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温度对CF/PPS层压板冲击实验的实际影响

发表时间:2024-04-09 13:24:39  作者:超级管理员 阅读数:107

  热塑性碳纤维因其更好的抗冲击性、可重塑性等优势,被认为未来会取代热固性碳纤维,成为航空航天等领域中不可或缺的高性能复合材料。然而热塑性碳纤维复合材料的制备难度较高,而且对此类复合材料的性能测试并不全面,因此想要充分且成熟的将之推广应用到更多领域,还需要时间和技术的沉淀。本文将结合专业论文,介绍温度因素对热塑性碳纤维复合材料在模拟冲击环境下的影响。

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  利用冲击测试仪等工具对CF/PPS层压板进行相关测试

  使用冲击测试仪和传感器中获得的冲击参数包括时间、力、能量、位移和速度等,利用“力-位移”与“能量-时间”的关系图可以测试CF/PPS层压板样品的刚度、最大冲击力、最大位移、冲击能量、吸收能量等数据效果。分别在不同温度(室温、95℃和125℃),不同冲击能量(5J、15J、25J和35J)下进行多组对照测试,明确不同条件下CF/PPS层压板在冲击行为下,是否出现损伤、损伤模式、冲击形成的表面压痕大小和深度等,通过实测数据和结果,尽可能还原冲击环境下热塑性碳纤维复合材料制品受温度影响的真实情况。

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  温度对CF/PPS层压板冲击实验的影响主要分为5个方面

  1、温度对CF/PPS层压板冲击响应的影响:在冲击能量较高(25J以上)的状态下,高温比室温更容易产生冲击引起的损伤,这是因为高温引发基体软化,而且引起了传播韧性。相同冲击能状态下,温度越高,CF/PPS层压板吸收能越低,引发的冲击损伤越小;而在相同温度下,冲击能量越高,发生冲击损伤的程度越高。另外冲击损伤发生后,最大冲击力Fmax并不是随着温度的升高而降低,而是在95℃和125℃时均呈现高于室温的结果,尤其是在95℃时达到最高,这是因为CF/PPS的玻璃化转变温度为105℃,95℃时进入临界过度状态,有助于获得更好的复合材料阻力。

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  2、温度对CF/PPS层压板永久压痕的影响:永久压痕作为通常以层合板目视可检损伤(BVID)作为判断标准,而碳纤维复合材料中的树脂对于温度因素较为敏感,实验采取对CF/PPS层压板冲击后松弛48小时后的凹痕深度进行测量。实验表明,在相同冲击能状态下,温度越高,凹痕深度越深,另外已知CF/PPS层压板等玻璃化转变温度为105℃,实验发现95℃和125℃状态下,对比室温状态的凹痕深度,125℃的凹痕深度提升幅度更大。实验还发现,冲击能量25J的凹痕增加幅度小于冲击能量15J,这是因为温度提升会减弱冲击能量对冲击效果的影响。

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  3、温度对CF/PPS层压板外部损伤的影响:冲击能量为15J的状态下,室温下CF/PPS层压板受冲击后正反两面的损伤并不严重,损伤模式为少量纤维断裂、正面基体裂纹、纤维拉出和背面基体裂纹;在95℃下,CF/PPS层压板发生玻璃化转变,正面的纤维以韧性方式断裂,且基体有塑性变形和扭结带,背面纤维分裂更明显,但纤维断裂和基体裂纹反而更小;在125℃下,CF/PPS层压板正面基体变软,纤维交叉处塑性变形和纤维断裂更明显,但由于富树脂区域的存在,裂纹无法传播,背面有明显纤维断裂和分裂的情况,其中翘曲纤维的弯曲应力超过自身承受极限,损伤较95℃样本更严重一些,但较室温样品更轻微一些。

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  当冲击能量提升至25J后,CF/PPS层压板的损伤程度更严重,而且损伤模式更复杂。在室温状态下,正面有大量纤维断裂和基体开裂,背面有纤维分裂、纤维断裂、纤维拉出、基体开裂和纤维基体脱粘;但随着温度提升,层压板出现塑性变形和扭结带,整体损伤较室温样品更轻微,但研究发现95℃和125℃的样品的损伤明显沿横向传播,0°和90°方向的翘曲纤维承受较大应力,发生更明显的塑性变形。

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  4、温度对CF/PPS层压板冲击损伤分层面积的影响:在任何温度下,25J冲击能量下的分层面积都大于15J冲击能量下的分层面积,而在相同冲击能量下,温度越高,分层面积越小。15J冲击能量下,95°C和125°C时的分层面积值分别降低了43.31%和57.45%;而25J冲击能量下,95°C和125°C时的分层面积值分别降低了21.98%和31.73%。对比15J和25J两组冲击能量样品,冲击能量低的一组,温度对分层面积有更好的抑制作用。

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  5、温度对CF/PPS层压板内部损伤的影响:冲击能量15J状态下,室温下[±45]层的平面外剪切纤维束中可发现45°基质裂纹,冲击侧附近的[0,90]层的卷曲附近产生纤维基体脱粘,脱粘裂纹沿着编织模式传播,并由于纤维桥接机制而被阻止,在未受冲击侧附近的[±45]层中也很少观察到层内裂纹;95℃下在[±45]层平面外剪切纤维束和树脂丰富的区域都可以观察到裂纹,其主要原因是由于基体的延性增强,导致复合材料在冲击器下靠近非冲击侧的区域发生塑性变形;125℃下,在[±45]、[0,90]层平面外剪切纤维束和树脂丰富的区域可以看到许多基体裂纹,受冲击侧附近的裂纹方向为45°,而非受冲击侧附近的裂纹方向接近90°,表明非受冲击侧附近有明显的塑性变形。

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  冲击能量提升至25J后,内部冲击损伤更多更明显,而损伤模式与15J状态类似。温度对CF/PPS复合材料冲击破坏机理的影响可以确定为基体的塑性变形、层间断裂韧性的增加及其与富树脂区的耦合效应、特定结构引起的纤维桥接和应力集中。

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  热塑性碳纤维被认为有望取代热固性碳纤维,主要是该类型复合材料有可能凭借其可重塑的特点,实现未来碳纤维产业智能化升级,以及产业闭环的需求。智上新材料认为,未来的碳纤维行业的发展,将会以连续碳纤维和高性能热塑性基体作为重要的因素,从产能和回收这2个方面不断完善现有碳纤维产业,通过对高端和民用2个方向的大力发展,实现一个技术成熟、性能成熟和产业成熟的碳纤维工业结构体。


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