預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙對(duì)CFRP低溫彎曲性能影響的研究

徐繼文 鄭 偉 劉松良 單春海 周金磊

（1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）因耐腐蝕、質(zhì)量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積成型等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1］。飛行器在服役期間，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在低溫環(huán)境中飛行，飛機(jī)上的CFRP構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼、翼尖、水平尾翼等會(huì)因承受彎曲等多種應(yīng)力而出現(xiàn)斷裂、損傷等問(wèn)題，而復(fù)合材料層間的結(jié)合強(qiáng)度較弱。大量研究表明，預(yù)埋碳納米管、石墨烯等納米增強(qiáng)材料能有效增強(qiáng)復(fù)合材料層的力學(xué)性能［2］。因此，本研究對(duì)預(yù)埋碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行研究，以此來(lái)提升復(fù)合材料在低溫環(huán)境中的彎曲性能。

飛機(jī)在服役過(guò)程中，其服役高度通常為8 000～20 000 m［2］，飛機(jī)一般處在-70℃～-45℃環(huán)境中?，F(xiàn)如今，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫環(huán)境對(duì)飛機(jī)上的CFRP構(gòu)件性能的影響進(jìn)行研究。張建寶等［3］對(duì)T800/607復(fù)合材料在低溫中的彎曲性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，單向鋪層的T800/607復(fù)合材料在20 K的超低溫環(huán)境中彎曲性能的變化最敏感，可使材料的彎曲強(qiáng)度提升71.7%。翁春曉等［4］在超低溫環(huán)境中對(duì)增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究，先將環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維織物作為增強(qiáng)介質(zhì)，將其預(yù)埋在復(fù)合材料中，觀察復(fù)合材料在低溫環(huán)境中的強(qiáng)度變化，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境中，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)有所提升。對(duì)不同環(huán)境溫度影響CFRP彎曲性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，CFRP的彎曲性能在低溫環(huán)境中有所增強(qiáng)，而在低溫循環(huán)環(huán)境中有所減弱［5-8］。Bechel等［9］通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的方法研究了高低溫循環(huán)加載條件對(duì)CFRP復(fù)合材料損傷累計(jì)剖面、材料韌性等的影響，結(jié)果表明，高低溫循環(huán)加載會(huì)使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的損傷，會(huì)在很大程度上影響材料的力學(xué)性能。

目前，碳納米管、石墨烯等材料作為增強(qiáng)體被大范圍應(yīng)用［10-11］。肇研等［12］將不同含量（1wt %、2wt%、3wt%）的多壁碳納米管與840S環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行混合，制備多壁碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料，測(cè)試并討論復(fù)合材料的彎曲性能。結(jié)果表明，與原始試樣相比，加入不同含量的多壁碳納米管復(fù)合材料的彎曲模量均有所增加，最大的增加值在加入量為1wt%時(shí)獲得。在彎曲強(qiáng)度方面，僅加入1wt%多壁碳納米管的復(fù)合材料有所增加。Qu等［13］通過(guò)在復(fù)合材料層間預(yù)埋石墨烯，并通過(guò)熱壓罐固化不同體積分?jǐn)?shù)的石墨烯來(lái)增強(qiáng)介質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)埋石墨烯能有效提高碳纖維復(fù)合材料的低溫和常溫力學(xué)性能，驗(yàn)證了預(yù)埋體積分?jǐn)?shù)為0.2%的石墨烯碳纖維復(fù)合材料對(duì)增強(qiáng)低溫彎曲和層間的剪切性能效果最好。由于碳納米管在樹(shù)脂基體中均勻分散較為困難，常出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象，從而造成增強(qiáng)效果不足，碳納米管薄膜能很好地避免這一缺陷，很多學(xué)者已通過(guò)碳納米紙來(lái)改善CFRP層合板的力學(xué)性能。Li等［14］通過(guò)研究碳納米紙對(duì)CFRP構(gòu)件層間彎曲強(qiáng)度的影響，驗(yàn)證了固化溫度在固化CFRP層合板的試驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生很大影響，固化溫度一旦升高，碳納米管就會(huì)跟著樹(shù)脂一起流動(dòng)，其會(huì)逐漸擴(kuò)散到纖維的表面，能有效增強(qiáng)纖維-基體界面的黏結(jié)能力，從而提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。Prusty等［15］在低溫、高溫和室溫三種環(huán)境下分別對(duì)預(yù)埋碳納米紙的復(fù)合材料進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與無(wú)預(yù)埋碳納米紙的復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，高溫條件下，有無(wú)預(yù)埋碳納米紙復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度顯著下降。常溫、低溫環(huán)境中預(yù)埋碳納米紙的復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度均高于無(wú)預(yù)埋碳納米紙復(fù)合材料。

綜上所述，碳納米紙作為增強(qiáng)介質(zhì)有著廣泛的應(yīng)用，而針對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的研究相對(duì)較少［16］。因此，本研究選擇對(duì)預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙CFRP層合板的低溫彎曲性能進(jìn)行研究，在低溫環(huán)境中分別對(duì)預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與SEM圖像結(jié)合，并進(jìn)行分析，得出碳納米紙對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)機(jī)理，以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙中對(duì)CFRP層合板的彎曲性能增強(qiáng)效果最優(yōu)的選擇。

1 試驗(yàn)部分

1.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的制備

本研究采用壓濾法來(lái)制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米紙，碳納米管參數(shù)詳見(jiàn)表1，制備示意圖如圖1所示。首先，根據(jù)60∶1的比例將不同質(zhì)量的碳納米管（100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）和曲拉通試劑（Triton X-100，天津阿法埃沙公司）混合研磨90 min，加入1 000 mL去離子水，并機(jī)械攪拌2 h。攪拌完成后，將溶液放入超聲箱（LC-JY99-IIDN）中進(jìn)行超聲分散40 min（開(kāi)始2 s，關(guān)閉2 s，功率為1 00 W），使溶液充分分散。然后將超聲處理后的溶液放入離心機(jī)（TG-16W）中，并在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理20 min，離心后取上層清液，得到多壁碳納米管分散液。最后，將穩(wěn)定的碳納米管分散液倒入壓濾器內(nèi)，經(jīng)壓濾后得到碳納米管薄膜，在80℃烘干箱中干燥2 h后得到碳納米紙，碳納米紙及其微觀組織如圖2所示。

圖2 碳納米紙及其微觀組織圖

表1 碳納米管各項(xiàng)參數(shù)

圖1 碳納米紙制備示意圖

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 試驗(yàn)方案。為了研究預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙對(duì)CFRP層合板低溫彎曲性能的影響，設(shè)計(jì)出的彎曲試驗(yàn)方案如表2所示，每組5個(gè)樣件。

表2 彎曲試驗(yàn)方案

1.2.2 試件制備。本研究使用的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向預(yù)浸料厚度為0.125 mm，預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的碳纖維層合板的手工鋪貼順序?yàn)椋?°］8 s，共鋪設(shè)16層。根據(jù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3356—2014）對(duì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行裁剪，并直接將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米紙附著在CFRP層合板的第1、2層和第15、16層之間，如圖3所示。最后將待固化的試件放入熱壓罐，在120℃和0.6 MPa的固化壓力下固化2 h后，再經(jīng)過(guò)1 h的降溫過(guò)程，最終得到試驗(yàn)所需的CFRP層合板。

圖3 碳納米紙?jiān)贑FRP層合板上的位置示意圖

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)備。該試驗(yàn)采用的是INSTRON 3365通用型多功能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置的示意圖如圖4所示。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3356—2014）來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，此次進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備其基本數(shù)據(jù)如下，壓頭半徑為3 mm、下支撐半徑為3 mm、彎曲跨度為60 mm、壓頭加載設(shè)置為1 mm/min、卸載速度設(shè)置為2 mm/min。

圖4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置及試件尺寸圖

保持其他條件統(tǒng)一，在低溫（-50℃）環(huán)境中對(duì)6組試件進(jìn)行加載試驗(yàn)。在此次試驗(yàn)中，選擇的加載方法為朝著CFRP試件中點(diǎn)施以連續(xù)的彎曲靜力載荷，等試件達(dá)到破壞后停止試驗(yàn)。每組試件在相同條件下分別進(jìn)行5次，并取其平均值，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

加載載荷、位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)直接獲得，并轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)力（σ），同時(shí)定義機(jī)械應(yīng)變（ε），通過(guò)在相同應(yīng)變下，比較試件所承受的最大應(yīng)力來(lái)判斷試件的彎曲性能。試驗(yàn)中通過(guò)改變載荷P來(lái)改變?cè)嚰艿臋C(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力與應(yīng)變見(jiàn)式（1）、式（2）。

式中：P為荷載，N；L為支撐跨距，mm；b為試件寬度，mm；δ為壓頭撓度，mm；h為試件厚度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在常溫和低溫環(huán)境中，分別對(duì)有無(wú)預(yù)埋碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，再使用Origin軟件繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

對(duì)圖5分析后可知，在常溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的B0試件能承受的應(yīng)力最大，比常溫下無(wú)預(yù)埋的A0試件能承受的應(yīng)力數(shù)值更大。在低溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的B1試件能承受的應(yīng)力最大，比低溫環(huán)境中無(wú)預(yù)埋的A1試件能承受的應(yīng)力數(shù)值更大。低溫環(huán)境中預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的B1試件能承受的應(yīng)力，要比常溫環(huán)境中預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的B0試件能承受的應(yīng)力數(shù)值更大。低溫環(huán)境中無(wú)預(yù)埋的A1試件能承受的應(yīng)力，要比常溫環(huán)境中無(wú)預(yù)埋的A0試件能承受的應(yīng)力數(shù)值大。即在常溫和低溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的CFRP層合板的彎曲性能均強(qiáng)于無(wú)預(yù)埋的CFRP層合板。有無(wú)預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）CFRP層合板的彎曲性能，均是低溫狀態(tài)中強(qiáng)于常溫狀態(tài)。

圖5 有無(wú)預(yù)埋碳納米紙CFRP層合板應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在低溫環(huán)境中，對(duì)預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并使用Origin軟件繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示。

圖6 低溫下預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙CFRP層合板應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)圖6分析后可知，低溫環(huán)境中，預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg、300 mg、500 mg、600 mg、700 mg）的CFRP試件能承受的應(yīng)力，均比低溫環(huán)境中無(wú)預(yù)埋的A1試件能承受的應(yīng)力數(shù)值大。在低溫環(huán)境中，預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米紙對(duì)CFRP試件能承受的應(yīng)力會(huì)隨著碳納米紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高而增高，但當(dāng)碳納米紙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí)，預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量700 mg）的CFRP試件能承受的應(yīng)力比預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量600 mg）的CFRP試件能承受的應(yīng)力數(shù)值要小，即隨著碳納米紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，CFRP試件能承受的應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。其中，在層間預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量600 mg）時(shí)對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)效果最好。

2.2 碳納米紙?jiān)鰪?qiáng)機(jī)理分析

圖7為纖維-樹(shù)脂-碳納米管界面的示意圖，由圖7可以看出，當(dāng)壓頭接觸層合板產(chǎn)生裂紋時(shí)，碳納米管通過(guò)橋接作用來(lái)阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而增加裂紋擴(kuò)展所需的載荷，即提高CFRP層合板的層間彎曲性能。

圖7 纖維-樹(shù)脂-碳納米管界面的示意圖

由圖5可知，在CFRP層合板間預(yù)埋碳納米紙時(shí)，可產(chǎn)生更優(yōu)異的彎曲性能，結(jié)合圖7，碳纖維中的樹(shù)脂能滲透到碳納米紙中，且二者結(jié)合后的界面性能相對(duì)較好。因此，預(yù)埋碳納米紙的CFRP層合板的彎曲性能要強(qiáng)于無(wú)預(yù)埋。同時(shí)，由于溫度降低，纖維和樹(shù)脂會(huì)出現(xiàn)不同程度的收縮，從而增加界面間的摩擦，以及纖維與樹(shù)脂界面的黏接性。因此，預(yù)埋碳納米紙?jiān)诘蜏丨h(huán)境中對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)效果要強(qiáng)于常溫環(huán)境。

由圖6可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米紙對(duì)CFRP層合板彎曲性能有不同的增強(qiáng)效果，結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著碳納米紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維中的樹(shù)脂能更充分地滲透到碳納米紙中。因此，對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)效果會(huì)更好，但當(dāng)碳納米紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，過(guò)多的碳納米管會(huì)成為雜質(zhì)，會(huì)使碳纖維中的樹(shù)脂無(wú)法充分地滲透到碳納米紙中，導(dǎo)致對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)效果變差。

3 結(jié)論

①通過(guò)在常溫、低溫環(huán)境中對(duì)有無(wú)預(yù)埋碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)后得出，在常溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙的B0試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A0試件提高了18.9%。在低溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙的B1試件的彎曲強(qiáng)度相較于無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了13.2%。在低溫環(huán)境中，預(yù)埋碳納米紙的B1試件的彎曲強(qiáng)度相較于常溫環(huán)境中預(yù)埋碳納米紙的B0試件提高了7.7%。在低溫環(huán)境中，無(wú)預(yù)埋的A1試件的彎曲強(qiáng)度相較于常溫環(huán)境中無(wú)預(yù)埋的A0試件提高了13.2%。驗(yàn)證了低溫中預(yù)埋碳納米紙能有效增強(qiáng)CFRP層合板的彎曲性能。

②通過(guò)在低溫中對(duì)預(yù)埋不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米紙的CFRP層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量100 mg）的B1試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了13.2%；預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量300 mg）的C1試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了17.9%；預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量500 mg）的D1試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了25.1%；預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量600 mg）的E1試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了33.8%；預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量700 mg）的F1試件的彎曲強(qiáng)度比無(wú)預(yù)埋的A1試件提高了17.1%。即在層間預(yù)埋碳納米紙（碳納米管質(zhì)量600 mg）時(shí)，對(duì)CFRP層合板彎曲性能的增強(qiáng)效果最好。

③通過(guò)理論分析，并結(jié)合預(yù)埋層微觀圖得出，制備預(yù)埋碳納米紙的CFRP層合板時(shí)，碳纖維中的樹(shù)脂能滲透到碳納米紙，增強(qiáng)了纖維/基體界面的黏接性，提高界面強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)生斷裂破壞時(shí)，碳納米管可通過(guò)橋接作用，在產(chǎn)生裂紋的初期階段起到抑制作用，以提高樹(shù)脂基體的抗破壞性能，所以預(yù)埋碳納米紙可增強(qiáng)CFRP層合板低溫彎曲性能。