing was adopted. This method can effectively avoid the impact caused by secondary bonding.

KEYWORDScomposite; specimens; specimen preparation; reinforced sheets

1引言

樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高性能纖維和高分子樹脂復(fù)合而成的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，隨著技術(shù)水平的不斷提高，以及耐高溫樹脂的發(fā)展，其耐溫性能越來越受到人們的關(guān)注。耐高溫環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂、聚酰亞胺等樹脂體系的耐溫性均可承受200 ℃以上的連續(xù)使用溫度，以及高達(dá)480 ℃以上的間歇使用溫度。高溫樹脂與復(fù)合材料結(jié)合，表現(xiàn)出了較高的適用性，其材料具有耐高溫、耐濕熱、吸濕率低、介電性能好、模量高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)、航空航天、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的被用于激光防御、高溫保護(hù)等具有熱源的環(huán)境中［1］。

復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計和使用中，耐熱性是一個重要指標(biāo)。復(fù)合材料由多種組分構(gòu)成，當(dāng)組分間熱膨脹系數(shù)差異較大時，即使溫度變化較小，也會在基體中產(chǎn)生很大的微觀熱應(yīng)力。在溫度升高后，首先是產(chǎn)生熱膨脹和一定的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)溫度升高的幅度進(jìn)一步加大時，復(fù)合材料的組分材料會逐漸發(fā)生軟化、熔化、分解，甚至燃燒等一系列變化，從而使復(fù)合材料的機(jī)械性能急劇降低。所以，有必要對復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行測試與理論分析，以獲取材料在相應(yīng)高溫環(huán)境下的性能［2］。

力學(xué)性能參數(shù)中尤為重要的是強(qiáng)度值，拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等是結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度是最大破壞載荷與有效承載面積的比值，在試驗過程中，復(fù)合材料試樣本體表面剛度通常無法滿足破壞所需的夾持力，所以，必須使用加強(qiáng)片給予補(bǔ)強(qiáng)。國際通用的方法是在試樣兩端粘貼上墊片，以利于試樣裝夾，使其在工作段區(qū)域有效破壞，防止端部破壞。高溫試驗環(huán)境與室溫相比，還需考慮加強(qiáng)片和膠粘劑的耐溫性，以及高溫環(huán)境下加強(qiáng)片對試樣本體的影響［3］。

2試驗驗證

復(fù)合材料單向板是所有纖維沿同一方向排列的復(fù)合材料，其一系列性能測試可以反映出材料和層間的性能，對設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)過程控制、出廠驗收等有著關(guān)鍵性的作用。單向板的0°方向力學(xué)試樣，理論上為承載能力較大的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣，加強(qiáng)片滿足其檢測要求即可滿足其它試驗的要求，所以，本文主要對復(fù)合材料單向板試樣的加強(qiáng)片以及加強(qiáng)片的粘貼進(jìn)行研究和分析。驗證試驗中，試樣本體樹脂基體選用雙馬樹脂體系，增強(qiáng)材料選用T800碳纖維。

2.1膠粘劑

復(fù)合材料高溫試驗中，首先是確定試樣制備使用的膠粘劑，應(yīng)選用室溫固化或低于材料固化溫度的膠粘劑。粘貼加強(qiáng)片用膠粘劑的選用難點(diǎn)在于，試驗環(huán)境溫度超過250 ℃時，常規(guī)膠粘劑剪切強(qiáng)度會降至10 MPa以下。在未達(dá)到試樣破壞所需載荷前，加強(qiáng)片粘接面已失效脫粘。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354-2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》中規(guī)定，“膠粘劑可采用滿足環(huán)境要求的高伸長率的（韌性的）膠粘劑，固化溫度不高于板材的成型溫度。”簡單來說，膠粘劑粘貼加強(qiáng)片的過程中，不影響試樣本體材料性能；在試驗高溫環(huán)境下，滿足試樣完全破壞所需的剪切強(qiáng)度，即為有效［4-7］。

加強(qiáng)片、試樣粘接面應(yīng)經(jīng)打磨、清洗處理，不允許損傷纖維。加強(qiáng)片的端頭、寬度應(yīng)與試樣一致，確保在試驗過程中加強(qiáng)片不脫落。加強(qiáng)片與試樣間應(yīng)膠結(jié)密實(shí)，并保證加強(qiáng)片相互平行且與試樣中心對稱。

通過多項篩選，驗證試驗主要對雙組份耐高溫膠粘劑、多組份耐高膠粘劑、結(jié)構(gòu)膠膜和雙馬樹脂進(jìn)行了驗證研究。雙組份耐高膠粘劑為環(huán)氧、烯酸、聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，固化條件為80 ℃～85 ℃，固化時間30 min～40 min，主要特點(diǎn)為固化溫度低，固化時間短。經(jīng)試驗驗證，膠粘劑可應(yīng)用于單向板纖維90°方向壓縮試樣加強(qiáng)片的粘貼，其耐溫區(qū)間為230 ℃以內(nèi)，超過250 ℃呈碳化狀態(tài)。

多組份耐高溫膠粘劑為高溫固化的三組分改性環(huán)氧糊狀膠粘劑，其三組份配比比例為100：40：4，固化條件為180 ℃，恒溫2 h。經(jīng)試驗驗證，多組份耐高溫膠粘劑一般使用溫度范圍室溫至232 ℃，剪切性能如表1所示。其可應(yīng)用于200 ℃以下單向板纖維0°方向拉伸試樣、纖維0°方向壓縮試樣、纖維90°方向壓縮試樣加強(qiáng)片的粘貼，以及200 ℃～250 ℃纖維90°方向壓縮試樣加強(qiáng)片的粘貼。

結(jié)構(gòu)膠膜為改性氰酸酯膜狀膠粘劑，載體形式為石英布，固化條件為200 ℃，恒溫4 h～6 h。經(jīng)試驗驗證，結(jié)構(gòu)膠膜理論耐高溫可達(dá)380 ℃，剪切性能如表2所示。其可應(yīng)用于250 ℃以內(nèi)纖維0°方向拉伸試樣、纖維0°方向壓縮試樣、纖維90°方向壓縮試樣加強(qiáng)片的粘貼，0°拉伸試驗中推薦使用液壓夾具，以增加夾持正壓力，圖1為結(jié)構(gòu)膠膜粘貼加強(qiáng)片的壓縮試樣。

雙馬樹脂體系，耐高溫250 ℃以上，固化條件為130 ℃，恒溫2 h；180 ℃，恒溫4 h；230 ℃，恒溫5 h；280 ℃，恒溫3 h。經(jīng)試驗驗證，雙馬樹脂可應(yīng)用于310 ℃以內(nèi)，纖維0°方向拉伸試樣、纖維0°方向壓縮試樣、纖維90°方向壓縮試樣加強(qiáng)片的粘貼?，F(xiàn)階段，最高試驗溫度為310 ℃，應(yīng)用在石英板材力學(xué)性能檢測試驗上，破壞形式正常，如圖2所示。

2.2加強(qiáng)片

加強(qiáng)片在大多數(shù)力學(xué)試樣上應(yīng)用，其主要目的是給予一個足夠剛度的作用面，可以保護(hù)好試樣的表層纖維，并能夠?qū)⑤d荷傳遞給被測材料。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片材料采用與試樣相同的材料或比試樣彈性模量低的材料?！睘榻鉀Q試樣加強(qiáng)片的問題，本文依據(jù)方法標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)規(guī)定，進(jìn)一步確定加強(qiáng)片的材料和形式，并進(jìn)行相應(yīng)試驗驗證。加強(qiáng)片材質(zhì)的基本要求是其剛度不應(yīng)阻礙試樣自然變形，其表面硬度可以使夾具夾面紋理嵌入，但不使其破壞。國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)中，對加強(qiáng)片材料的規(guī)定分別為金屬材料和復(fù)合材料兩種。

驗證試驗中，復(fù)合材料試樣本體材料為T800碳纖維，分別粘貼金屬加強(qiáng)片試樣、粘貼纖維鋪放加強(qiáng)片試樣和粘貼纖維布加強(qiáng)片試樣，如圖3所示，加強(qiáng)片尺寸依據(jù)GB/T 3354-2014中6.6和GB/T 5258-2008中6.1.3的規(guī)定，分別為（12.5±0.1）mm×50 mm×（1.5～2.5）mm、（25±0.1）mm×50 mm×（1.5～2.5）mm（可選）、（10±0.5）mm×50 mm×1 mm。

2.2.1金屬加強(qiáng)片

對于金屬加強(qiáng)片，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354-2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片可采用鋁合金板?！盙B/T 5258-2008《纖維增強(qiáng)塑料面內(nèi)壓縮性能試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片可用鋁板，或強(qiáng)度和剛度均不小于推薦的加強(qiáng)片材料的其它適當(dāng)材料?！盇STM D 3039《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片材料可以使用其他結(jié)構(gòu)，包括鋼加強(qiáng)片或由試樣相同材料制成的加強(qiáng)片?！彬炞C試驗中，金屬加強(qiáng)片材料采用牌號為2A12T4的鋁合金板，分別對1 mm、1.5 mm、2 mm三種厚度進(jìn)行了驗證。鋁合金的彈性模量通常在68 GPa～80 GPa，較其它金屬，剛度較低。

金屬加強(qiáng)片已溶劑除油，并經(jīng)過重鉻酸鉀和濃硫酸溶液的酸處理，使其表面鈍化，增加粘接強(qiáng)度。膠粘劑的固化制度為180 ℃，恒溫2小時，隨爐冷卻至室溫。結(jié)果表明，鋁合金加強(qiáng)片與復(fù)合材料本體熱膨脹差異較大，會導(dǎo)致膠接面脫粘或試樣本體撕裂損傷；不同厚度的鋁合金加強(qiáng)片均出現(xiàn)不同程度的脫粘，厚度越大，脫粘面積越大。失效形式如圖4所示。

2.2.2復(fù)合材料加強(qiáng)片

對于復(fù)合材料加強(qiáng)片，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354-2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片宜采用織物或無緯布增強(qiáng)復(fù)合材料?！盙B/T 5258-2008《纖維增強(qiáng)塑料面內(nèi)壓縮性能試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片推薦采用0°/90°正交鋪設(shè)的或玻璃纖維織物/樹脂形成的材料，且加強(qiáng)片纖維方向與試樣的軸向成±45°。如在較大端部載荷下加強(qiáng)片發(fā)生破壞，則可把加強(qiáng)片角度調(diào)整為0°/90°。”ASTM D 3039《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》中規(guī)定，“加強(qiáng)片材料是連續(xù)E玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基材料（機(jī)織物或無緯布非機(jī)織物），其結(jié)構(gòu)型式為［0/90］ns層壓板，該加強(qiáng)片材料一般與力的方向成45°角，以提供一個軟接觸面。”復(fù)合材料加強(qiáng)片與金屬加強(qiáng)片相比，主要的優(yōu)勢是其模量與試件本體模量更為接近，可以有效避免剛度明顯變化引起的應(yīng)力集中，還可以粘接后與試樣一并進(jìn)行機(jī)械加工。

復(fù)合材料加強(qiáng)片必須保證其樹脂體系至少在高溫試驗溫度，受表面正壓力和剪切力的復(fù)合作用下，而不失效。驗證試驗中，樹脂體系分別選用環(huán)氧樹脂體系和雙馬樹脂體系，增強(qiáng)材料分別選擇玻璃纖維、碳纖維和碳纖維布（經(jīng)緯比例為1∶1）等。結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂體系200 ℃左右，受載后，層間失效，纖維脫落，試樣未破壞；雙馬樹脂體系，耐溫可達(dá)300 ℃，層間仍具有較高強(qiáng)度。增強(qiáng)材料為玻璃纖維和碳纖維及其織物，單向鋪層時，碳纖維表面硬度較大，夾持過程中容易滑脫；纖維布加強(qiáng)片則因其表面紋理，增大機(jī)械嵌合，更為適用。最終，推薦使用雙馬樹脂體系/纖維布加強(qiáng)片或0°/90°正交鋪層的加強(qiáng)片。另外，試驗對加強(qiáng)片的平面度和平行度比較敏感，推薦采用的試樣制備方法，是在單向板表面覆蓋一層膠膜或樹脂，并粘貼加強(qiáng)片，然后再機(jī)加出試樣的構(gòu)型。

在復(fù)合材料板材高溫力學(xué)試驗中，加強(qiáng)片的選擇尤為重要。加強(qiáng)片的作用是在試驗過程中，有效的將載荷施加到試樣上，避免夾具與試樣直接接觸產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，避免試樣提前失效。圖5為T800碳纖維單向板0°方向拉伸試樣散絲狀失效圖。

2.3加強(qiáng)片一體成型

高溫測試試樣用一體成型模具制備，是通過模具設(shè)計和工藝優(yōu)化，將加強(qiáng)片采用與試樣本身一體共固化的方式成型，利用復(fù)合材料本體樹脂，經(jīng)過固化過程，將加強(qiáng)片直接在試樣兩端成型，增強(qiáng)加強(qiáng)片和試樣間的層間性能，避免了后期試樣制備等一系列操作，同時也減少了粘貼加強(qiáng)片與試樣產(chǎn)生的尺寸偏移。理論上可以成型任何標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣。

通過選取與本體一致的樹脂材料和復(fù)合材料，通過加厚區(qū)模腔和型面的控制，達(dá)到加強(qiáng)片和試樣本體一體成型，并共同固化的目的。一體成型模具如圖6所示。

加強(qiáng)片成型是使其在模具上以加厚區(qū)的形式存在，可選擇與試件同種材料，或者同種樹脂體系的碳布，設(shè)計正交鋪層，對加厚區(qū)進(jìn)行成型。

通過工藝持續(xù)改進(jìn)，用纖維布先鋪放加強(qiáng)片區(qū)域，再制作試樣部分，然后一體共固化，再經(jīng)機(jī)械加工。驗證試驗選用T800/雙馬單向板0°拉伸試樣，環(huán)境溫度分別為200 ℃和240 ℃。試驗結(jié)果數(shù)據(jù)正常，離散較小，見表3。破壞形式為散絲工作段爆炸式散絲失效，破壞形式正常，未出現(xiàn)加強(qiáng)片脫落或應(yīng)力集中等現(xiàn)象，如圖7所示。

3結(jié)語

高溫測試試樣制備過程中，膠粘劑固化溫度不應(yīng)超過板材的固化溫度，固化時間也不易過長，避免產(chǎn)生熱疲勞。加強(qiáng)片的尺寸、材料、斜削度、膠粘劑等都是影響試驗結(jié)果的因素。夾持區(qū)域發(fā)生破壞表明了加強(qiáng)片處的應(yīng)力集中大于工作段材料固有強(qiáng)度的偏差。使用具有韌性的低模量膠粘劑粘貼的帶斜面的加強(qiáng)片，可以有效降低應(yīng)力集中，并使發(fā)生夾持破壞的概率降低。加強(qiáng)片處如有較大的應(yīng)力集中，將導(dǎo)致夾持破壞的發(fā)生次數(shù)增加，從而導(dǎo)致低強(qiáng)度的偏差增大。

加強(qiáng)片可以進(jìn)行單根試樣單獨(dú)粘貼，也可先將整塊試樣板材粘貼好，再切割成試樣。在實(shí)際檢測活動中，多數(shù)情況為試樣已機(jī)械加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，需二次試樣制備，進(jìn)行加強(qiáng)片粘貼。但此操作易引入不確定的偏差，所以，加強(qiáng)片的粘貼宜在切割試驗前進(jìn)行。

一體成型的主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）最大的提高了粘接強(qiáng)度，避免了加強(qiáng)片脫落；（2）避免粘接加強(qiáng)片導(dǎo)致的二次固化；（3）避免粘接過程中加強(qiáng)片與試樣本體產(chǎn)生的偏角；（4）有效減小了應(yīng)力集中；（5）顯著提高試驗效率。

力學(xué)試驗高溫環(huán)境工況復(fù)雜，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分會發(fā)生改變，可能出現(xiàn)基體膨脹、纖維樹脂剝離、基體微裂等情況，而常規(guī)檢測手段只能適用于較低溫度下的試驗，所以，復(fù)合材料200 ℃以上高溫力學(xué)性能測試方法和試樣制備一直都是檢測難題，也很難采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行要求，本文經(jīng)過大量驗證試驗，總結(jié)出了相應(yīng)的研究結(jié)果，以求可以一定程度的規(guī)范高溫力學(xué)檢測行為。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉佳，遇家運(yùn)等.高溫測試條件下一體成型的碳纖維復(fù)合材料拉伸試件制作及優(yōu)化分析［J］. 纖維復(fù)合材料，2023，（01）：56-59.

［2］王寶瑞，韓蓉，魏程，等.復(fù)合材料環(huán)形試樣力學(xué)性能檢測研究［J］.纖維復(fù)合材料，2023，40（02）：19-25.

［3］王寶瑞，韓蓉，李剛，等.復(fù)合材料圓筒切取環(huán)形試樣拉伸性能檢測方法研究［J］.纖維復(fù)合材料，2023，40（01）：17-21.

［4］GB/T 1447-2005 纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法.

［5］GB/T 3354-2014 定向纖維增強(qiáng)聚合物樹脂復(fù)合材料拉伸性能試驗方法.

［6］GB/T 5258-2008 纖維增強(qiáng)塑料面內(nèi)壓縮性能試驗方法.

［7］ASTM D 3039/D 3039M Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.