T700/LT-03A層合板在不同環境下的拉伸性能研究

李曉宇，張艷

（西安航空職業技術學院， 陜西 西安 710089）

T700/LT-03A層合板在不同環境下的拉伸性能研究

李曉宇，張艷

（西安航空職業技術學院， 陜西 西安 710089）

在室溫、低溫和濕熱三種環境下，對碳纖維層合板分別開展了靜力和拉-拉疲勞試驗。得到了T700/LT-03A層合板的拉伸性能和破壞機理。在抗拉強度和抗疲勞性能方面，室溫環境優于其它兩種環境。試驗和模擬結果表明：T700/LT-03A層合板在三種環境下的應力結果較為接近；與室溫環境下的結果相比，低溫和濕熱環境下層合板的應力分別減少了3.37%和4.3%，而濕熱環境下層合板的應力增大了5.69%。環境對該層合板的疲勞性能影響較大。研究成果對碳纖維復合材料的工程應用提供一定的參考。

碳纖維層合板；濕熱；應力；疲勞

Abstract:The tensile properties and fatigue behavior of carbon fiber reinforced composite laminates were tested at different temperatures in tensile and tension–tension fatigue process. The tensile properties and failure mechanism of T700/LT-03A laminates were obtained by this way. Through comparing the tensile properties at three different temperatures, it was obtained that the tensile properties at room temperature was higher than those at other temperatures. The results showed that the static strength of T700/LT-03A laminates under the three kinds of temperature was not obviously changed, and the static strength at low temperature was reduced by 3.37% compared with at room temperature, and the static strength in hot and humid environment was reduced by 4.3% compared with that at room temperature. Compared with the ambient temperature, the stress value of the hot and humid environment was increased by 5.69%, and the stress value had a great influence on the number of fatigue cycles. The paper can provide some reference for application of carbon fiber composites in the future.

Key words:Carbon fiber laminate;Hot and humid;Composite;Fatigue

碳纖維是繼玻璃纖維之后出現的第二代纖維增強材料，具有高比強度、高比模量、耐高溫等優點[1,2]。隨著航空航天對材料的需求，特別是為了適應不同環境下的飛行性能，復合材料在不同溫度下的研究也越來越廣泛。因此對 T700/LT-03A復合材料進行不同環境的應力和疲勞性能的研究非常有必要。

曹海建[3]利用有限元軟件ANSYS分析了三位整體中空復合材料結構模型的壓縮力學性能，汪源龍[4]對碳纖維（CCF300）/雙馬樹脂（GW300）復合材料層合板進行了高溫環境下的拉伸和壓縮性能實驗，研究其在不同溫度下的基本力學性能變化。朱振濤[5]等對復合材料層合板的拉伸和剪切進行了試驗分析，等到了層合板的基本力學性能的分散性結果。吳以婷[6]等研究了濕熱環境下 Carbon/Epoxy復合材料層合板動態壓縮性能，結果表明吸濕使得材料動態強度的上升在應變率較低時比較明顯。H.Mivehchi和 A. Varvani-Farahani[7,8]研究了溫度對纖維增強復合材料累積損傷的影響，并引用文獻中室溫和高溫下的試驗對其理論進行了驗證，結果表明疲勞壽命隨著溫度的升高而下降。Samirkumar M.Soni[9,10]等通過試驗研究了碳/環氧和玻璃/環氧夾層結構在 22、0和-60 ℃時的疲勞性能，結果表明-60℃下兩種材料的疲勞壽命都極大提高，并進行了有限元分析。吳振[11]研究了濕熱力載荷下復合材料層合板力學行為，得到了濕熱膨脹系數對濕熱行為的影響。國內對復合材料的研究還主要集中在靜力方面，而對低溫和濕熱下復合材料的疲勞研究還報道得不多。

本文通過試驗和有限元數值模擬對比分析了T700/LT-03A層合板在不同環境下的拉伸性能，并研究了室溫、低溫和濕熱的拉-拉疲勞試驗，分析了不同溫度環境下復合材料疲勞性能的差異和應力值對疲勞的影響。

1 試驗部分

試驗件材料為T700/LT-03A層合板，鋪層順序為[-45/90/45/0/902/-45/90]S；加強片采用玻璃纖維增強材料制作；層合板與加強片間用膠膜 SY-24C粘接。圖1給出試樣的形狀。在試件表面幾何中心粘貼正交電阻應變計，測量其橫向和縱向的應變值。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Sample size

碳纖維層合板靜力、拉-拉疲勞試驗均在液壓伺服 INSTRON8801試驗機上進行。該試驗機配有數據自動采集處理，測試精度高。室溫試驗環境為25 ℃，干態。低溫為-55 ℃，濕熱(70 ℃)濕度(85%)。進行靜力拉伸和拉—拉疲勞的試驗，其中試件在進行疲勞試驗時每加載2萬次測1次應變。試驗的應力比R=0.06，加載頻率為10 Hz。圖2為進行試驗時的圖片。

圖2 試驗機系統Fig.2 Test machine system

2 試驗結果表

圖3和表1給出了T700/LT-03A層合板在三種環境下的溫度—載荷圖及均值表。材料尺寸相同。

從表1可以看出，在三種環境下，T700/LT-03A層合板在室溫下的靜強度最高，低溫環境下的應力比室溫環境下降3.37%，而濕熱環境下的強度最低，濕熱環境下的應力比室溫環境下降了 4.3%。T700/LT-03A在三種環境下測得的破壞載荷的變異系數較小，特別是濕熱條件下的變異系數為3.66%，均不超過 7%，說明這復合材料層合板在三種環境下靜力拉伸性能的分散性較小，試驗結果能夠較好地反映材料的性能。

圖3 溫度-載荷圖Fig.3 Temperature load diagram

表1 T700/LT-03A在不同溫度的最大破壞載荷Table 1 Failure load of T700/LT-03A at different temperatures

圖4為典型的試驗破壞圖片。

圖4 試件靜力破壞圖Fig.4 Static failure diagram of specimen

圖4可以看出材料在室溫下的破壞方式主要為纖維斷裂，低溫環境下基體為脆性，拉伸先引起層間分層，所以破壞方式表現為層間分層和纖維斷裂，層間破壞相對嚴重，斷口較室溫下粗糙。

圖5和表2給出了T700/LT-03A層合板在三種環境下的疲勞壽命，所有疲勞試驗的應力比R均取0.06，加載頻率取10 Hz，T700/LT-03A層合板的疲勞最大載荷為28.69 kN（最大破壞載荷的65%）。

表2 T700/LT-03A在三種環境下的疲勞壽命Table 2 Fatigue life of T700/LT-03A in three environments

圖5 溫度-疲勞壽命圖Fig.5 Temperature fatigue life diagram

從圖6可以看出， T700/LT-03A復合材料層合板在三種環境下的疲勞壽命有很大差異。

本文提出了一種以壓電陶瓷片為載體的無線超聲波霧化系統。該系統利用機械共振的原理，通過單片機的無線控制，實現溫濕度自動調節，通過智能控制，可以節約資源。該系統可以廣泛應用于農作物種植等農業控制環境中，具有十分廣闊的市場前景。

圖6 試件疲勞破壞圖Fig.6 Fatigue failure diagram of specimen

與室溫環境相比，低溫環境下材料的疲勞壽命下降了82.2%，濕熱環境下疲勞壽命下降了99.4%，這表明T700/LT-03A的疲勞性能隨著環境的變化變化明顯，整體疲勞保持率較低。低溫和濕熱下疲勞的斷口較為整齊，從表中可以看出T700/LT-03A在三種不同的環境下的疲勞壽命的變異系數都偏大，表明T700/LT-03A疲勞壽命的分散性都比較大。

3 有限元分析

對 T700/LT-03A復合材料層合板進行了拉伸載荷作用下的損傷破壞仿真分析。在 ABAQUS軟件中編制 USDFLD材料子程序來定義復合材料層合板的拉伸損傷失效行為。具體過程是在每一載荷步根據應力大小判斷該材料積分點的損傷狀態，如果滿足失效準則，說明單元在該點發生失效，則降低該處的材料性能（包括強度參數和模量參數）；反之，則繼續加載，逐漸增加載荷直到芯層完全損傷為止，由此實現復合材料層合板拉伸破壞的損傷分析過程[12]。

3.1 失效準則

復合材料層合板的失效采用Hashin準則，纖維拉伸失效判據

基體拉伸作者剪切失效判據

面內剪切失效判據

式中：σ1——沿纖維方向的應力分量；

σ2——橫向應力；

Sr——面內剪切剩余強度；

Yr——橫向剩余強度。

在子程序中定義了三個場變量Field variable（簡記為FV1、FV2和FV3），該場變量用于標記材料積分點處單元的失效情況。若FV1=1，則單元發生基體失效，若 FV2=1，則單元發生剪切失效，若FV3=1，則單元發生纖維斷裂失效；反之，若FV1=0，或FV2=0，或FV3=0，則表明單元沒有失效。

3.2 有限元模型

層合板長110 mm，寬15 mm，采用2D Pshell單元模擬T700/LT-03A復合材料層合板，并賦予每個單元屬性，單元的鋪層順序為［45°/0°/-45°/90°/0°2/45°/0°］s，每層均采用不同的材料性能，以方便實現仿真分析中各個單元性能的下降。在Patran軟件中建立網格模型，共分為3×22個單元。層合板一端固定，在另一端的每一節點上施加平行于X軸方向的集中力。圖7為施加了載荷和約束之后的層合板。

圖7 載荷約束圖Fig.7 Load constraint diagram

模型一共劃分為 66個單元，對于每個單元有16個鋪層，所以在仿真過程中通過程序分別給 16×66個積分單元賦予不同的材料屬性。表3給出材料在室溫環境下的初始屬性，隨著疲勞加載的進行，各單位的材料屬性按照一定的規律衰減，然后通過FORTRAN程序重新給每個單位賦衰減后的材料屬性。給加載點附近的單元賦予較大的剛度和強度值，消除仿真過程應力集中的影響，提高仿真模擬的準確性。

表3 LT-03A/T700復合材料的基本性能Table 3 Basic properties of LT-03A/T700 composites

3.3 仿真結果

圖7列出了不同環境下的LT-03A/T700復合材料的仿真應力值。

圖8 不同環境下的應力云圖Fig.8 Stress nephogram in different environments

圖 8中可以看出，室溫下的應力值為 1 634.9 MPa，低溫下的應力值為1 636 MPa，濕熱環境下層合板的應力值為1 727.87 MPa。與室溫下相比，濕熱環境下的應力值上升了5.69%。高溫濕熱下層合板的疲勞循環次數遠小于室溫，說明隨著應力值的增加，層合板的疲勞壽命，越??；反之，應力值越低，材料的疲勞壽命越大，這個結論與試驗結果是一致的。

4 結 論

在室溫、低溫和濕熱環境下，對碳纖維T700/LT-03A復合材料層合板分別開展了試驗和模擬研究。靜力試驗研究表明：室溫環境下層合板的拉伸強度高于其他兩種環境，其次是低溫和濕熱環境；該層合板整體拉伸強度的分散性變化不大，變異系數均小于 7%，可適用于不同環境。疲勞試驗和模擬結果表明：三種環境下層合板疲勞壽命的分散系數均較大，而且濕熱環境下疲勞壽命遠低于室溫環境的疲勞壽命；溫度環境對該層合板的疲勞性能影響較大，該層合板強度越高疲勞性能越低。

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Tensile Properties of T700/LT-03A Laminates Under Different Environments

LI Xiao-yu,ZHANG Yan

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Shaanxi Xi’an 710089, China）

TQ 050.4

A

1671-0460（2017）09-1757-04

西北工業大學基礎研究基金（批準號：JC2011025）資助。

2017-06-12

李曉宇，男，講師，主要研究方向為先進復合材料的力學行為研究。E-mail：115553448@qq.com。