碳纤维复合材料圆管性能研究

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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

2、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。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

3、为38．40％圆管内径q)4．5“o。外径唾60-o∞2．2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铺层次序缠绕成圆管后，其固化工艺如下室温i塑当100n(：：／30mini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

4、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GB5350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

5、．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=59．6GPa(3)45。方向的弹性模量为：F．E452瓦i玎瓦万i专i瓜西i谲217·5GPa(4)式中的卢J取0．15，G12按下计算：c，：-Gm糌-s一00G，a复合材料圆管的

6、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8(5)E：ELXno／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

7、￡，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

8、，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