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碳纤维增强树脂基复合材料抗冲击性能的改进方法


 

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料 

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1  

FI BER  COMP OSI ES T  

D c. 1 9   e ,9 9

基础研 究 

① 

碳 维 强 脂 复 材  纤 增 树 基 合 料
抗 冲 击 性 能 的 改 进 方 法 
张 宝艳  陈祥 宝
— — — 一 — — — — 一  

李 萍 

(航 料 院0) 北 空 研 ,0 京 材 究 15 0  9

T; 7    、 f 2 岁  

摘  耍  本文描述了影响碳纤维增强热固性树脂基复合材料 (FC 抗冲击性能的主要因素,评  CR )
述 了各种提 高 CR 冲击后的 剩余压缩强 度(A ) FC c I的技术措 施 ,着重强 调 了几种主 要的技术方 法 。  

关键词

碳纤维增强复合材料,抗冲击性能,韧性 
_ —   — — _ _ _ _ - 一 。 —   —   。 — 一 - _ - - - 一 -   一 、 _ —   一  

AB STRACT T e a tr ta f cigtei a t rp re f ab nf e  ifre   emoet g   h  c sht f t     f o   a e n h mp c po et s   ro  b r e ocdt r stn    i oc i rn h i
rsnmarxc mp stsCF e i  t  o o i ( RC) r e c b di  i a rV ro smeh d   ri r vn   ec mp e so   i e aed s r e   t sp p . ai u  to sf   i nh e o mpo igt  o rsi n h srn t f r mp c( t ghat   a tCAI o   RC r lods u s da ds v rl i  to sa  o ne   u mp a i e ei )f CF aeas  ic s e  n  e e a  nmeh  r p itd o t ma d e e h t  —
c ly  a l.

先进树脂基 复合材料 以轻 质 、高 比强 度 、高 比模 

量及性 能可设计 性等成 为发展中的高技 术材料 。在航  空领域 内 , 碳纤维 增强热 固性 树脂 基复合材料 ( F C  CR )
已广泛地应用 。但是 ,C R 在遭 受冲 击后 容易引起损  FC

了深入 的描述 。 归纳 起来 , 高 CR 抗 冲击性 能的 各  提 FC 种技术措施 基本上 都是围绕 树脂基体 、 碳纤维 增强体 
种类与性 质 、 纤维 与基体 的界 面以及层 间相 等四个 方  面展开 。 文的 目的 就是针对影 响C I 本 A 的各种 因素 , 来 
了解提 高 C R 抗 冲击韧性 的各种技 术方法 。 FC  

伤 ,比如在制备 、装配 和使用等 过程 中遭 受的低速 冲  击 ,这类 冲击在 材料 表面虽引起的 损伤较 小 。 至往  甚 往 观测 不到 . 但在 材料 内部 却 引起了较严 重 的分层 ,   并引起复合材料 力学性能较 大幅度地降 低 ,尤其是 冲  击后的剩余压缩 强度 ( A ) 显降 低 ,复合材料的抗  CI 明 冲击损 伤和损伤 容限 愈来愈成 为其结构 应用中两个 非  常关键问题 。 良的韧性是保证 C R 广泛应用和 发展  优 FC
的关键 。目前 ,国际上愈 来愈倾 向把 C I A 作为表征树 

1 树脂基体 
树脂 基复合材料抗 低速 冲击能力在 很大程度 上取  决于树 脂的韧性 。 冲击事 件发生时 ,树 脂具有 发生  在 大塑性形变能力对于获得高抗损伤能 力是非常必要的 。   对于热 固性树脂 基体 来说 ,其增 韧改1 生的基本措施 非  常相近 ,主要有 以下方法 。   1 1 降低 交联密 度  . 复 合材料工作者 多数通过 改进 已有树 脂体 系的化  学结构 以达到增 韧改性的 目的 ,如增加 柔性 结构 成分 
或降低 交联密度 等 ,对于环氧和 双马等 先进复合材 料 

脂基 复合材料韧性 的决定性指 标 。 实际 上 , A 是抗 冲  CI 击损 伤和损伤容限 两个独 立现 象的联 合效应 。  
影响复 合材料 C I A 值的 因素很 多,因此 改善复合 

材料抗 冲击性 能的措施很 多 。i等I总结 了 目前 改善  Km   t 】 各种通 用复合材 料断裂韧性 的重要措施 ,a tel} Cnw lI  等 对复合材料 的冲击损 伤和 C I 从不 同的角度进行  A等

树脂基体 来说 ,降低 交联 密度仍 是提高韧性 的有效手 

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料 

段 之一 。一般来说 ,随 着交联 点间分子量的 增加 ,往  往 引起体系耐热性 和刚性降 低 。提高损伤 容限 和耐 热  性 能 ,但不牺牲 某些性 质 ,如玻璃 化温度和模 量等 是  许 多树脂 改性 的重要 目标 。交联 密度主要通 过加入 二  官能度组 分而降 低 ,较高的玻璃化 温度需 引入刚性 聚  合物骨架成 分以获取 ,这两种 作用效果 相反 ,因此在  韧性和玻璃化 温度 间须平衡 。r v n e 等I通过建 立  B aecc j I


因 (l P )等 。为明确增 韧实质 ,国内外 许 多学者正致  t 力于 T 增 韧机理研究 , P 主要结 果如下 : 一是银纹剪切  带机理 ,概括 地说 ,增 韧剂的加 入改变 了热固性树脂  的聚 集态结 构 ,形成 了宏观上均 匀而微 观上两相的结  构 ,这种结 构可有效 地引发银纹 和剪切 带 ,使材料 发  生较 大的形变 ,由于银纹和剪切 带的协 同效应和增 韧  剂颗 粒对 裂纹 的阻碍 作用 ,阻 止裂纹 的进 一步扩展 ,  

个轻度 交联 热固性树脂 ( C ) 构提供 韧性 , 不  LT 结 但

使材料 在破坏前消 耗更 多的能量 ,使 韧性提 高 ,在 T  P 改性 环氧树脂体 系中 , e h r R c e 等  观测 到与 多相结 构 
有 关的树脂韧性 的极 大值 :二是 半互穿网络 【— P ) s IN  1 u,当 T 的用量较 大时 ,通过控制 固化 条件和相畴    . l P 尺寸等 因素 ,使增 韧剂连续 贯穿于热 固性树 脂网络之 
中 ,由于 二者相 互贯穿 ,两相之 间分散性  良好 ,相界 

明显降低最终使 用温 度 。   1 2 翻备微观两相 或多相结构树 脂  . 研究 表明 ,微观 两相结 构 ( 多相结构 )对提 高  或 热固性树 脂基体及 复合材料的 韧性 非常有利 ,产 生微  观两相结 构的措施 主要 有 :  
① 橡 胶 增 韧 热 固性 树 脂 

通过添 加橡胶增 韧改性 环氧树 脂等 已有 大量的研  究报 道 。但由于各体 系的复杂性 以及采用 工艺方法 等  不同 ,所提 出的增韧 机理有所 差异 ,有的甚 至完全相  反 。多数研究认 为 ,橡 胶增 韧 改性 热固性树 脂的主 要  机理 为银纹和 剪切屈服 。 B c n l 等 l 出了异议 , 但 uk a 1 提   其提 供的一 T M E 图虽给 出了环 氧中的银纹 形纤 维状结  构 ,但没能 证明大量银纹 存在 。   橡胶 的化 学结构 、 基活性 、分子 量大小 以及颗  端 粒大小 等对增 韧改性的效 果有重 要影响 ,常用的 改性 

面大 ,又能保持 良好 的耐化学性 和尺寸稳 定性 ,达到  韧性和耐热性 的 良好统 一 ,如牌 号 l 9 0 的改性 B I t 17 G M  树脂就 是一种 s I 树脂 ¨i — P  。   高性 能 1 已经成 为航空 、国防 、电子和 自动材  P 料领域 的越来越 引起 重视的研 究项 目 。I 方法的 一    P 个研 究 目标是把 一个易加 工但呈脆性的 热固性 聚合物  和 一个韧性但加 工困难的 T 合并 。 P 这种 合并可有效 地  发展大量高性能 S IN 其 既具有热 固性 树脂 的加 工  — P, 方法又具有 T 的 良好韧性  。 M 一 1 聚酰 亚胺 树脂  P PR 5 是具有高强度 和刚度的 热固性树 脂 ,但 韧性低 和抗 裂  纹 能力差 。 传统 增韧 P 的方法 是在 P 链上引 进柔性侧  I 1 基 .结果是韧性提 高但 T 降 低 。P t r 提 出采用热  g aeI  l
固脆性 易加工 P 和韧性难 加工 热塑性 P 混 合合成 S   I   I —

橡胶有端 羧丁腈橡胶 ( T N 、端羟 丁腈橡胶 ( T N  CB ) HB )
和聚丙烯 腈 (A )等 。 P  一般认 为 , 橡胶 与基体 发生微  相分 离 ,含活性端羟基 以及较高 的分子量等有 利于提  高树脂 基体的韧性 。S la 和 M G a 等  l 橡胶  u  n t c ry 发现

I\ P ,产物 具有 良好的韧性但 没有明 
性 。  

失 T 和工 艺  g

颗粒 小于 0 1 m时 不能增 韧环 氧 ,而 较 大颗 粒 l .  u 卜 
2 u )的 橡胶可使 G 成倍增 长 。 2m …   近 年来 ,出现 了不少通过种子 乳液聚 合来合成乳  胶 粒子 并增 韧环氧 等热固性树 脂的研 究: I 。这种具  9i - ̄ l 有核 壳结 构的粒 子可 没计性强 ,并且粒 子大小 、粒 径  分布和官能 团种 类等便于控 制 ,易于考察 增韧机理 并  且也具有 良好 的增 韧效果 。   总 体 上讲 ,橡胶 改性热 固性 树脂具有 良好的增 韧 

T 改性 后复合材 料体系的层 间断裂韧性 和损伤 容  P 限可得 到明显改进 ,但通常 以损 失预浸料 工艺性 为代  价 。另外 ,T 增韧热 固性树脂 的增韧机理 目前还 不十  P 分明确 .有 人提 出裂纹钥‘ 制 、共聚机 制和桥联 约  锚机 束敬 虚等㈩ 。 P T 主链结构 、 端基 活性和 分子量 大小等  对树 脂体 系的形 态及复 合材料性 质的影 响等 尚待 进一 
步研 究 。  

效果 ,但 由于橡胶 的耐热性 较低 ,往往 引起改性基体 
及复合材料耐 热性的降 低 。  
② 热 塑性 树 晦 ( P)改 性 I- l T l 1  16

需要说明 的是 , 有些橡胶 或 T 改性 热固性树 脂体  P
系 ,并没有发现其 具有明 显的两相结 构 ,但仍有 良好 

的增 韧效果 , 这主 要是由于 所加入的 T 或橡胶 与基体  P
完 全互溶 ,它们 的加入相 当于提高 了交联点 间的分子 

由于橡胶增 韧往往会使树 脂体 系的耐 热性和模 量 
降低 。近年 来 ,人们开始研究 用耐热性 高而本 身又具  有 一定延展 性的 T 来改性环氧和 双 马树脂 。 P 通过 这一  方法 ,可在基 本上不降低树 脂力学性 能的前提 下实现 

量 ,从而起到 降低交联 密度而提 高韧性的效 果 。  
③ 混 杂 改 性 

添 加刚性颗粒 填料 可使环 氧等体 系的韧性 有较明 

增韧 。目前国内外采用的 1 - P品种主要有聚苯并咪唑 
(B ) P ] 、聚醚砜 (E ) P S 、聚醚酰 亚胺 ( 1e )和聚海  Utm

显的 提高 。常用颗 粒填料 包括铝粉 、 化硅 、二氧化  碳
硅、 玻璃 粉和 T 粉等  i 类刚性 颗粒在 基体 中可引发  P 这

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4期 

张宝 绝等 :碳纤维 增强树脂 基复合材料 抗冲击性能 的改进方 法 

应 力集中 ,提高 剪切屈服 。尽 管橡胶和 刚性颗粒都 能 
促进 基体 剪切屈服 , 但前 者的增韧效果通 常更好些  I 。  

缩作用 时易发生 失稳现象 。 外 , 另 纤维 种类的改变 , 一 

G r i 等{1 出采用混杂复 合材料技术提高连续纤 维  a c a 1提 8 增强 复合材料受 基体控 制的性质 。 在此技 术中 , 颗粒 、   晶须或微纤等 在预浸前 加入基体树脂 中 ,例如 ,添 加 

方面意 味着纤维 的结构和性 质发生 变化 ,另一方面 也  意味 着树脂基体 与纤维增强体 之间的 界面性质将有所 
变化 。  
表 2 碳纤 维种类对 B I I 复合材料 C I 的影响  I A值
碳纤维 种 类   c Il P  、   a  M
23 O    26 0      2 42    

2 体积 含量 SC 须的沥青纤维 / 氧 / i 混 杂复合  % i晶 环 sc 材料 的横 向拉 伸强 度和 延伸率得到 了明显 的提 高 ,当  
sc i 晶须的含量 为 4 ,复合材料的抗 边缘 分层能力    %时
也得到 了提 高 。然而 ,在 晶须一树脂 预浸过程 中造成 

的纤 维 损 伤 明 显 降 低 了 平 面 内纤 维 所 控 制 的 性 能 。  
J n 等I. a g   圳发现加入 颗粒 或陶瓷 晶须的混 杂复合材料  1 9 的抗冲 击能 力有明显 的提高 。   1 3 树脂 含量  . 除树脂 的结 构与性 能对 C R F C的 C I / 值有影响 外 , \   研究认 为 ,树脂含 量的 多少也会对复 合材料的 c 值  .  

2 2 混杂 纤维增强体 【-】 .  23  20

在碳 纤维 / 氧复合材料 体 系中混 入高韧性纤 维  环
可大大提 高其抗冲 击性 能 。影响混 杂纤维复 合材料冲 

击性能的 主要 因素 包括 : 每种纤 维的体 积含量 ; ① ②  叠层顺序 与取 向 ;③纤维 和树脂 的相关性 质 ; 层间  ④
强 度 ; 孔隙或其它缺 陷    很 多研 究I    t 通过采用玻 璃 、 r m  k va 、 / a i e l r 聚  \ d、 酯和 尼龙纤维 混杂的 方法来提 高 C R 的冲击性能 。 FC 最  近研 究发现 高强度 P 纤维 可明显提 高碳 纤维 / 氧复  E 环

产生影响 ,以某一 改性 B IT0 复 合材料体 系为例 , M/ 30  
树脂 含量 对该体 系C I A 值的影响 见表 1 1 树脂 含量对   。 jr 2   复合材料 的 C I 影响较 大 ,树脂 含量太高或 太低对  A值

提 高c 1 A 值不 利 , 一般 认为树脂 体积 含量为 3% 7 左右时 
可获得较 高的 C I 。 A值  
表 1 钳膳含量对改性 B /30   l T0 复合材料 C I f A 值的影响 
树脂体积 含量 (    )
32 3   —6 37 ,0 一1  4 4  0— j
15 8  21   J 1_ 9 

合材料吸 收冲击能量 的能力 

I 。随着高延展 性轻质 

的超高 分子量 P 纤维的 发展 , E 在脆性 碳纤维 中混杂 P! f   纤维 得到 了广泛的研 究 。  

Jn I  出 , a g ’旨   吸收能和 最大载荷随 P 纤维 含量的  E 增 加而增 大 。 了在相 对高速和 低温下进 行冲击 .没  除 有发现 含有 三层 以上 P 纤 维织物 的叠层 板被冲穿 。 E 混  杂纤 维 复合材料叠层板 的抗冲穿性 能受纤维 的强度和 
延展性控 制 c 含有铬酸处理 过的 P 纤维 复合材料强度  E

}: t 成型工艺 : 0 /m]o /h20 /-h成型压力为0 .l   - . 1 。 2 - 。 2+0 ̄ 46 ; 5c sC C . BP   a

比未处理 的复合材料低 很 多,特别 是在高冲 击能时 更 

2 增强体 的 类型与性 质   
2 1 单 向碳 纤维的种类 与性质  . 对于航 空用 C R 来 说 , FC 所采用的纤 维品种 十分有 
限 ,国内常用的纤维 主要有碳纤维 T 0 A 4和 T 0  3 0、 S 80 等, 最近也采用 T O 0 T O 等 ,并且 都来源于进 口 。 I0 和 T 0  

明显 。在给 定的冲击能量 水平 下 ,处理过的纤维 比未  处理的纤维 易遭受更 大的局部 损伤 ,这反过 来对叠层  板携 带载荷 的能力具有有 害 影响 。堆 叠顺序也是 一个  很 重要的 参数 :苫不考虑载荷 方 向 ,非对称混 杂构形  式 比交替铺 叠形式具有较好 的吸收 能量和忍受 冲击载  荷 的能力 。 当所有的碳 纤维 层放在冲 击表面而 P 纤 维  E 层放 在背 面时 、可获得最 高的能 量吸收  } 。   在设计提 高抗冲击性 能时 ,必须 考虑混杂对 复合 

纤维 增强体的结 构和性能 对复合材料的 抗 冲击性能 有  较 大的影响 。在给 定的 冲击能量 条件 下 .韧性纤维 所  具有的较 高吸收 能量能 力导致 了较 少的 纤维断 裂和 较  高的剩余强度 ,纤维 初始断 裂引起的第 二个基体 分裂 

材料 其他性能存 在的潜在影 响 。 P 纤维 的耐热性 较  如 E
低 ( O  左右 ) E 维一基体 之 间过 好的界面粘 接  1 OC ,P 纤 对提 高冲击性能 有害等 。另外 ,混杂纤维 技术给 复合 

的可能性降低 ,使 复合材料 的剩余压缩 强度提 高 。   改性 B I M 树脂 5 2 与 T 0 1 0 和 T 0 形成 的  48 3 0、 、 0 7 80 复合材料 c 】 1 值见表 2 很 明显 ,52/ 70 \ 。 4 8T0 复合材料  的 C I 高 ,52/ 80 A最 48T 0 次之 。这主要是 由于 TO 碳  T0 纤维 的韧性最好 ( 其延伸 率最高 ) ,而 T 0 碳 纤维的  80
韧性 又高于 T 0 。 是 ,碳纤维 的力学性 能和纤维 单  30 但
丝的 直径 大小等对 复合材料 的性 能也有 所影响 .从理 

材料的 成型 工艺带 来一定的 麻烦 。  
2 3 二维 (- )织物 增强体 [-] . 2D 33  17

采用织 物提高 复 合材料抗 冲击损伤能 力的潜在优  势 已得到 了广泛的研 究 , i h pJ u t   ! B s o  ] r iI J SC  ̄ S 采用 I  一

论 上分析 ,纤维单 丝的直径太 小 ,复合材料在 遭受压 

9 冲击能量范围研究了f 。, 0 、 5 、 J 0 9 。】( ±4 。】 混纺  f。   ,±4 o 0 5J   铺层和碳纤维织物增强层板的冲击性能 。  

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料 

19 = 9 9自 

织 物和非织 物 ( 向带 )层板的破 坏域能量 相近 ,但  单 前者的破坏 程度较轻 。破坏主 要是层 间分层形式 ,在  冲击点 有朝向背 面的拉伸 裂纹 。采用织物 材料限制 了   分层程 度 ,特别是限 制了背 面沿纤维 方向的劈裂 。在 

CR, FC 缝纫使 I 型层 间断 裂韧性提 高了 8% 而 同时 弯  5, 曲强 度提高 了 3 %。未缝纫 复合材料 易遭受 层 间剪切  0
破坏 ,而缝纫 后的 复合材料 由于高剪切 约束主 要进行 
拉 伸破 坏 。   缝纫密度是影 响缝纫 效果的一个 非常重要的参数 。  

整 个冲击能量和 损伤面积 范围 ,织 物层板 C I A 的降低 
比交叉层板小 。   K m等  l i 采用两种 叠层顺序 对用织 物纤维和 单向  纤维 制备的 C R 进行 了研 究 。 些相似厚 度的叠 层板  FC 这

使 层间断裂韧性提 高到一 最大值需 要一个临 界缝纫密  度( 最佳缝纫 密度 ) 缝纫 密度高 于临界值将 明显降 低  。

平 面内压缩强 度和刚度 以及弯 曲过 程 中的 层间剪切强 
度 ,这 主要是 由于缝纫带 使纵 向纤 维 出现严 重不顺排  ( 错排 ) 、缝纫孔 的富树脂 区域的 形成 以及针 穿引 发的  平面 内纤维 损 伤等 引起 。在 达到 临 界缝纫 密 度 以前 ,   损伤 面积随缝纫 密度 升高而 连续降 低 ,C I A 却随 缝纫 
密度升 高而升高 。   缝纫技 术也 可产 生副作用 , 有时在 未破坏状 态时 ,  

在 未损伤状态 下具有相近 的静态平 面力学性能 。 测  所 得 的载 荷一位移 记录说明 了织物复 合材料 比交 叉层板  具有较低的 最大载荷 和较大的断 裂总位移 ,织 物层板  在冲击的早期 阶段产 生的损伤很 小 。在研究 的所 有 冲  击能量水 平下 ,交叉层板 在载荷升 高部分具 有一突然  的小的斜 率变化 ,峰值载 荷快速 下降 。更具延 展性和  柔韧性的织物使复合材料具有更高吸收能量的能 力 l 。   另外 ,织物 层板前 表面的损伤 面积大 于交叉层板 ,而  交叉层 板背面的纵 向分裂却 更大 ,使总的 损伤面积 更  大 。在较 小约束作用 下的交叉 层易于 分层 ,而织物层  板 中经 向和纬 向纤维 施与的 自约 束不 允许在背面发生 
较 大的分层发 生 。   织 物层板 比交叉层板具 有更高的抗 冲击损伤 明显 

缝 纫层板 比未缝纫 层板具有 更低的压缩 强度 。穿 过预  浸料 层的缝纫技 术可导致 局部的 平面内纤维 损伤 。与  2D 一 复合材料相 比 , 尽管 3 D 一 缝纫复 合材料抗 冲击能 力  提高 ,但弯曲性能 却降低 。由缝纫织 物制备 的复合材 

料层板 与缝纫预 浸料制 备的复合 材料相 比 ,前 者更不 
易于 遭受纤维 损伤 。   对一系列 各种 不 同组 分的复 合材料的 冲击实验研 

与其具有较高 的抗层 间和 层内断 裂能 力有关 l- l   。 。交  -  叉层板中 由于 0 。和 9 。层 间热 力学和弹 性等的 不匹  O 配性 引起的偶联 应力对其低抗 层间断 裂能力从而 引起 
CI A 降低具 有一定 的影响 。而织物 层板除 了 由于纤 维 

究 表明 ,缝纫 使复合 材料损 伤面积降 低和 C I A 提高 的  结果 只 在下述 情 况下 才有效 :缝 纫密 度低 于最 佳值 ;   由低 速冲击 引起的主要破坏 形式 是分层而 不是横 向纤  维断 裂 ; 后的 C I 坏主 要由分层 引起 。 随 A破  

和基体材料 间不同的热 力学收缩 引起的应 力外 ,其实 
际 上没有上述 的偶联应 力 。经预测 ,具有高残余 应力 

3 纤维 一基体 界面 
纤维 一 基体 的界面作用 对复 合材料的 力学性能 和  韧性 等有重 要的影响 。 e n 等1 1 究 了玻 璃纤维 / K u g “研 聚 

的层板 具有较 低的抗损 伤能力和损 伤容限 。也 可能是  分层和剪切裂纹的扩散 由于织物 中的编织结构所阻碍 ,   从而导致 了狭 小的 分层区 。 文献 1 l 出织物 复合材料   指 3   中裂纹端的塑 性变形 大于单 向纤维 复合材 料 ,在织物  复合材料层板 中 ,不易发 生锥形分层 区朝背 面方 向大  幅度增长破坏 ,因此 ,在 一给定的 冲击能量 下 ,织物  复合材料 具有较 高的 C I  A。
2 4 三维 (- )增薯 体【 】 . 3D 3   H3 通过 编 、缝 、织等在厚 度方 向引入纤维 的 3 D 一 复 

酯和玻璃纤 维 / 氧复合 材料的缺 口冲 击能量 与纤 维  环 表面处理 的关 系 。有关纤维 一树脂 基体 界面对脆性 碳 
纤维 增强 先进树脂 基复合材 料 C I A 影响的研 究报道 较 

少 。但 可以肯定 ,脆性碳纤 维增强脆 性树 脂基体 复合  材料的韧性 缘于裂纹 沿着纤维/ 基体界 面分开的 事实 。  
界面键 合太弱 , 材料 将不能支撑 剪切和压 缩 中的载 荷 。  
相 反 ,如 果界面键合 太强 ,将 不允许有效 的裂纹 分离 

合材料 可有效 抑制 复合材料的损 伤增长 ,因此 其比传  统的 2 D 一 复合材 料具有 更好 的抗 冲击能力 。 一 复合材  3D 料比2D 一 复合 材料具 有更小的损 伤面积 。在 3 D复合  一 材料体 系中 ,研究 最广泛的是缝纫 复合材 料 。  
穿后缝纫 ( h o g - h — h cn s  t t h s 技  t r u h t e t ik e s s i c e ) 术 已广泛地用 于提高 复合材料抗层 间断裂能 力和冲击 

而使 材料 呈脆 性  假定 开裂和 分层 是主 要的破坏形 式 ,   较 弱的 界 面键合 将稳 定地诱 导 层内 分裂 和层 间分 层 ,   并允许 复合材料吸收 较大的 冲击能量 。但是 ,当纤 维  的拉伸 和压 缩破坏模 式成 为主导性时 ,较 弱的界 面键  合将导致 复合材料 层板的低 弯曲强度 。   研究认 为 ,与界 面差的 复合材料体 系相 比,具 有  优 良纤维 一基体 界面作用的 复合材料 体系需 要更高 的  能量引 发其初始破坏 。对于 复合材料防护板 ,高能量 

损 伤容限 。缝纫层 板的总吸收能 量与缝纫 间距 、缝纫 
类型 和缝纫 材 料 等有 密切 的关 系 。对 预 浸料 制 备的 

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J 期 

张 宝艳等 :碳 纤维增强 树脂基复合材 料抗 冲击性能的 改进方法 

吸收 能力是一种理 想的性 质 。但是 ,当损 伤容限或结  构整体性 成 为设计 关心的 主要问题时 ,分层破坏保持 

量吸收能 力及 C I 但将这些技 术应用 于实际 中时 , A。 必  须考虑获 取最佳 条件 而制备 出综 合性能 平衡 的复合材 

到 一 个最 低 点 并且 良好 的 界 面结 合 是必 要 的 。对 于  CR 体系 ,纤维 一基体的 界面 作用对 复合材料韧1 FC 生的 
影 响需要进一 步研 究 。  

料 。为此 ,作 者提 出主要观 点如下 :   树脂 基体的性 质对决 定复合材料 的冲击行 为起重  要作 用 ,其直接 影响复合材料 的断 裂韧性 ,提高树脂 
基 体的韧性 仍是主要 的增 韧改性 方法 。但韧性基体 材  料往 往伴随着 刚度和湿 热性 能的降 低 ,在提高树脂基  体 韧性的 同时 ,须考虑综 合性能 的提高 。合适 的树脂  含量对获取 较高 C I 的复合 材料也 是非常必要的 。 A值   在脆性碳 纤维 中混杂韧性 纤维 可较 大幅度地提 高 C I A  值 ,铺层顺 序 、混杂纤维体 积含量 和混杂纤维 一 基体 

4 层 间相 
可控层 间相 ( o t o l d i t r a i a  h s , c n r l e  n e lm n r p a e  C P 概念 已作 为一种 普通的方法用 于增韧连续纤 维增  I)

强树脂基 复合材料 ,提 高复合材料 层间抗 分层破 坏能  力 。在此方法 中 ,复合 材料的层 间区被认 为是一种连  续相 ,而此 相的微观结 构和性 质适 于设计 和控制 。用 

界面 等对控 制 冲击后 塑1 生变形 和分 层起关 键性 作用 。  
添 ̄ P 纤维 使 复合 材料具有优 异的损伤 容限 和抗穿透  JE I ] 性 ,但 P 纤 维的耐 热性较低 ( 0 ℃左 右 ) E 10 ,必须 考虑  其对 复合材料耐 热性 的影响 。另外 ,混 杂纤 维技术给 
复合材料 成型 工艺等带来一 定的麻烦 。  

于层间相的技 术主 要是层 间插入韧性树脂连续层 f 实际 
上 ,引入 Z 向纤维 (一 增强体 ) 术也 可描述 为提 高  3D 技
复 合材料 层间抗 分层破坏能 力 ,本文的前 一部 分已对 

此项技 术进行 了评述 1 韧性 树脂层 的插入 , , 可使复 合  材料 的层间断裂韧性 、抗冲 击损伤和损伤 容限都 可以  得到明 显改进 。  

采用 2 D纤维织 物代替交 叉铺层对 于提高 复合材  - 料抗 冲击破坏 能力具 有益处 。2 D织物层板 中没有 交  一 叉层 板中 0 。和 9 。层 间由于热 和弹性 不匹配性 引起  O 偶联应 力 。分层和 剪切 裂纹的扩 散被织 物复合材料 中  的编织 结构所阻 碍 。   采用编 织构件体 ,特别是 3 D 一 缝纫 ,可有效地 提  高复 合材料 分层 和冲击损 伤的能 力 。缝纫 密度 是决 定  缝纫效 果的重 要参数 。由于纵 向纤维 的错排和 定位损  伤等 ,过 大的 缝纫密度 对提高抗 损伤和 C ] A 有害 。缝  纫材料 等对缝纫 效果等 也有重要影 响 。   纤 维 一 体的界 面作用对 C R 的抗 冲击韧性 等有  基 FC
重要影 响 ,此方面研究 须进一步开 展 。  

插入技术明显提高了碳纤维/ 环氧和碳纤维 /M  B  I
复合材料 的抗冲击 能力 , 主要 表现 为 C I 的提高 。 A值 研  究认 为 ,插 入树脂层 的剪切断 裂应 变被认 为是提 高抗  损 伤容限 的关键参 数 。 h n4I 出,在进 行平 面内拉  Ca 1 指    ̄ 伸时 ,层 间粘合剂层 对抑制 复合材料层板 的边缘 分层 

有明 显效果 ,甚 至在 很高的 冲击速率时 ,粘合剂层 对  复合材料的层 间分层也具 有明显抑制 效果 。尽管插 入  层 的存在使 复合材 料的平 面刚性和强 度降 低 ,但 可提 
高其 Gi ,甚至 可提 高十倍 。热塑性树脂 插入层 比热  Cc

固性 树脂效果 更好 ,这是 由于前者具有 更强的能 量吸  收能 力 。 e h k R c a 等  J 出关 于提 高损伤 容限设计 的  已提

在 复合材料 易于分层的层 间插入 韧性 树脂 片层方  法 可成功地应 用于抑制边缘 处分层 的开始和其 它破 坏  形式 , 提高复 合材 料的 C I 但在 自动铺 层技术还 无法  A。 得到 全面应 用时 ,这 种插入技 术容易 带来人 为的铺 层  错 误 ,并且使铺 层工艺繁琐 。   参 考 文 献 
k m J  a d a  Y W. C m o t s。 9 3. 4: 8   i    k n  M i   o p si e 1 9 2 4 5

插 入层的最佳应 用原则 : 沿着冲击 面下约相 当于冲 , ①   击接触 面积 大小的距 离处的 层面铺放插 入层 ;② 如果 
分层是由于在 表面层内的横 向裂纹所 引起 ,就将 插入  层 直接 放在表 面层 下 。但是 ,控 制复 合材 料韧1 生的变  量和 参数需要进 一步明确和 优化 。   需要注意的 是 ,插入技术容 易带来潜 在的 人为铺  层错 误 ,并且使铺层 工艺繁琐 。采用 自动 铺层技术 时  可能 会避免这 类问题 。  

C n w 1  a d o t n J. C m o i e 1 9 。 2: 4   a t e 1 n  M r o   o p s t s. 9 1 2 3 7
% r t  S A p . e h. e . 1 9 , 4: 5   a e . p 1 M c R v ,9 1 4 15


5 结束语 
近 几年 ,复合材料结 构的 高效 设计 已成为一重 要  研究 方向 :韧性基体 材料 、混 杂纤 维复 合材料 、 入  插 片层 、 - 织物 复合材料和 3 D 2D 一 缝纫 等 , 所有 这些技 术 

B b    A a d o g P i o G   n  H g   J.J. a e . ci 1 9 3 :  1   M t r S . 9 6. 1 1  j 1 M r k mi   t 1 1 t r a i n 1 A P   u a a  S e  a . n e n t o a  S M E S m o iI 1 8 3 2 9   y p s  m. 9 9. 4: 1 4 L

B c n l  C B a d Y s i  T B . o  m r . 9 8. 0: : u k a 1     n   o h    r P 1 c i y 1 7 1 j{  
S 1 a     , a b e     n  M G r   l. utnJ L j l  R C a d c a r    

都 不同程 度地改进 了层 间断 裂韧性 、冲击载 荷下的能 

J. p 1 P l m. y p. 1 71 1 1 7 A p . o   S m , 9 , 6: 2   y

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6  











料 

19 正  99

8 S t b  N a d c a r  F J. J. P 1 me     u1 a  J   n  M G r y   o  r y S . 9 3. 3: 9 ci 1 7 1 2   9 P r e  D S. S e    a d u n  J.   ak r   u  H J n  H a g   P  m r, 9 0, 1 2 6   o1 e 1 9 3 : 2 7 y 1   T k y k  F. u a a   n  T k s i I  0 aa ui Y t k  k a d a a h   . P 1 m r 1 9 3 2 6  o   e . 9 1. 2: 3 7 y 1  L n    a d P a c  E M. i h e f r a c   1 i  S C n   e r e   H   P r o m n e g T e m s t , h mi t y, r p r e A p i a i i. h r o e s C e   r P o e ti s. p l  t’ 3   s c o

2   P e o s 1   C n     n  B a n g r , 9 r v r e  D C. hi  H B a d h t a a  A   C m o i e t u . 9 3. 3: 3   o p s t  S r c. 1 9 2 I 7 3   f n    S n  M o  S . o y C m o i e   0 a g J  a d o n  1 P [ m. o p s t s, 19 1 3 5 9 5. 6: 2  

31 C , j  P T a d i h p  M. o p s t s, 9 4, 5:   u ’       n  B   o  S ts s C m o ie 18 1  
259  

3   B h p   2 i o  S M. j  T x i e S r c u e o p s t s   s n e t     t u t r  C m o e e . 1 C o    W a d o     d C m o i e   a e i l   h u T   n  K  F K E s. o p s t s M t r a s

( u i h: a s r) M n  H n e   c
1   P c e      e  a . S M E l , 9 0. 6: 3 2 e krHG t 1 A P  J 1 9 2 7  

S r s 3 I8 )h p  e i ,( 9 9 C a 6 e
3   k m  k t 1. P  m. o p s t s 1 9 4: 4   3 i J  e  a o1 y C m o j e . 9 6. 5 9

1 陈 平 。 显友 . 分子通 报 ,19 , 3 张 高 9 3 4:2 2 2 
1   P u  A S, r w e  M, 1 i    T n   k i n 4 a 1   B o n  J B a   M  a d Mc i e  J 、. r {  

3   D v e  e  a 4 a i s t 1。 C mp s t s 1 9 2 : 4   o o i e 。 9 4。 6 3 2
3   g z e o  S L . o p s t s . 9 1. 2 2 5 5 a hnv   Cmo ie 1 9 2 : 7  3   B i c e    a d i 1 a s  R . o p s t s 6 r  o  B J n   1 i m  D s C m o i e  S i T c n 1 19 4 : 7  c . e h o . 9 3. 7 2 7

S I  , 8 。 48 'P J 1 73 : % E 9 /  
I   P t     A  E  P o e di g. h  S C o  P a ti   5 a e ’R H. NF C r c e n T e O . f 1 s   r c E g n e s 18 :4 4 n i e r ,9 9 13 

3   I ji s A J  e  a . o p s t s. 9 0. : 2   7 ) j      M t 1 C m o e e 1 9 2I 5 2 e
3   D a s i 1  k. a 1 i    、 a d ai  W. 8 r n f  d e B i 1e C n  M  Y   C m o i e   c . e h o . 19 5 3 5 o p s t s S i T c n 1 , 9 4, 0: 0   3   A a u   T a  Y P n  T m   C m o i e  E g. 9 d n r A. s o    a d a  C W. o p s t s n  
1 5. 11 9 99 5: 4  

1 顾嫒娟 . 生 马来酰 亚胺树 脂研究 f 6 改1双 学位论 文 】 西 .  
安 : 北 工 业 大 学 .9 6 西 1 9 
1   Ki o h 、J. a w 1 D A n  Y u g R . 7 n1 c M x e 1    a d o n    J  J. a e . ci L t m’ 1 8 4: 2 6 M t r S . e t . 9 5. 1 7   1   G r i  R; v n  R E a d a m T  j 1  t u h   8 aca E a s     n  P 1 e  R . n o g — e e  C m . , T S P 3 , J. o n t n. d. A M, n d o p , S M T 9 7 N   h s o E , S1    ̄ ! P i a. 1 8 3 7 h  1 . 9 7: 9  

4   f i e  G J . M t r. c . 1 9 2 1 8   0   ’ y  I J a e S 1 . 9 2. 6:  4 a 1 7 4   M v d s A. a t r  C k  F . n e n t o a  S M E 1 a a a   P s o e   o  k I t r a i n 1 A P   S m , 9 5, 0: 2 4 y p. I 8 3 I 8   4   F r e  G   n  D   k n o  L 2 a 1 Y  L a d i i s n  C. c J. R i f. 1 s i s e n P a t    c C m o ie 1 9 1 :3   o p s t s, 9 2, 1 6 3 4   W  E a d a g J. J. o p s t   a e 1 9   3 u   n  W n   C m o i e M t r. 9 5.
29: 54 22  

1  I n  L n  J n  B Z. n . e h C n ( N E 9 l  T  a d a g     n T c . o f.. T C) M y i \ \ a 
1 8  Y   9 9. C
2O Li   I   an  B  an  I an  1 R   au  Y.f g  Z d   g    eL  a1. P1 abi     c

E g. 1 9   n 98

2  张 宝艳 , 1 李萍 , 陈祥宝 .8全国复 合材料 会议 . 海 , 9 上  
1 8 99  

4   K u g P n   r u t a   . J. o m. n   4 e n  ad B o n m n L P y E g. Si . 1 7 1 6     , 9 8. 8: 2 c 4   C a     , o e ‘ C a d \ e ‘S. n C mp s t   5 hnW SR gl s   n k l 1  o o i e

2   H r i  B a d u s 1  A . o p i e  1 7 6: 9   2 a r    n  B n e 1  R C m os t s . 5. I 7 s 9 2   S e a i i  S. ai 、 W a d o t r 1 . } t l  3 t f n  s d M   n C t e e 1 J.l e? a . S i L t 1 8 4: 0 3 c . e t. 9 5. 1 3  

M t r a : e t n   n  e j n ( e e t  o f ) a e i l T s: g a d D s  s i g S vnhC n .,  
、    S P 8 3 ' T P j a. 1 8 2 6 Sr M T   9 , S M, h 1 , 9 6: 6   % 4   R c a  S a d u  C   1 R i f. P a t  s 6 e h k   n  S n  T. . e   n Is i   c C m o i e , 9 0 9: 6   o p s t s 19 , 5 9
47 Soh  M  and   n  S  Hu  Z 。 mposi  X Co    S   tes cj

2  Mno 4 ur
31   29

\ n  L i       .lt i S 1 1 8 2   {a d a C P Z. : e? c . 9 8. 3: 1, a .

2   J n  B Z t 5 a g    e  a1 C mp s’ e  S . 9 9. 4: 0   . o o i s ci 1 8 3 3 5 t 2   J n  B Z t 1 P i m. o p s t s. 1 9 1 : 4   6 a g    e  a . o   C m o i e y 9 0. 1 1 4 2  7 f n  B Z t a g    e  a1 C me o t s S i c  a d , o p si e   c   e n   e T c n l g 。9 9 3 3 5 e h o o y 1 8 , 4: 0   2   、 a  D 【 n  M   1 r 、 k M t r。 c . 8 d ms  a d j   1e . a e S i  E g. 9 5. 9: 4   n 17 1 2 5

T c n 1 19 j : 3  e h o . 9 4. 2 4 9 4   M s e s  E. k y n M t r. 1 8 3 31   8 a t r  j e  E g. a e . 9 9. 7:   7 4   S n  T n  N r a  m L。 C m e i e   c   9 u  C  a d o m n   o p s t s S i. T c n 1 19 3 : 2  e h o . 9 0. 9 3 7 5  C a      a d O h a   k y n . a e . 9 9. 7 2 5 0 h n W S n   c o  0 0. e E g M t r. 1 8 3 : 8  


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