（1）材質缺陷對性能的影響

 

　　碳纖維增強樹脂基復合材料的制備工藝較為復雜，通常會形成孔隙、夾雜和裂紋等缺陷，特別是孔隙的存在，會大大降低復合材料的力學性能和使用性能。 有研究對不同孔隙率的碳纖維增強環氧樹脂材料層合板進行了力學性能測試，試驗結果表明，在孔隙率含量為0.33%、0.71%和1.5%的層合板中，隨著孔隙率的增加，織物碳纖維增強環氧樹脂層合板的拉伸強度呈下降趨勢，如表1所示。

 

　　表1 不同孔隙率層合板拉伸強度試驗值與仿真值

 

　　

 

　　除了孔隙外，碳纖維鋪層的褶皺，即纖維波紋對復合材料的力學性能也存在較大的影響，褶皺屬于制作過程中的工藝缺陷，對材料具有力學性能的負面作用，有研究對兩種波紋度不同的碳纖維復合材料進行了疲勞力學試驗，材料的微觀形貌如圖1所示，結果表明，當載荷循環中有拉伸部分時，這兩種纖維波紋的材料都對疲勞載荷有敏感度，在兩種疲勞載荷條件下，波紋度更高的C630材料的疲勞壽命更下，對疲勞載荷的敏感度也更高，與C380材料相比，C630出現更大范圍的纖維束斷裂和分層。

 

　　

 

　　圖1 褶皺下材料C630和C380的微觀形態

 

　　（2）溫度和濕度對性能的影響

 

　　影響碳纖維增強復合材料力學性能的因素除了材料的增強工藝和材料本身缺陷外，制作過程中的濕熱環境對復合材料的力學性能也存在較大的影響。濕熱環境對復合材料力學性能的影響一直是材料研制人員所關注的重點問題之一。有研究對干態和濕態下的碳纖維復合材料層合板進行了力學行為分析，發現濕態工況在拉伸強度方面對碳纖維材料的性能影響較為顯著，而彈性模量，應變數值衰減不明顯，經過掃描電鏡的分析，如圖2所示，可見老化后的斷口和裂口的氧化物，可看出，水分的滲入會導致基體發生老化現象，纖維與基體界面降解是導致基體失效的主要原因，這最終會導致層壓板的強度降低。

 

　

 

　　圖2 （a）CP16原始拉伸斷裂面（b）老化后CP16斷裂面（c）老化CP8斷裂面（d）老化CP8裂紋口的氧化物

 

　　有研究表明，兩種復合材料M-A（國產碳纖維復合材料）和M-T800H（東麗纖維復合材料）在高溫濕態條件下的基本力學性能，如圖所示，可見，在溫度和濕度的共同作用下兩種復合材料層間剪切強度和90°拉伸強度明顯下降，例如，M-A復合材料的層間剪切強度從105MPa降至54MPa，層間剪切強度保持率在51.4%，M-A復合材料的拉伸強度從62.4MPa降至26.4MPa，其拉伸強度保持率在42.3%,研究者分析，出現這種結果的原因是：在溫度和濕度的共同作用下，一方面吸濕會使樹脂基體中的高分子鏈被打斷，另一方面溫度的升高又使得高分子鏈具有更高的能量而變得不溫度，其變化機理是水分子進入基體后通過溶脹作用使基體發生增塑，使樹脂性能進一步降低，因此，在濕熱條件下復合材料界面性能下降明顯，對材料拉伸強度的影響大于對剪切強度的影響。

 

　　

 

　　圖3 復合材料的濕熱性能

 

　　有研究對碳纖維增強聚丙烯基的性能進行研究，研究結果表明，不同碳纖維對復合材料的力學性能影響如圖所示，隨著碳纖維質量分數的增加，復合材料的沖擊強度，拉伸強度和彎曲強度均有先增后降的趨勢，當碳纖維質量分數在14%左右時，復合材料所承受的沖擊強度出現了峰值，當碳纖維質量分數在18.75%左右時，復合材料所承受的拉伸強度和彎曲相處出現了峰值，當碳纖維含量再次增加時，復合材料的沖擊強度和拉伸強度幾乎呈直線下降，而彎曲強度下降得比較緩慢，當碳纖維質量分數為28%時，碳纖維復合材料的沖擊強度和彎曲強度均達到低谷，而后又有回升的趨勢。性能出現拐點與材料本身有一定的關系，可以這樣解釋：前期拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度的提升是因為碳纖維的加入增加了復合材料的傳遞應力，后期的明顯下降與樹脂基體和碳纖維的界面性能相關，當碳纖維在一定范圍內時二者的界面性能會表現良好，而當碳纖維含量超過一定值時，碳纖維會出現團聚現象，因此，性能會出現明顯的下降，而隨著碳纖維含量的進一步提升，碳纖維之間會發生堆積纏繞現象，這會使性能進一步提升。

 

　　

 

　　圖4 材料的拉伸強度、沖擊強度及彎曲強度

 

　　碳纖維復合材料的性能與溫度有顯著的關系，有研究溫度對碳纖維增強環氧樹脂復合材料性能的影響。試驗結果如表2-表4所示，可見，在相同溫度下，各個試樣的拉伸性能和壓縮性能基本保持一致，而隨著溫度的降低，復合材料的拉伸性能和壓縮性能均得到了提升。

 

　　

 

　　表2 71℃力學性能測試結果

 

　　

 

　　表3 25℃力學性能測試結果

 

　　

 

　　表4 -54℃力學性能測試結果

 

　　圖5為不同溫度下的拉伸試樣斷口的掃描電鏡圖片，如圖所示，拉伸試驗時，室溫斷口有少量絮狀樹脂，樹脂形態保存比較完整，有少部分碳纖維脫離樹脂的包裹，碳纖維整體拔出產生的孔洞幾乎不存在，而在71℃高溫環境下斷口處絮狀樹脂明顯多于室溫情況，縫隙與孔洞比室溫明顯增多，這表明溫度上升樹脂會因受熱軟化從而造成樹脂和纖維界面結合弱化，樹脂從纖維上脫落，對界面造成損傷，在低溫下-54℃時，纖維表面的樹脂附著高于室溫，低溫情況下，樹脂分子間的間距變小，作用力變大，樹脂與試樣的纖維粘結狀態較好。試樣的失效主要是纖維與樹脂基體剝離，纖維達到拉伸極限后斷裂導致。

 

　　

 

　　圖5 掃描電鏡分析圖

 

　　（3）應變率對性能的影響

 

　　碳纖維復合材料在高應變率下力學響應和失效模式與靜態時的不同，有研究對碳纖維復合材料不同應變率下的力學響應和失效進行分析，如圖6所示，應變率為3866s-1和6484s-1時的應力-應變曲線對比結果表明，試樣的壓縮強度和失效應變的應變率效應非常明顯，且缺陷相關的強度減小量已不足以掩蓋如此顯著的應變率強化效應，當應變率大于1832s-1時，應力-應變取芯中可以觀察到明顯的二次加載現象，圖6b為完全失效工況下的應變率變化曲線，從中可以觀察到應變率在試樣失效后再次上升，且不會在卸載時下降為負值，試樣發生完全失效，沒有回彈過程。

 

　　

 

　　圖6(a)應力-應變曲線，（b）應變率-應變曲線