Page 19 - 机械工程材料2024年第十一期

龚 芹，等：高温下碳纤维复合材料动态力学性能及相关失效准则的研究进展

过程仅表现为线性，直至材料失效；此外，模量也存 忠等 ［19］ 在对T700碳纤维束进行应变速率为1 500，
在差异，压缩模量远大于拉伸模量。这些研究结果 2 000，3 000 s −1 的动态拉伸试验时也有类似发现，
均反映了碳纤维复合材料的拉压不对称性，这种拉 同时指出虽然碳纤维本质上为应变速率不敏感材
压性能的显著差异使得对碳纤维复合材料的失效分 料，但纤维断口随着应变速率的增加变得更加光滑，
析具有极高的难度。 反映出其力学性能在不同应变速率下仍存在差异。
1.2 应变速率效应 ZHANG等 ［20］ 在不同应变速率下对单向和平纹碳纤
由于航天飞机在动态环境中服役，作为其内部 维复合材料层合板进行拉伸试验，发现存在临界应
结构材料的碳纤维复合材料也承受着动态载荷作 变速率，分别为20，30 s −1 。当应变速率小于临界值
用，如不同应变速率下的拉伸、压缩和剪切等。因此， 时，材料力学性能的应变速率依赖性不明显；超过临
了解该材料应变速率相关的力学性能对于实际应用 界值时，抗拉强度、弹性模量和破坏应变随应变速率
具有重要意义。碳纤维复合材料在不同应变速率下 的增加而呈现出线性增长趋势。平纹碳纤维复合材
的力学响应可以使用各种测试装置进行测试，如常 料的抗拉强度对应变速率更敏感，分析认为是经纱
规的十字头装置、液压装置、落锤冲击系统和霍普金 方向上加入纤维导致的。LI等 ［21］ 对经纹和平纹碳/
森压杆系统等 ［17］ ，已有研究如表1所示。 环氧复合材料拉伸和压缩的应变速率效应进行研
表1 不同碳纤维复合材料在不同应变速率下的 究，发现：在拉伸试验中，两种复合材料均存在应变
力学性能测试设备及方法 速率效应；在压缩试验中，经纹织物的抗压强度表现
Table 1 Equipment and method for testing properties of 出较弱的应变速率效应，而平纹织物的抗压强度没
different carbon fiber composites at different strain rates 有明显的应变速率效应。碳纤维复合材料在不同应
材料 测试装置 加载方式 应变速率/s −1 变速率拉伸时表现出明显的应变速率效应，应变速
杆-杆拉伸冲击仪 10 −3 ~1 300
T700碳纤 率效应与应变速率范围、材料的结构和纤维方向密
拉伸
维束 [18-19] 霍普金森压杆系统 1 500~3 000 切相关。
伺服液压高速 4×10 −4 ~160 相较于优异的拉伸性能，碳纤维复合材料在使
拉伸
试验机 6.66×10 −4 ~87.4 役过程中容易发生压缩破坏，因此在不同应变速率
1 281~2 310 下的压缩力学性能研究至关重要。PLOECKL等 ［22］
霍普金森压杆系统 拉伸
0.1~150 提出了一种改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）测
碳/环氧树
落锤 拉伸 25~200 试方法，采用该方法分析了碳/环氧树脂复合材料
脂 [20-24,28,30,33-34]
221~1 337 在不同应变速率下的纵向压缩行为，发现随着应变
压缩 100 速率的增加，该材料的抗压强度从静态的1 454 MPa
霍普金森压杆系统
82~817 提升到了100 s −1 下的2 008 MPa。HOSUR等 ［23］ 研
剪切 1 415~3 601 究了碳/环氧单向层合板在静态和应变速率为82，
单向碳/双马来 伺服液压高速 164，817 s −1 下的压缩响应，发现：与静态压缩相比，
面内剪切 10 −3
酰亚胺树脂 [26] 试验机
沿0°方向加载时动态压缩的抗压强度高7%~26%，
万能试验机、 10 −4 ~6×10 3 刚度高2~3倍，沿90°方向加载时动态压缩的抗压强
碳/碳化硅 [32,36] 压缩
霍普金森压杆系统 10 −3 ~1 300
度高0.6%~25%，刚度高25%~50%。碳纤维复合
碳/聚酰胺 万能试验机、 材料在不同应变速率压缩时表现出明显的应变速率
拉伸 2×10 −4 ~800
树脂 [35] 霍普金森压杆系统
效应，且材料性能高度依赖于纤维方向。
碳纤维复合材料作为纤维复合材料，主要的 应变速率对碳纤维复合材料剪切性能的影响相
承载材料为碳纤维，服役时其主要承受拉伸载荷。 对较弱。采用现有的试验装置进行动态剪切试验
ZHOU等 ［18］ 对T700 碳纤维束进行准静态和高应 存在一定的难度，设计一种能有效测试碳纤维复合
变速率拉伸试验，得到了应变速率范围为 0.001~ 材料动态剪切性能的方法是十分必要的。HOSUR
1 300 s −1 的完整应力-应变曲线，发现在试验条件 等 ［24］ 采用一种改进的SHPB装置对碳/环氧复合材
下，T700 碳纤维的极限强度和破坏应变几乎不受 料进行动态剪切试验，发现该材料的剪切强度随着
应变速率影响，可视为应变速率不敏感材料。孙宝 应变速率的增加而增大。HILEY等 ［25］ 使用SHPB

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