碳纖維復合材料圓管性能研究

1、A一2玻璃鋼學會第十五屆全國玻璃鋼/復合材料學術年會論文集2003年碳纖維復合材料圓管性能研究鐘天麟周祝林(上海玻璃鋼研究所200126摘要:本文介紹碳纖雛傅合材料圓管的拉、壓、彎、剪的試驗結果,并對此試驗結果進行理論分析,除拉、壓強度外,拉、壓彈性模量,彎曲強度和模量,彎剪強度和模量均與試驗值很符合。文中的性能數(shù)據廈分析的理論公式可供產品設計時應用。關詞:田管碳纖堆復合材料性能天1前言碳纖維復合材料圓管是復合材料中典型的先進產品,由于具有高的比強度,比模量,小的線膨脹系數(shù),抗疲勞和阻尼性能良好等優(yōu)點,廣泛地用于航空和航天飛行器結構,如:通訊衛(wèi)星和應用技術衛(wèi)星的天線支承桁桿,軸向發(fā)動機支架等。

2、現(xiàn)應某航天產品設計需要,要求測試碳纖維復合材料圓管的拉伸,壓縮,彎曲及彎剪等性能,同時用三點外伸彎曲法測出彎曲模量和剪切模量。試驗按國家標準進行。本文總結性能測試結果,并作了理論分析。2圓管鋪層與工藝2.1圓管鋪層圓管用T300碳纖維環(huán)氧樹脂預浸布按下列鋪層次序纏繞成的:±45、,世,.4-45,礙,.4-450/.4-45。,心,4-45。,瞥,.4-450共16層,艫鋪層4層,45。鋪層12層,每層厚0.15mm,樹脂含量為38.40%圓管內徑q4.5“o。外徑唾60-o2.2成型工藝碳纖維T300的性能和ST350環(huán)氧樹脂的性能列于表1表1原材料性能用碳纖維環(huán)氧樹脂預浸布按上述

3、鋪層次序纏繞成圓管后,其固化工藝如下室溫i塑當100n(:/30min i竺唑,150/120min然后隨爐冷卻至40。C,出爐,卸壓,脫模成圓管產品。2.3密度用體積質量法,測出圓管的密度,如表2所示。7袁2碳纖雛復合材料圓管密度2.4樹脂含量及纖維體積含量用實測密度1.4519/cm3及上述原材料性能,計算出樹脂含量A為53.4%,可見比預浸布的樹脂含量高,同樣說明復合材料圓管有空隙率“,當以5%空隙率計算時,得樹脂含量為39.o%,這與預浸布的樹脂含量符合,以下以40%樹脂含量計算,經計算得纖維體積含量為48.7%。3性能測試結果圓管拉伸性能按GB5349進行測試;圓管壓縮性能按GB53

4、50進行測試;圓管彎曲性能,按“玻璃鋼”1973N(3所介紹的試驗方法進行測試。圓管三點外伸彎曲參照GB/T1456進行測試,測出圓管的彎曲模量和剪切模量。表3圃管力學性能測試結果注:彎剪采用四點短粱彎剪,測出圓管的彎剪強度.彎曲項中的r是剪切應力。4性能理論分析4.1圓管拉伸性能分析4.1.1圓管拉伸模量分析O崤層復合材料縱向拉伸彈性模量符合混合律,用上述原材料性能及纖維體積含量,計算得拉伸性模量為:EL=VfEf+E。(1一Vf=109GPa(1 Oo鋪層復合材料橫向拉伸彈性模量為:ET:E。=10.2GPa(2正交鋪設復合材料經緯向的彈性模量為:El=E2=1/2EL+1/2Er=59.

5、6GPa(3 45。方向的彈性模量為:F.E452瓦i玎瓦萬i專i瓜西i譎2175GPa(4式中的盧J取0.15,G12按下計算:c,:-Gm糌-s一00G,a(5復合材料圓管的拉伸彈性模量按其O。鋪層和45。鋪層之比,其平均彈性模量為8E:EL X no/n+E45×r145/n=40.3GPa式中no,n4,n分別為oo鋪層,45嚕目層及總鋪層數(shù)。由此可見,實測值與理論結算值很符合。4.1.2圓管拉伸強度分析碳纖維復合材料圓管若鋪層間粘結良好,能整體作用的話,圓管拉伸強度理論值為:口=口L×nO/n+d45×rt45/n(7式中亂,當略去樹脂對拉伸強度的影響時

6、為:d=V,×aft.1713MPa (8。J。0"45是由樹脂剪切強度控制,一般為”j:0"45=80MPa把口,O"45代入式(4.7后得:口=488MPa試驗中往往發(fā)現(xiàn)45。層先破壞,然后分層,若略去45。層的作用時,管子的拉伸理論強度應為:d=428MPa由此可見,實側值遠未達到理論值,這有兩個原因:一是材料工藝質量上的原因,層間粘結性能欠佳,在試驗過程發(fā)生分層,使復合材料管壁沒有起整體作用,特別是層數(shù)較多時;第二是試驗上的原因,管子兩端夾頭,是用玻璃鋼包纏金屬夾頭,再連接金屬拉伸夾頭,拉伸力是由包纏的玻璃鋼靠膠接力傳到碳纖維復合材料管子上的,這

7、有一個由外層向內層傳遞的過程,勢必在復合材料層間產生較大的傳遞剪應力,而碳纖維復合材料層問粘結力沒有普通玻璃鋼高,因此,經常發(fā)生分層破壞,這有待于改進管子拉伸夾頭。對于直徑較大的圓管,圓管整體拉伸,很難達到整體破壞。對此,只能分割管子進行條狀試樣拉伸試驗。4.2圓管壓縮性能分析4.2.1圓管壓縮模量分析與4.1.1節(jié)一樣分析,從表3可見,實測值與理論值很符合。4.2.2圓管壓縮強度分析復合材料的壓縮強度與樹脂性能,界面有很大關系,同樣的增強纖維,復合材料的壓縮隨著所選樹脂品種及成型工藝不同有很大的不同,碳纖維復合材料的壓縮強度更是如此。復合材料壓縮強度與各因素的關系有待進一步分析。由不同鋪層復

8、合的圓管壓縮強度更有待進一步的分析。4.3圓管彎曲性能分析4.3.1圓管彎曲模量分析復合材料圓管的彎曲模量分析,當圓管是正圓,管壁是均勻時,模量的理論值用4.1.1節(jié)的分析。三點彎曲試驗測得的彎曲模量較低,是因剪切變形之故。用已消除剪切變形影響的三點外伸彎曲方法測得的彎曲模量與理論值就很一致。4.3.2圓管彎曲剪切模量分析O嚕層及正交鋪層的經緯向碳纖維復合材料的剪切模量為(同式(4.519V.GLT=G12=Gm手2=5.00GPa正交鋪層45。方向的剪切模量G45為:9G45=赫2259GPa(9與圓管的同樣鋪層的復合材料平板的剪切模量為:G=GI.Tn。/n+G45m5/n=20.6GPa

9、(10薄壁圓管扭轉是純剪切,與平板純剪切一樣。因此,按上述鋪層的圓管的扭轉剪切模量為20.6GPa,是比較高,可見碳纖維復合材料圓管有較大的扭轉剛度。至于圓管彎曲的剪切模量,與上述不同。圓管的彎曲剪切模量是參照GBl456,用三點外伸彎曲法測試的。圓管彎曲剪切模量理論分析較為復雜,因為管子承受橫向彎曲時,管壁上要承受垂直方向(即是加力方向的剪切應力r,而這剪切應力可以分解為二個分剪切應力,一個是沿管壁切線方向的剪切應力vsin0,這剪切應力對管壁的作用相當于復臺材料的面向剪切;另一個是垂直管壁(即垂直復合材料鋪層方向的剪切應力rcosO。前者剪切應力產生的剪切變形與復合材料面內剪切模量有關,后

10、者剪切應力產生的剪切變形與復合材料層間剪切模量有關。圓管的彎曲剪切模量是與二個剪應力產生的剪切應變有關,即與復合材料的面內剪切模量和層間剪切模量有關。要理論上分析彎曲剪切模量,除上述面內剪切模量外,還應理論上分析層間剪切模量,經研究分析,理論上估算復合材料層間剪切模量的最簡便公式,為(當樹脂含量較大時:CG13=%。巧卉爰石(11當Vf Gm/Gf較小時,可略去,則可簡化為:G13=G23=鏟(12計算結果為:G13=G23=2.53GPa由此可覓,比c LT'G,2小得多,已被實驗所證實。圓管彎曲剪切模量是式(4.10與式(4.12的組合,理論分析見文獻4,理論計算結果為8。63GP

11、a,與實測值8.46GPa,是很相符合的,由此可見,圓管的彎曲剪切模量比扭轉剪切模量小得多,在管子設計時應重視。4.3.3圓管彎曲強度分析圓管是薄壁的,不發(fā)生管壁彎曲失穩(wěn)情況下,理論分析近似同4.1.2,適當應考慮尺寸影響,因管壁彎曲時,僅局部地區(qū)應力達到最大,理論的彎曲強度應比式(4.7計算的略大,實測值513MPa,理論值488MPa,這是符合實際情況的,理論估算公式及估算值可以應用到管子彎曲強度設計。4.4圓管彎剪強度分析圓管彎曲受剪時,其剪切應力是很復雜的,有沿管壁切向剪應力,還有垂直管壁的層間剪應力,剪應力的大小分布不均勻,管子中性層兩側管壁的切向剪應力為最大,此剪切應力相當于復合材

12、料平板的面內剪切強度為7080MPa,沿45。方向的面內剪切強度為130。160MPa。對于單向碳纖維復合材料,縱橫向的剪切強度為2040MPa。用與上述圓管一樣的鋪層,其剪切強度為:取TLT為30MPa,2"45為140MPa,計算結果為rB=112MPa。圓管的彎剪的理論剪切強度,按上述計算為112MPa。由此可見,實測值103MPa是與理論值很符合的。5結語從上述理論分析可以看出,碳纖維復合材料圓管的拉,壓,彎,剪性能,其中彈性模量實測值與理論值很符合。強度方面:彎曲強度,剪切強度,實測值與理論值很符合,僅拉伸強度和壓縮強度比理論值低,特別是拉伸強度,這有待今后改進夾具,進一步

13、試驗研究。至于壓縮強度有待理論上進一步研究。文中提出的管子性能數(shù)據可供產品設計使用,文中提示的理論公式更具有普遍性,可以用于圓管產品的設計。參考文獻1周祝林等碳纖維復合材料方管的性能研究報告玻璃鋼/復合材料,1998(3:14172周祝林等高模量碳纖維復合材料平板及管子性能分析.玻璃鋼,1997(3:i93周祝林等纖維復合材料設計簡論.纖維復合材料,1995,41554周祝林等碳纖維復合材料圓管的扭轉剪切模量和彎曲剪切模量對比分析玻璃鋼,2001(3:1。6STUDY OF TUBE PROPERTIES OF CARBoN F皿哐RS1TESZhong Tianlin Zhou Zhulin(Shahghai FRP Research InstituteAbstract:This paper gives tensile,compression,flexure and shear tested results and theoret. icaly analyzes these results,The tensile and Compression modulus,flexure strength and modulus,flexure shear strength and modulus are good according