彎曲疲勞下碳纖維復合材料的剩余模量研究

謝俊 于洪浩 冷利 張罡

摘 要 碳纖維復合材料具有優異的力學性能，在航空航天及地面交通運輸領域得到了廣泛的應用。應用在車輛上的碳纖維復合材料在車輛長時間的行駛過程中，會受到交變載荷的作用，導致其性能下降從而影響復合材料的使用壽命。本文選用692-3K型環氧樹脂為基體，24K-T300碳纖維為增強體，采用VARTM的方法制備碳纖維樹脂基復合材料板，對三種不同鋪層層數的復合材料板進行靜態彎曲試驗，得到在6層鋪層下的極限彎曲應力為572.9 MPa。采用20Hz頻率和50%載荷水平對復合材料進行三點彎曲疲勞試驗，探究了復合材料在循環周次逐漸增加的過程中的剩余模量變化。隨著循環周次的增加，彈性模量呈現先降低再升高的趨勢，然而循環周次進一步的增加并沒有導致彈性模量升高，反而導致下降。這表明循環周次對彈性模量存在影響。進一步研究發現，復合材料內部存在部分尚未完全固化的樹脂，推測這部分未固化樹脂在疲勞循環過程中吸收熱量開始固化從而修復了疲勞循環過程中產生的微裂紋，這是導致彈性模量出現先下降后上升趨勢的原因。

關鍵詞 復合材料；彎曲性能；疲勞性能；剩余模量

Study on Residual Modulus of Carbon Fiber Composite under

Different Cycle Bending Fatigue

XIE Jun，YU Honghao，LENG Li，ZHANG Gang

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159）

ABSTRACT Carbon fiber composite materials have excellent mechanical properties and are widely used in the fields of aerospace and ground transportation. The carbon fiber composite material applied to vehicles will be subjected to alternating loads during long-term driving， resulting in a decrease in its performance and affecting the service life of the composite material. This article selects 692-3K epoxy resin as the matrix， 24K-T300 carbon fiber as the reinforcement， and uses VARTM method to prepare carbon fiber resin based composite material plates， Static bending experiments were conducted on three composite material plates with different number of layers， and the ultimate bending stress under six layers was obtained to be 572.9 MPa.Three point bending fatigue experiment was conducted on composite materials under 20Hz frequency and 50% load level，Explored the residual modulus changes of composite materials during the gradual increase of cyclic cycles.As the number of cycles increases， the elastic modulus shows a trend of first decreasing and then increasing. However， further increasing the number of cycles does not lead to an increase in the elastic modulus， but rather a decrease.This indicates that there may be a critical point at which the stress level affects the elastic modulus due to the number of cycles.Further research has found that there are some uncured resins inside the composite material，It is speculated that this portion of uncured resin absorbs heat during the fatigue cycle and begins to cure， thereby repairing the flaw generated during the fatigue cycle， This is the reason why the elastic modulus first decreases and then increases.

KEYWORDS composite materials; bending performance; fatigue performance; residual modulus

基金項目：沈陽市科技局雙百項目（Y18-1-018）

通訊作者：張罡，男，教授，博士。研究方向為碳纖維增強樹脂基復合材料。E-mail： gangzhang_imr@163.com

1 引言

碳纖維復合材料作為一種具有高比強度和高比剛度性能的先進材料，在二十一世紀得到了大力發展和廣泛應用，特別是在航空航天、風力發電、汽車輕量化、建筑加固等領域，碳纖維復合材料的使用率不斷上升，成為部分金屬部件的良好替代品［1］。但是，在一些復雜工況下碳纖維復合材料依然會面臨疲勞失效和結構破壞的問題，這限制了碳纖維復合材料的推廣應用。因此，對碳纖維復合材料的疲勞損傷特性、疲勞性能展開研究有助于加深對材料性能的了解，擴展材料的性能優勢［2］。對碳纖維復合材料經過疲勞循環后剩余的模量研究有助于了解復合材料在疲勞循環后的模量變化值，從而確定碳纖維復合材料在疲勞循環下的應力最小值［3］。

國內外研究學者已經對復合材料疲勞性能從理論和實踐方面進行了相關研究。王育虔［4］對T700復合材料層合板在高應力水平下的拉-拉性能進行研究，結果表明，應力水平并沒有與疲勞壽命表現出相關性，在疲勞破壞過程以分層破壞為主，且剛度退化曲線表現為三階段特性。Saeed Shiri［5］等人建立了基于剛度的復合材料疲勞損傷累積模型，解決了以前模型所具有的相關限制，通過試驗數據對模型加以驗證，結果表明，模型對于剩余疲勞循環的預測具有較高的準確性。Alberto D［6］等人對碳纖維增強復合材料在循環載荷下的殘余強度進行了建模，通過相關試驗數據驗證了定律的可靠性和準確性，結果表明，疲勞壽命和剩余強度均與靜強度的統計分布有關。Li［7］等人對三維機織復合材料在室溫和低溫下的彎曲疲勞性能進行分析，研究表明，在低溫下復合材料的疲勞性能比室溫下的更優異。

本文采用VARTM工藝制備碳纖維復合材料板，通過對復合材料板進行不同周期的疲勞循環以研究復合材料的剩余模量變化。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

本試驗采用深圳郎博萬先進材料有限公司生產的692-3K環氧樹脂體系，樹脂與固化劑比例為100∶20，性能如表1所示，碳纖維編織布采用天津昂林貿烽高新材料有限公司生產的24K-T300碳纖維編織布，性能如表2所示。分析純丙酮，長城7501脫模劑。

2.2 試驗設備

本次試驗所用設備型號以及用途如表3所示。

2.3 試件制備

采用VARTM工藝制備碳纖維復合材料板，碳纖維布大小為250 mm×250 mm，鋪層分別為4/5/6層，注入樹脂固化劑混合物后抽真空放入真空烘箱，烘箱溫度設定為70 ℃，兩小時后取出復合材料板，脫模后根據GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》制備彎曲試樣，GB/T-35465.5-2020《聚合物基復合材料疲勞性能測試方法彎曲疲勞試驗準則》制備彎曲疲勞試樣，兩種試樣大小均為80 mm×15 mm×1.5 mm。

2.4 靜態彎曲性能試驗

靜態彎曲試驗在Instron8801壓斷試驗機進行。根據層數不同共三種試樣，每種試樣5個，設定最大加載載荷10 KN，壓頭下壓速度2 mm/min。

2.5 彎曲疲勞性能試驗

三點彎曲疲勞試驗在InstronE1000疲勞試驗機進行。將樣品固定在疲勞試驗機的夾具上，調整加載點位置和夾具間距為32 mm。由靜態彎曲試驗得到極限彎曲應力，設置加載頻率為20 Hz、加載應力為50%載荷水平（一個周期內施加的最大應力與復合材料試件的極限靜態彎曲應力之比）和循環周次分別為18000、36000、70000、140000［8］。如表4所示。在試驗過程中，啟動疲勞試驗機開始循環加載樣品，監測和記錄加載循環次數、載荷和位移數據。試驗結束時，停止加載并取出樣品，再使用壓斷疲勞機測試其剩余強度，并進行記錄。

3 結果分析與討論

3.1 靜態彎曲試驗結果

對不同層數的碳纖維復合材料進行靜態彎曲試驗，試驗結果如表5所示，發現隨著層數的增多，材料的彎曲強度有明顯提升，在6層時復合材料的極限靜態彎曲應力達到了572.9 MPa，故選擇6層鋪層的碳纖維復合材料板材進行后續的疲勞循環試驗。

3.2 疲勞后彎曲強度試驗

根據靜態彎曲試驗的結果選用6層的復合材料板材在進行不同周次的疲勞循環后，對復合材料試樣進行彎曲試驗，記錄試驗過程中材料的載荷、位移等數據。通過對這些數據的分析，繪制彎曲應變-應力曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，循環次數為70000次材料所受彎曲應力最大，18000次時所受彎曲應力最小。在沒有進行疲勞循環的情況下復合材料并沒有表現出更強的彎曲性能，反而在作為循環次數中位數的36000次和70000次表現出了更強的彎曲性能。為了更好的分析出現這種現象的原因需要引入彈性模量，彈性模量反映了材料在受力時的應力和應變之間的關系。在VRTM制備碳纖維復合材料的疲勞性能研究中，彈性模量是評估材料剛性和變形能力的重要參數。

3.3 復合材料剩余彈性模量變化

分析彈性模量與循環周次之間的關系。觀察循環周次變化對彈性模量的影響，是否存在應力水平的臨界點［9］。

不同循環加載次數下的彈性模量算法如公式（1）所示。

E=δε（1）

其中，E為線性段的彈性模量；δ為極限加載應力（MPa）；ε為加載應力對應的彎曲應變，通過應變-應力曲線得出材料的剩余彈性模量和剩余彈性模量變化趨勢，如表6和圖2所示。

通過試驗結果發現，隨著循環周次的增加，彈性模量呈現先降低再升高的趨勢，然而循環周次進一步的增加并沒有導致彈性模量升高，反而開始下降。這表明循環周次對彈性模量的影響，可能存在一個應力水平的臨界點。

在循環周次為18000次時，彈性模量呈下降趨勢。然而，在隨后的36000和70000周次中，彈性模量明顯上升，而在經過140000次加載后，彈性模量顯著下降。在36000周次和70000周次時，彈性模量甚至高于0次時的彈性模量。推測在18000次時彈性模量下降是因為隨著疲勞循環的進行，樹脂因為較高的加載頻率出現了微裂紋從而使得樹脂和碳纖維之間的界面結合力降低而導致的彈性模量下降；在隨后的36000次和70000次時，隨著疲勞循環的進行導致復合材料溫度升高，使得不完全固化的環氧樹脂開始逐漸吸熱固化，新固化的樹脂修復了初始疲勞導致的微裂紋，使得彈性模量開始上升，在循環周次達到70000次時，加載時間達到了58 min，此時復合材料試樣內部剩余的未固化樹脂已經接近完全固化，彈性模量接近達到最大值。隨著疲勞循環的繼續進行，在達到140000次時，后續疲勞產生的微裂紋已經沒有未固化樹脂進行修復，大量微裂紋的產生使得樹脂和碳纖維之間的界面結合力迅速下降，表現為材料性能和彈性模量降低。為了支持此推論，需要進行進一步的試驗。

3.4 斷口分析

靜態彎曲試驗試樣在受力時會出現兩種不同的斷裂形式，一種是不完全斷裂，另一種是完全斷裂。彎曲斷裂宏觀樣貌如圖3所示。

從圖3中可以看出，復合材料在彎曲過程中會產生開裂現象，結合圖3（a）和圖3（b）中試樣彎曲過程中存在拉伸斷裂和壓縮斷裂兩種形式，拉伸后的斷裂表面比較粗糙，表面不平整，甚至還有脫出現象，而壓縮后的斷裂表面比較平整。由于彎曲斷裂不同于拉伸斷裂的脆性斷裂，因此，會有分層現象，會極大的影響復合材料的彎曲強度。

通過使用掃描電子顯微鏡（SEM），對經過疲勞循環后的碳纖維樹脂基復合材料的斷口進行了詳細觀察。如圖4所示，其破壞模式主要有纖維的斷裂，纖維-基體界面的脫粘、纖維的屈曲和分層、基體的開裂。

從圖4（a）中可以明顯觀察到，纖維斷裂后產生了大量碎渣。這種現象可以解釋為部分纖維和固化后的樹脂形成的結合體瞬間發生了脆性斷裂，導致一些碎渣的崩出。復合材料的分層斷裂是由于兩個具有各向異性的纖維層之間的層間開裂所引起的。這種分層斷裂可以通過自由邊界面外的應力作用來誘發，也可以是由基體裂紋擴展至層界面所導致［10］。

從圖4（b）中可以明顯觀察到，復合材料斷裂面上纖維表面的基體粘附較少，這表明復合材料的界面結合性能一般。其次，圖中顯示基體中存在大量的空洞，這是由于固化過程中產生的小分子產物未能完全逸出而殘留在基體中所致?；w中空洞的存在帶來兩個主要問題。一方面，它降低了增強體與基體的相容性，導致界面不完整，進而影響應力的傳遞效率，因為只有增強體總面積的一部分與基體接觸。這降低了層間剪切強度。另一方面，空洞的存在嚴重影響了基體的連續性。當外力作用于材料時，裂紋首先從空洞處擴展，導致外力無法有效傳遞到碳纖維基體，從而導致材料的拉伸強度急劇下降［11］。

從圖4（c）中可以明顯觀察到，在斷口處，纖維與基體間的破壞嚴重，甚至存在大量基體缺失的狀況，這是由于纖維在斷裂之前就儲存了大量能量，這些能量在基體破裂的同時釋放出來，加劇了復合材料層合板破壞的產生。

3.5 推論驗證試驗

為了驗證前文所說的推論，需要對復合材料板材內部的樹脂進行DSC和熱失重試驗，以判斷是否存在仍未完全固化的樹脂。將復合材料試樣切割后從內部取出部分樹脂基體，對這小部分樹脂基體進行試驗，為了盡可能保證試驗準確性，取了3個從不同試樣不同部位獲得的樹脂基體。

試驗采用美國生產的STA 449型差式掃描量熱儀對樹脂基體DSC和熱失重性能進行檢測。測試條件：測試環境氮氣氛圍下，溫度范圍25 ℃～400 ℃，升溫速率10 ℃/min。

通過試驗后發現3個樹脂基體中除了一個基體完全沒有固化反應外，另外兩個都出現了固化反應，這表明復合材料內部仍然存在部分未完全固化的樹脂，發生固化反應的樹脂基體DSC如圖5所示。

試驗結果顯示相比于用樹脂和固化劑混合后直接進行DSC試驗，樹脂基體在固化溫度上有明顯變化，樹脂和固化劑混合固化溫度在60 ℃左右，而復合材料板材內部的樹脂基體固化溫度在90 ℃左右，雖然有固化反應能證明復合材料板材內部存在部分未固化樹脂，但是僅通過疲勞循環無法使溫度提升到90 ℃，而樹脂僅需要吸收熱量就可以開始固化，疲勞循環的過程中放熱被樹脂吸收開始固化，但是因為溫度低，所以相較于90 ℃時的固化，在疲勞循環下的固化需要更長的時間，這也解釋了為什么從36000次到70000次材料彈性模量仍在不斷上升，因為低溫度下的固化需要更長的時間。而樹脂基體在350 ℃時才開始熱分解，疲勞循環無法到達此溫度，所以排除了樹脂基體熱分解導致后續彈性模量下降的可能性。

4 結語

采用VARTM制備碳纖維樹脂基復合材料進行彎曲疲勞試驗，經過不同周期后在進行彎曲試驗，發現其彈性模量隨著疲勞次數的增加出現先降低后上升在降低的現象，探究后發現采用VARTM制備的碳纖維復合材料內部存在部分未完全固化的樹脂。

692-3K樹脂在和固化劑混合后在60 ℃下放置兩小時無法使樹脂完全固化，內部仍然存在部分未完全固化的樹脂。

復合材料板材在疲勞循環過程中出現的微裂紋被后續固化的樹脂修復，說明復合材料內部存在自修復現象。

經過一定疲勞循環后的試樣其彈性模量甚至高于沒有進行疲勞循環的試樣，說明疲勞循環因為自修復的原因存在強化試樣的行為，可以考慮固化后進行疲勞循環以強化材料強度。

參 考 文 獻

［1］杜善義.先進復合材料與航空航天［J］.復合材料學報，2007（01）：1-12.

［2］劉牧東.航空復合材料疲勞性能研究［J］.中國科技信息，2019（01）：29-30+33.

［3］Dvorak G J. Composite materials： Inelastic behavior， damage， fatigue and fracture［J］. International Journal of Solids and Structures， 2000， 37（1-2）： 155-170.

［4］王育虔，劉展，杜金強.高應力水平下T700/MTM46復合材料層合板拉-拉疲勞性能研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2019 （04）： 31-36.

［5］Hongyu Q， Weidong W， Lianwen S. Fatigue damage accumulation model based on stiffness degradation［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2004， 30（12）： 1200-1203.

［6］Amore A， Giorgio M， Grassia L. Modeling the residual strength of carbon fiber reinforced composites subjected to cyclic loading［J］. International journal of Fatigue， 2015， 78： 31-37.

［7］Li D， Dang M， Jiang L. Fatigue behavior and failure mechanisms of 3D angle-interlock woven composite at room and cryogenic temperatures under bending［J］.Composites Communications， 2021， 23： 100559.

［8］許良，肖景厚，宋萬萬，等.碳纖維復合材料層合板三點彎曲疲勞性能［J/OL］.吉林大學學報（工學版）：1-10［2023-09-30］.

［9］羅斌，王延杰.一種等效測量不同濕度條件下離子聚合物金屬復合材料彈性模量的方法［J］.功能材料，2016， 47（S2）： 116-119.

［10］李嘉祿，楊紅娜，寇長河.三維編織復合材料的疲勞性能［J］.復合材料學報，2005（04）：172-176. DOI：10.13801j. cnki. fhclxb.2005.04.029.

［11］拓宏亮，吳濤，盧智先，等.復合材料層合板疲勞壽命預測方法研究［J］.西北工業大學學報，2022，40（03）：651-660.