碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板制備工藝及其彎曲性能

馬威,管海陸,張曉瓊*,王濤,2

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) 先進(jìn)成形與智能裝備研究院，太原 030024）

纖維金屬層板(Fiber metal laminates，F(xiàn)MLs)是一種由纖維層和金屬層交替疊放后，在一定的溫度和壓力下固化成型的層間混雜復(fù)合材料[1-2]。FMLs綜合了纖維復(fù)合材料和金屬材料的特點(diǎn)，具有高比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的疲勞性能和損傷容限性能，而且還可以通過(guò)改變層板金屬層和纖維層的鋪層順序、鋪層厚度、鋪層方向?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可滿足不同受載條件下的服役需求，這些優(yōu)勢(shì)使FMLs在航空航天領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

按照金屬組分和增強(qiáng)纖維的種類劃分，F(xiàn)MLs主要包括芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層板(Aramid reinforced aluminum laminates，ARALL)、玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板(Glass reinforced aluminum lamintes，GLARE)、碳纖維增強(qiáng)鋁合金層板(Carbon reinforced aluminum laminates，CARE)、石墨纖維增強(qiáng)鈦合金層板(Titanium/graphite hybrid laminates，TIGR)等[5]。ARALL層板強(qiáng)度高、密度低，但其斷裂韌性差、剝離強(qiáng)度低、層間剪切強(qiáng)度差，故只能應(yīng)用于飛機(jī)的平面結(jié)構(gòu)或單曲率曲面；GLARE層板強(qiáng)度高、阻尼性能好，有良好的抗疲勞性能，目前已經(jīng)在飛機(jī)上得到應(yīng)用，但GLARE層板的剛度偏低、使用溫度不高；CARE層板具有較高的強(qiáng)度和剛度，但鋁合金和碳纖維復(fù)合材料復(fù)合后會(huì)引發(fā)電偶腐蝕；TIGR層板剛度高、耐高溫、耐疲勞性能好，但其工藝問(wèn)題復(fù)雜，制造成本昂貴[6-10]。目前在航空領(lǐng)域得到成功商用的主要有GLARE層板，A380機(jī)身上使用的GLARE層板達(dá)到470 m2，包括機(jī)身蒙皮、整流罩、機(jī)翼后緣、機(jī)身上壁[11-13]。隨著FMLs在飛機(jī)上的應(yīng)用量和應(yīng)用部位的增加，對(duì)其各方面的性能要求逐步提升，與鈦合金和航空用鋁合金材料相比，不銹鋼材料成本更低，更耐腐蝕、耐高溫，并且與碳纖維之間無(wú)電偶腐蝕，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度、剛度、斷裂延伸率，對(duì)應(yīng)力集中具有較低的敏感性。鋼帶厚度更薄(0.01～0.1 mm)，在有限厚度范圍內(nèi)層數(shù)的增加和鋼帶本身強(qiáng)度和塑性變形能力的多樣化為纖維金屬混雜復(fù)合材料提供了超高的設(shè)計(jì)自由度，以實(shí)現(xiàn)鋼帶各種比例及位置設(shè)計(jì)，可以滿足不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。特別是在具有復(fù)雜幾何形狀和大曲率區(qū)域的部件中，使用柔性不銹鋼極薄帶作為FMLs中的金屬組分材料，可使構(gòu)件在層壓過(guò)程中直接成型[14-18]。

纖維層/金屬層界面是影響和決定FMLs綜合性能及失效行為的重要因素，改善其界面性能至關(guān)重要，一般需要對(duì)金屬進(jìn)行表面處理來(lái)改善金屬層和纖維層的界面結(jié)合性能。尹志嵐等[19]研究發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑一端能與不銹鋼形成穩(wěn)定的Si-O-Fe鍵合，而另一端能與聚乙烯基醇(Ethylene vinyl alcohol，EVAL)相互纏繞，可形成復(fù)雜的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此使EVAL與不銹鋼之間的結(jié)合強(qiáng)度大幅增加。Jussila等[20]通過(guò)對(duì)不銹鋼進(jìn)行電化學(xué)腐蝕獲得了具有高濃度羥基的不銹鋼表面，在硅烷/金屬氧化物界面形成了高結(jié)合強(qiáng)度的氨基丙基硅烷薄膜單分子層，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼與硅烷膜高強(qiáng)度的結(jié)合。Hoikkanen等[21]研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼/熱塑性聚氨酯復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度與硅烷層厚度有關(guān)，最佳厚度為20 nm，硅烷層厚度可以通過(guò)偶聯(lián)劑濃度調(diào)整。綜上所述，不銹鋼表面富羥基化有利于偶聯(lián)劑與不銹鋼表面實(shí)現(xiàn)Si-O-Fe化學(xué)鍵合，是提高界面結(jié)合強(qiáng)度的有效途徑。

FMLs主要應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身壁板、機(jī)翼蒙皮等關(guān)鍵部位，上述結(jié)構(gòu)在使役過(guò)程中會(huì)承受較大彎矩，在彎曲應(yīng)力作用下FMLs的剛度和強(qiáng)度會(huì)顯著降低，失效模式也極為復(fù)雜，主要包括纖維與樹(shù)脂基體的脫粘、纖維斷裂、基體開(kāi)裂、金屬斷裂、金屬層與纖維層的分層等[22-26]。因此，針對(duì)FMLs在彎曲載荷作用下的抗彎性能特征、彎曲性能提升及失效機(jī)制分析等方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究。

Li等[23]研究發(fā)現(xiàn)不同鋪層結(jié)構(gòu)的GLARE層板在三點(diǎn)彎曲載荷作用下，失效模式會(huì)隨跨厚比的變化而變化。Dhaliwal等[25]對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋁板(Carbon fiber reinforced aluminum laminates，CARALL)層板彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試，并分析了其破壞模式。研究發(fā)現(xiàn)材料的主要失效模式為下側(cè)鋁層出現(xiàn)裂紋、碳纖維層斷裂、上側(cè)鋁層與碳纖維層發(fā)生分層。Li等[27]對(duì)GLARE層板進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層板的彎曲失效演化過(guò)程主要包括4個(gè)階段，分別為彈性階段、塑性階段、纖維局部斷裂和分層階段。Sadighi等[28]研究了纖維方向?qū)LARE層板彎曲性能的影響，測(cè)試結(jié)果表明0°方向纖維可以顯著提升層板的彎曲性能。Yogesh等[29]研究發(fā)現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料中間層加入鋁網(wǎng)后材料可以承載300 N的彎曲載荷，鋁網(wǎng)的加入有效地提升了層板的彎曲性能。Khalili等[30]對(duì)玄武巖纖維金屬層板(Basalt fiber metal laminate，BFML)進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)鋼層的存在對(duì)提高層板整體的彎曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有很好的效果。Hu等[31]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)單體反應(yīng)物聚合型聚酰亞胺鈦合金層板(Carbon fiber/polymerization monomer reacetants polyimide，Ti/CF/PMR聚酰亞胺FMLs)在彎曲載荷作用下，上表面承受壓應(yīng)力，下表面承受拉應(yīng)力，主要破壞模式為分層和局部屈曲破壞，F(xiàn)MLs在沿纖維方向具有更高的彎曲強(qiáng)度。Lawcock等[32]研究發(fā)現(xiàn)鋁板和纖維預(yù)浸料間的層間結(jié)合強(qiáng)度對(duì)FMLs的彎曲性能有顯著影響。對(duì)金屬層進(jìn)行合適的表面處理來(lái)提高其與纖維界面的粘接強(qiáng)度可以改善層板在彎曲載荷作用下的破壞行為。

綜上所述，目前研究多集中于碳纖維/鋁合金、玻璃纖維/鋁合金、碳纖維/薄層鋼等傳統(tǒng)纖維和金屬所組成的層板抗彎性能和失效行為分析。本文提出了一種新型碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板，并對(duì)不銹鋼極薄帶與碳纖維界面的結(jié)合工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于最佳結(jié)合工藝制備了不同鋪層結(jié)構(gòu)及包含不同鋼帶種類的碳纖維/不銹鋼極薄帶層板，通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，對(duì)所制層板的彎曲性能與變形失效機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用T700單向碳纖維預(yù)浸料和T300碳纖維平紋織物預(yù)浸料均由漢碩高新材料(天津)有限公司生產(chǎn)，性能參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 T700單向碳纖維預(yù)浸料性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of T700 unidirectional carbon fiber prepreg

表2 T300碳纖維平紋織物預(yù)浸料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of T300 carbon fiber plain fabric prepreg

T700單向碳纖維與T300碳纖維平紋織物預(yù)浸料厚度分別為0.15 mm和0.225 mm。304不銹鋼極薄帶由山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司提供，厚度為0.1 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3；軟態(tài)、半硬態(tài)、硬態(tài)不銹鋼極薄帶的靜態(tài)拉伸力學(xué)性能見(jiàn)圖1。

圖1 不銹鋼極薄帶拉伸力學(xué)性能Fig.1 Tensile mechanical property of stainless steel ultra-thin strip

表3 304不銹鋼極薄帶的化學(xué)成分 (wt%)Table 3 Chemical composition of 304 stainless steel ultrathin strip (wt%)

1.2 不銹鋼極薄帶表面處理工藝

層間結(jié)合強(qiáng)度對(duì)FMLs的力學(xué)性能有很大影響，為了提升金屬層和纖維層的界面結(jié)合性能，一般要對(duì)金屬進(jìn)行表面處理[1,33]。表面處理中較關(guān)鍵的一步是硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)的使用，KH-550中的乙氧基可通過(guò)水解生成硅羥基，通過(guò)氫鍵與金屬表面羥基吸附，在高溫下與金屬表面形成Si-O-金屬化學(xué)鍵合，KH-550另一端的-NH2能與碳纖維預(yù)浸料樹(shù)脂基體中的環(huán)氧基團(tuán)形成交叉網(wǎng)絡(luò)界面，形成大量化學(xué)鍵結(jié)合的穩(wěn)定界面狀態(tài)，偶聯(lián)劑的加入是提高界面結(jié)合強(qiáng)度的有效方式[17,19]。

為了探究碳纖維/不銹鋼極薄帶FMLs最優(yōu)界面結(jié)合工藝，分別采用表4中的6種工藝方法對(duì)不銹鋼極薄帶依次進(jìn)行表面處理后與碳纖維預(yù)浸料熱壓復(fù)合，將所制6種試件對(duì)應(yīng)工藝方法編號(hào)為a～f，通過(guò)圖2所示Instron-5969萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單搭接拉伸剪切實(shí)驗(yàn)來(lái)表征界面結(jié)合性能，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 7124-2008[34]，拉伸速率為1 mm/min。

圖2 Instron-5969萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Instron-5969 universal material testing machine

表4 不銹鋼極薄帶表面處理工藝Table 4 Surface treatment process of stainless steel ultra-thin strip

單搭接拉伸剪切試件尺寸如圖3所示，將載荷值除以粘接面積后獲得的剪切強(qiáng)度-位移曲線如圖4所示。6種試件的剪切強(qiáng)度值如表5所示，其中試件e剪切強(qiáng)度值最高，約為21.3 MPa。同時(shí)，如圖5所示，在試件e拉伸剪切失效后的鋼帶表面上觀察到了大量殘留的碳纖維，表明不銹鋼極薄帶經(jīng)機(jī)械打磨+丙酮清洗+10wt%氫氧化鈉溶液腐蝕+1wt%偶聯(lián)劑處理(無(wú)水乙醇∶蒸餾水∶KH-550體積比為90∶9∶1)是6種工藝中最佳的表面處理工藝。因此，在制備碳纖維/不銹鋼極薄帶層板時(shí)均采用表4中方法e來(lái)處理不銹鋼極薄帶表面。

圖3 單搭接拉伸剪切試件尺寸Fig.3 Dimensions of single lap tensile shear specimens

圖4 單搭接剪切強(qiáng)度-位移曲線Fig.4 Shear strength-displacement curves of single lap

圖5 單搭接拉伸剪切失效區(qū)域宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of single lap tensile shear failure region

表5 6種試驗(yàn)件剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 5 Shear strength test results of six test pieces

1.3 碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板的制備

共制備了E類、F類兩種鋪層結(jié)構(gòu)的層板，具體鋪層方案見(jiàn)表6，根據(jù)兩類層板中所含不銹鋼極薄帶種類的不同分別命名為E類軟態(tài)、E類半硬態(tài)、E類硬態(tài)、F類軟態(tài)、F類半硬態(tài)、F類硬態(tài)層板。

表6 碳纖維預(yù)浸料/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板(FMLs)鋪層方案Table 6 Lay-up scheme of carbon fiber prepreg/stainless steel ultra-thin strip fiber metal laminates (FMLs)

圖6為碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板制備工藝流程，首先將不銹鋼極薄帶和碳纖維預(yù)浸料裁剪至相同大小，然后用砂紙打磨不銹鋼極薄帶表面并用無(wú)塵紙擦拭以去除砂紙屑，之后用丙酮清洗其表面后放入10wt%氫氧化鈉溶液中腐蝕2 h并使其表面羥基化，隨后配制1wt%濃度的偶聯(lián)劑并水解10 min，將腐蝕后的不銹鋼極薄帶放入偶聯(lián)劑中浸泡1 min，隨后將不銹鋼極薄帶和碳纖維預(yù)浸料按照表6鋪層方案進(jìn)行交替鋪層。將疊層后的復(fù)合材料按圖7所示順序進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，隨后放入中航泰達(dá)公司生產(chǎn)的熱壓罐中，按照?qǐng)D8所示固化工藝進(jìn)行熱壓固化。為了保證實(shí)驗(yàn)所需試件的質(zhì)量與性能，防止產(chǎn)生毛邊及熱變形，所有實(shí)驗(yàn)試件均采用水刀加工，兩類三點(diǎn)彎曲試件切割尺寸如圖9所示。

圖6 碳纖維/不銹鋼極薄帶層板制備工藝流程：(a) 裁剪不銹鋼極薄帶；(b) 裁剪碳纖維預(yù)浸料；(c) 砂紙打磨鋼帶；(d) 無(wú)塵紙清潔鋼帶；(e) 丙酮清潔鋼帶表面；(f) 氫氧化鈉溶液腐蝕；(g) 配制偶聯(lián)劑；(h) 偶聯(lián)劑附著；(i) 鋪層；(j) 真空包裹；(k) 熱壓罐熱壓固化；(l) 碳纖維/不銹鋼極薄帶層板Fig.6 Preparation process of carbon fiber/stainless steel ultra-thin strip laminates: (a) Cutting stainless steel ultra-thin strip; (b) Cutting carbon fiber prepreg; (c) Grinding steel strip with sandpaper; (d) Clean steel strip with dust-free paper; (e) Clean the surface of steel strip with acetone;(f) Sodium hydroxide solution corrosion; (g) Prepare coupling agent; (h) Coupling agent adhesion; (i) Layup; (j) Vacuum wrapping;(k) Hot press curing with autoclave; (l) Carbon fibre/stainless steel ultra-thin strip laminates

圖7 工裝設(shè)計(jì)：(a) 真空袋；(b) 透氣氈；(c) 無(wú)孔隔離膜；(d) 透氣氈；(e) 有孔隔離膜；(f) 耐高溫膠條；(g) 透氣氈；(h) 碳纖維預(yù)浸料/不銹鋼極薄帶疊層；(i) 脫模布；(j) 玻璃板Fig.7 Tooling design: (a) Empty bag; (b) Breathable felt; (c) Non porous isolation film; (d) Breathable felt; (e) Porous isolation film; (f) High temperature resistant adhesive tape; (g) Breathable felt; (h) Carbon fiber prepreg/stainless steel ultra-thin tape lamination; (i) Release cloth;(j) Glass plate

圖8 固化工藝Fig.8 Curing process

圖9 E類(a)和F類(b)三點(diǎn)彎曲試件尺寸Fig.9 Size of three-point bending test specimens of type E (a) and type F (b)

1.4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載方案

對(duì)前文所制E、F兩類層板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并利用高速攝影全程記錄試件彎曲變形失效過(guò)程，研究不同層數(shù)、不同態(tài)鋼帶的加入對(duì)層板彎曲力學(xué)性能及承載特征的影響。目前FMLs種類繁多，金屬組分材料為不銹鋼極薄帶的新型層板在進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)的跨厚比尚未有具體標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)參考ASTM D7264-2007[35]進(jìn)行測(cè)試，跨厚比選為32[36-38]。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為Instron-5969萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。測(cè)試過(guò)程中，壓頭壓下速度取1 mm/min，跨距L=32 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 跨厚比為32時(shí)E類層板彎曲性能及失效分析

E類軟態(tài)、半硬態(tài)及硬態(tài)層板的三點(diǎn)彎曲載荷-撓度曲線如圖10所示，主要可分為3個(gè)階段：I階段載荷隨著撓度的增加呈非線性增加至第一峰值；II階段中躍過(guò)第一峰值載荷后出現(xiàn)小幅下降，隨后載荷繼續(xù)呈非線性增加至第二峰值；III階段中躍過(guò)第二峰值載荷后出現(xiàn)較大幅度下降，此后，隨著撓度的增加載荷變化不明顯直至卸載。曲線各拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖11中高速攝影所拍攝同一時(shí)刻試件的變形與損傷演化形貌。

圖10 E類層板三點(diǎn)彎曲載荷-撓度曲線：(a) 軟態(tài)層板；(b) 半硬態(tài)層板；(c) 硬態(tài)層板Fig.10 Three-point bending load-deflection curves of type E laminated plates: (a) Soft laminated plate;(b) Semi hard laminated plate; (c) Hard laminated plate

圖11 E類層板三點(diǎn)彎曲過(guò)程高速攝影Fig.11 Three-point bending process with high speed photography of type E laminated plates

結(jié)合表7中E類層板在I、II變形階段時(shí)的峰值載荷，對(duì)比E類層板發(fā)生變形時(shí)的撓度值及高速攝影記錄的變形損傷形貌可知，三類層板第I階段的失效模式均主要表現(xiàn)為上下表面層纖維編織布的分層脫粘與斷裂，見(jiàn)圖11(a)、圖11(a')、圖11(a'')。這是由于層板背面會(huì)承受較大的拉伸載荷，由于編織布纖維層延伸率較低，率先發(fā)生脆性斷裂，而不銹鋼極薄帶由于延伸率高并未發(fā)生斷裂。由于軟態(tài)鋼帶較大的塑性變形能力可以有效地抑制其相鄰碳纖維層的斷裂，故在第I階段時(shí)E類軟態(tài)層板能承受較高的峰值載荷；第II階段中層板的變形和失效主要以鄰近受壓側(cè)鋼帶層的屈曲和其相鄰0°纖維層的斷裂為主，見(jiàn)圖11(b)、圖11(c)、圖11(b')、圖11(c′)、圖11(b'')。圖10(a)、圖10(b)中，含軟態(tài)鋼帶和半硬態(tài)鋼帶的E類層板在撓度約為13 mm附近時(shí)便到達(dá)第II階段的載荷峰值，而圖10(c)中含硬態(tài)鋼帶層板受壓側(cè)的鋼帶因其具有更高的強(qiáng)度使鋼帶的屈曲變形行為得到延遲，層板撓度達(dá)到約15 mm時(shí)才到達(dá)第II階段的載荷峰值，表現(xiàn)出了較高的抗彎曲載荷能力。在第III階段中，E類軟態(tài)層板由于其鋼帶延伸率更高，有效地抑制了受拉側(cè)0°纖維層的斷裂，變形行為主要表現(xiàn)為受壓側(cè)鋼帶層的屈曲，且隨著撓度的增加沿厚度方向逐層發(fā)生屈曲，并未出現(xiàn)受拉側(cè)鋼帶層和纖維層的斷裂，見(jiàn)圖11(d)、圖11(e)。E類硬態(tài)、E類半硬態(tài)層板情況類似，在超過(guò)鋼帶層對(duì)纖維斷裂抑制作用的極限時(shí)，受拉側(cè)0°纖維層與相鄰的2層鋼帶同時(shí)斷裂，見(jiàn)圖11(d')、圖11(c'')。由此可知，軟態(tài)鋼帶有效地改善了E類硬態(tài)、E類半硬態(tài)層板載荷-撓度曲線在第III階段的脆性斷裂模式，將受拉側(cè)纖維和鋼帶斷裂主導(dǎo)的變形失效行為轉(zhuǎn)變?yōu)橛墒軌簜?cè)鋼帶屈曲變形主導(dǎo)的失效模式。

表7 E類層板在I、II變形階段時(shí)的峰值載荷Table 7 Peak load of type E laminated plates at different deformation stages

2.2 跨厚比為32時(shí)F類層板彎曲性能及失效分析

F類軟態(tài)、半硬態(tài)及硬態(tài)層板的三點(diǎn)彎曲載荷-撓度曲線如圖12所示，與E類層板載荷-撓度曲線特征不同，F(xiàn)類層板所有曲線可主要分為兩個(gè)階段：I階段中載荷隨著撓度的增加線性增加至峰值；II階段中隨著試件的持續(xù)彎曲變形，載荷呈臺(tái)階狀逐步下降。隨著F類層板中所含鋼帶種類由軟態(tài)向硬態(tài)轉(zhuǎn)變，I階段曲線斜率呈增加趨勢(shì)，且相較于F類軟態(tài)與半硬態(tài)層板，其硬態(tài)Notes:FImax-Peak load of stage I;FIImax-Peak load of stage II.層板彎曲變形程度小于其余兩類層板。三類層板所承受的峰值載荷見(jiàn)表8?？芍?，當(dāng)F類層板中含強(qiáng)度更高的硬態(tài)鋼帶時(shí)能夠有效提升層板整體承載能力。

圖12 F類層板三點(diǎn)彎曲載荷-撓度曲線：(a) 軟態(tài)層板；(b) 半硬態(tài)層板；(c) 硬態(tài)層板Fig.12 Three-point bending load-deflection curves of type F laminated plates: (a) Soft laminated plate;(b) Semi hard laminated plate; (c) Hard laminated plate

表8 F類層板所承受的峰值載荷Table 8 Peak load of type F laminated plate

變形過(guò)程中曲線各拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖13中高速攝影所拍攝同一時(shí)刻試件的變形與損傷演化形貌。

圖13 F類層板三點(diǎn)彎曲過(guò)程高速攝影Fig.13 Three-point bending process with high speed photography of type F laminated plates

通過(guò)圖13可以觀察到F類層板在第I階段中的失效模式主要為上下表面碳纖維編織布的斷裂及與相鄰層的分層，見(jiàn)圖13(a)、圖13(a')、圖13(a'')。結(jié)合圖12可知F類軟態(tài)、半硬態(tài)、硬態(tài)層板三類層板最靠近受壓側(cè)的鋼帶發(fā)生屈曲變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的撓度值不同，分別為17 mm、9 mm、8 mm。這主要是由于在受壓側(cè)的軟態(tài)鋼帶可以抑制其上方0°纖維層的斷裂，二者又協(xié)同抑制鋼帶下方纖維的斷裂，使鋼帶的屈曲變形失效行為發(fā)生延遲。

F類軟態(tài)層板和半硬態(tài)層板失效模式類似，在受拉側(cè)未發(fā)生鋼帶層和其相鄰纖維層的斷裂，僅在受壓側(cè)發(fā)生纖維層的斷裂及鋼帶層的屈曲，變形失效模式表現(xiàn)為鋼帶的屈曲和纖維的斷裂隨撓度增加沿厚度方向向下擴(kuò)展，見(jiàn)圖13(b)～13(f)、圖13(b')～13(f')。F類硬態(tài)層板在受壓側(cè)第1層鋼帶屈曲后便發(fā)生受拉側(cè)第1層和第2層鋼帶的斷裂，最終失效模式表現(xiàn)為受拉側(cè)鋼帶層和其相鄰纖維層的斷裂，見(jiàn)圖13(c'')～13(e'')。由此可見(jiàn)，F(xiàn)類軟態(tài)和半硬態(tài)層板盡管鋼帶層數(shù)較E類層板降低了，但因所含鋼帶延伸率較高，在受拉側(cè)同樣可以有效抑制鋼帶層相鄰的0°纖維層的斷裂，改善層板受拉側(cè)的脆性斷裂失效模式。

2.3 總結(jié)與分析

對(duì)比E類、F類層板的載荷-撓度曲線可以看出，隨著層板所含鋼帶種類由軟態(tài)向硬態(tài)變化，最終變形失效的撓度值減小了25%～27.7%。E類和F類軟態(tài)層板受拉側(cè)均未發(fā)生鋼帶層及其上方相鄰纖維層的斷裂，同時(shí)其下方相鄰的纖維層斷裂得到延遲。這是由于軟態(tài)不銹鋼極薄帶具有更高的延伸率，當(dāng)纖維層所產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展到鋼帶層時(shí)，軟態(tài)鋼帶的塑性變形減緩了裂紋擴(kuò)展速度，抑制了纖維的損傷加劇，使纖維斷裂和脫粘分層僅在局部發(fā)生，從而使含軟態(tài)鋼帶層板整體韌性均高于其他兩類層板。

觀察圖10和圖12中E類、F類層板載荷-撓度曲線可知，E類層板較F類層板I階段曲線的非線性更明顯且斜率較低，最終變形所對(duì)應(yīng)的撓度值也高于F類層板，表明鋼帶層數(shù)的增加可使層板整體的韌性得到提高，彎曲變形能力增強(qiáng)。

此外，0°纖維層可將層板劃分出多個(gè)獨(dú)立的纖維/金屬層單元，每一階段的變形均表現(xiàn)為每一個(gè)獨(dú)立纖維/金屬單元的失效。由于0°纖維層起主要承載作用，故每個(gè)纖維/金屬單元的失效由0°纖維層的斷裂主導(dǎo)，此時(shí)載荷-撓度曲線出現(xiàn)臺(tái)階。而鋼帶的存在可以對(duì)其相鄰纖維區(qū)域的纖維斷裂起到抑制作用，在超過(guò)鋼帶對(duì)纖維斷裂抑制作用的極限時(shí)，鋼帶發(fā)生屈曲或斷裂，因此，E類層板因鋼帶層數(shù)較多且所含0°纖維層數(shù)比F類層板少1/3，主要發(fā)生三階段式變形，而F類層板的載荷-撓度曲線呈多階梯狀逐漸下降。

3 結(jié) 論

(1) 所提6種不銹鋼極薄帶表面處理工藝中最優(yōu)的為砂紙打磨+丙酮清洗+10wt%氫氧化鈉溶液腐蝕+1wt%偶聯(lián)劑處理。

(2) 不銹鋼極薄帶的強(qiáng)韌性不同是引起層板不同失效模式的主要原因。當(dāng)碳纖維/不銹鋼極薄帶層板中金屬組分材料選用硬態(tài)鋼帶時(shí)，層板的主要失效模式表現(xiàn)為受拉側(cè)鋼帶層和纖維層的斷裂；當(dāng)金屬組分材料為軟態(tài)鋼帶時(shí)，可以有效抑制受拉側(cè)纖維斷裂，使層板主要失效模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簜?cè)應(yīng)力集中所導(dǎo)致的屈曲變形，軟態(tài)不銹鋼極薄帶的塑性變形會(huì)影響層板的變形行為，使脆性變形模式得到優(yōu)化。

(3) 層板的彎曲變形能力由不銹鋼極薄帶含量決定，隨著鋼帶層數(shù)的增加，達(dá)到最大變形得到延遲，彎曲變形能力提高。