碳纤维复合材料圆管性能研究

1、A一2玻璃钢学会第十五届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集2003年碳纤维复合材料圆管性能研究钟天麟周祝林(上海玻璃钢研究所200126摘要:本文介绍碳纤雏傅合材料圆管的拉、压、弯、剪的试验结果,并对此试验结果进行理论分析,除拉、压强度外,拉、压弹性模量,弯曲强度和模量,弯剪强度和模量均与试验值很符合。文中的性能数据厦分析的理论公式可供产品设计时应用。关词:田管碳纤堆复合材料性能天1前言碳纤维复合材料圆管是复合材料中典型的先进产品,由于具有高的比强度,比模量,小的线膨胀系数,抗疲劳和阻尼性能良好等优点,广泛地用于航空和航天飞行器结构,如:通讯卫星和应用技术卫星的天线支承桁杆,轴向发动机支架等。

2、现应某航天产品设计需要,要求测试碳纤维复合材料圆管的拉伸,压缩,弯曲及弯剪等性能,同时用三点外伸弯曲法测出弯曲模量和剪切模量。试验按国家标准进行。本文总结性能测试结果,并作了理论分析。2圆管铺层与工艺2.1圆管铺层圆管用T300碳纤维环氧树脂预浸布按下列铺层次序缠绕成的:±45、,世,.4-45,碍,.4-450/.4-45。,心,4-45。,瞥,.4-450共16层,舻铺层4层,45。铺层12层,每层厚0.15mm,树脂含量为38.40%圆管内径q4.5“o。外径唾60-o2.2成型工艺碳纤维T300的性能和ST350环氧树脂的性能列于表1表1原材料性能用碳纤维环氧树脂预浸布按上述

3、铺层次序缠绕成圆管后,其固化工艺如下室温i塑当100n(:/30min i竺唑,150/120min然后随炉冷却至40。C,出炉,卸压,脱模成圆管产品。2.3密度用体积质量法,测出圆管的密度,如表2所示。7袁2碳纤雏复合材料圆管密度2.4树脂含量及纤维体积含量用实测密度1.4519/cm3及上述原材料性能,计算出树脂含量A为53.4%,可见比预浸布的树脂含量高,同样说明复合材料圆管有空隙率“,当以5%空隙率计算时,得树脂含量为39.o%,这与预浸布的树脂含量符合,以下以40%树脂含量计算,经计算得纤维体积含量为48.7%。3性能测试结果圆管拉伸性能按GB5349进行测试;圆管压缩性能按GB53

4、50进行测试;圆管弯曲性能,按“玻璃钢”1973N(3所介绍的试验方法进行测试。圆管三点外伸弯曲参照GB/T1456进行测试,测出圆管的弯曲模量和剪切模量。表3圃管力学性能测试结果注:弯剪采用四点短粱弯剪,测出圆管的弯剪强度.弯曲项中的r是剪切应力。4性能理论分析4.1圆管拉伸性能分析4.1.1圆管拉伸模量分析O崤层复合材料纵向拉伸弹性模量符合混合律,用上述原材料性能及纤维体积含量,计算得拉伸性模量为:EL=VfEf+E。(1一Vf=109GPa(1 Oo铺层复合材料横向拉伸弹性模量为:ET:E。=10.2GPa(2正交铺设复合材料经纬向的弹性模量为:El=E2=1/2EL+1/2Er=59.

5、6GPa(3 45。方向的弹性模量为:F.E452瓦i玎瓦万i专i瓜西i谲2175GPa(4式中的卢J取0.15,G12按下计算:c,:-Gm糌-s一00G,a(5复合材料圆管的拉伸弹性模量按其O。铺层和45。铺层之比,其平均弹性模量为8E:EL X no/n+E45×r145/n=40.3GPa式中no,n4,n分别为oo铺层,45噜目层及总铺层数。由此可见,实测值与理论结算值很符合。4.1.2圆管拉伸强度分析碳纤维复合材料圆管若铺层间粘结良好,能整体作用的话,圆管拉伸强度理论值为:口=口L×nO/n+d45×rt45/n(7式中乱,当略去树脂对拉伸强度的影响时

6、为:d=V,×aft.1713MPa (8。J。0"45是由树脂剪切强度控制,一般为”j:0"45=80MPa把口,O"45代入式(4.7后得:口=488MPa试验中往往发现45。层先破坏,然后分层,若略去45。层的作用时,管子的拉伸理论强度应为:d=428MPa由此可见,实侧值远未达到理论值,这有两个原因:一是材料工艺质量上的原因,层间粘结性能欠佳,在试验过程发生分层,使复合材料管壁没有起整体作用,特别是层数较多时;第二是试验上的原因,管子两端夹头,是用玻璃钢包缠金属夹头,再连接金属拉伸夹头,拉伸力是由包缠的玻璃钢靠胶接力传到碳纤维复合材料管子上的,这

7、有一个由外层向内层传递的过程,势必在复合材料层间产生较大的传递剪应力,而碳纤维复合材料层问粘结力没有普通玻璃钢高,因此,经常发生分层破坏,这有待于改进管子拉伸夹头。对于直径较大的圆管,圆管整体拉伸,很难达到整体破坏。对此,只能分割管子进行条状试样拉伸试验。4.2圆管压缩性能分析4.2.1圆管压缩模量分析与4.1.1节一样分析,从表3可见,实测值与理论值很符合。4.2.2圆管压缩强度分析复合材料的压缩强度与树脂性能,界面有很大关系,同样的增强纤维,复合材料的压缩随着所选树脂品种及成型工艺不同有很大的不同,碳纤维复合材料的压缩强度更是如此。复合材料压缩强度与各因素的关系有待进一步分析。由不同铺层复

8、合的圆管压缩强度更有待进一步的分析。4.3圆管弯曲性能分析4.3.1圆管弯曲模量分析复合材料圆管的弯曲模量分析,当圆管是正圆,管壁是均匀时,模量的理论值用4.1.1节的分析。三点弯曲试验测得的弯曲模量较低,是因剪切变形之故。用已消除剪切变形影响的三点外伸弯曲方法测得的弯曲模量与理论值就很一致。4.3.2圆管弯曲剪切模量分析O噜层及正交铺层的经纬向碳纤维复合材料的剪切模量为(同式(4.519V.GLT=G12=Gm手2=5.00GPa正交铺层45。方向的剪切模量G45为:9G45=赫2259GPa(9与圆管的同样铺层的复合材料平板的剪切模量为:G=GI.Tn。/n+G45m5/n=20.6GPa

9、(10薄壁圆管扭转是纯剪切,与平板纯剪切一样。因此,按上述铺层的圆管的扭转剪切模量为20.6GPa,是比较高,可见碳纤维复合材料圆管有较大的扭转刚度。至于圆管弯曲的剪切模量,与上述不同。圆管的弯曲剪切模量是参照GBl456,用三点外伸弯曲法测试的。圆管弯曲剪切模量理论分析较为复杂,因为管子承受横向弯曲时,管壁上要承受垂直方向(即是加力方向的剪切应力r,而这剪切应力可以分解为二个分剪切应力,一个是沿管壁切线方向的剪切应力vsin0,这剪切应力对管壁的作用相当于复台材料的面向剪切;另一个是垂直管壁(即垂直复合材料铺层方向的剪切应力rcosO。前者剪切应力产生的剪切变形与复合材料面内剪切模量有关,后

10、者剪切应力产生的剪切变形与复合材料层间剪切模量有关。圆管的弯曲剪切模量是与二个剪应力产生的剪切应变有关,即与复合材料的面内剪切模量和层间剪切模量有关。要理论上分析弯曲剪切模量,除上述面内剪切模量外,还应理论上分析层间剪切模量,经研究分析,理论上估算复合材料层间剪切模量的最简便公式,为(当树脂含量较大时:CG13=%。巧卉爰石(11当Vf Gm/Gf较小时,可略去,则可简化为:G13=G23=铲(12计算结果为:G13=G23=2.53GPa由此可觅,比c LT'G,2小得多,已被实验所证实。圆管弯曲剪切模量是式(4.10与式(4.12的组合,理论分析见文献4,理论计算结果为8。63GP

11、a,与实测值8.46GPa,是很相符合的,由此可见,圆管的弯曲剪切模量比扭转剪切模量小得多,在管子设计时应重视。4.3.3圆管弯曲强度分析圆管是薄壁的,不发生管壁弯曲失稳情况下,理论分析近似同4.1.2,适当应考虑尺寸影响,因管壁弯曲时,仅局部地区应力达到最大,理论的弯曲强度应比式(4.7计算的略大,实测值513MPa,理论值488MPa,这是符合实际情况的,理论估算公式及估算值可以应用到管子弯曲强度设计。4.4圆管弯剪强度分析圆管弯曲受剪时,其剪切应力是很复杂的,有沿管壁切向剪应力,还有垂直管壁的层间剪应力,剪应力的大小分布不均匀,管子中性层两侧管壁的切向剪应力为最大,此剪切应力相当于复合材

12、料平板的面内剪切强度为7080MPa,沿45。方向的面内剪切强度为130。160MPa。对于单向碳纤维复合材料,纵横向的剪切强度为2040MPa。用与上述圆管一样的铺层,其剪切强度为:取TLT为30MPa,2"45为140MPa,计算结果为rB=112MPa。圆管的弯剪的理论剪切强度,按上述计算为112MPa。由此可见,实测值103MPa是与理论值很符合的。5结语从上述理论分析可以看出,碳纤维复合材料圆管的拉,压,弯,剪性能,其中弹性模量实测值与理论值很符合。强度方面:弯曲强度,剪切强度,实测值与理论值很符合,仅拉伸强度和压缩强度比理论值低,特别是拉伸强度,这有待今后改进夹具,进一步

13、试验研究。至于压缩强度有待理论上进一步研究。文中提出的管子性能数据可供产品设计使用,文中提示的理论公式更具有普遍性,可以用于圆管产品的设计。参考文献1周祝林等碳纤维复合材料方管的性能研究报告玻璃钢/复合材料,1998(3:14172周祝林等高模量碳纤维复合材料平板及管子性能分析.玻璃钢,1997(3:i93周祝林等纤维复合材料设计简论.纤维复合材料,1995,41554周祝林等碳纤维复合材料圆管的扭转剪切模量和弯曲剪切模量对比分析玻璃钢,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