复合材料制造工艺对压缩性能的影响
日期：2023-08-16
来源：碳纤维及其复合材料技术 作者：钱鑫 浏览：
122 评论：0 核心提示：复合材料制造工艺对压缩性能的影响碳纤维增强聚合物基复合材料的压缩刚度和强度也取决于制造方法，无论是通过高压釜固化还是高压
碳纤维增强聚合物基复合材料的压缩刚度和强度也取决于制造方法，无论是通过高压釜固化还是高压釜外（OoA）方法。基于高压釜的制造技术通过高压（例如>620 KPa）和高温下在大型压力容器（高压釜）内固化碳纤维预浸层来制备复合材料的方法，预浸料层中含预浸渍B级固化树脂。
OoA制造技术的大致过程如下：（a）使用真空将树脂注入干燥的预成型件中，然后在各种压力和温度下固化，以及（b）在不使用高压釜的情况下形成和固化含有浸渍树脂的碳纤维预成型件。OoA成型工艺主要包括拉挤成型、树脂灌注、树脂传递模塑（RTM）、热成型、湿铺、液体压缩模塑等。
事实上，决定压缩性能的关键参数包括（i）连续或不连续形式的碳纤维是如何预成型的，（ii）预成型体的结构或堆叠顺序，以及（iii）用于将聚合物基质注入纤维预成型体上的方法。
图5：（a）压缩模量与拉伸模量的性能关系；（b）商用碳纤维/环氧树脂复合材料的压缩强度与拉伸强度的性能关系图5和图6显示了基于不同制造工艺和层压设计（例如单向、平纹、斜纹和缎纹）的碳纤维增强聚合物基复合材料的压缩和拉伸性能关系的对比。值得注意的是，对于指定的纤维体积分数（FVF），性能没有归一化，因为图5和图6中所示的数据来自含有介于50%和60%之间的FVF的复合材料。当比较拉伸-压缩刚度关系时，假设两者存在线性相关关系（图5a），无论采用何种制造方法或使用的预制件，拉伸模量将比压缩模量大0%（即等于）至20%。
图6 商用碳纤维增强环氧树脂基复合材料的压缩强度与拉伸模量性能的关系如图5b所示，拉伸强度和压缩强度之间的线性关系不太明显。对于编织复合材料，拉伸强度比压缩强度大0%至60%。然而，对于单向复合材料，拉伸强度比压缩强度高30%至120%。这可能与碳纤维的拉伸-压缩性能关系相关。
在图6中复合材料的拉伸模量和压缩强度之间的关系更不是线性关系。值得注意的是，与具有介于120GPa至190GPa之间的中间模量的复合材料相比，具有200GPa及以上拉伸模量的单向复合材料（近似于含有高模量碳纤维的复合材料）的压缩强度要低30%。
采用的制造方法也会导致压缩强度发生变化（如图6所示）。使用高压釜制造的复合材料与使用非高压釜制造方法（如拉挤成型、树脂注入和高压OoA固化）制造的复合材料相比，压缩强度至少要高出20%。显然，与拉伸性能相比，这些制造过程中引入的其他外在因素（如空隙、纤维位错等缺陷）会显著降低单向复合材料的压缩性能。事实上，包含编织结构（即平纹、斜纹和缎纹）和准各向同性堆叠顺序的层压板设计表现出比单向结构更低的拉伸和压缩性能。这是由于沿加载方向排列的纤维的局部体积较低，以及在机织复合材料中观察到的固有纤维卷曲有关。
从预成型或编织过程中引入的纤维卷曲可以使丝束内的纤维发生移动。为了最大限度地减少卷曲程度，宜采用了缎面编织、铺束和无卷曲编织设计。由纤维卷曲引起的关键工艺缺陷是纤维位错。
