摘 要

超薄碳纤维预浸料在经过薄层化处理之后，材料力学性能有很大的提升，但其仍然存在最基本的碳脆性问题，为了解决碳纤维增强复合材料的固有脆性问题，提出超薄碳-玻混杂的层合板材料，利用其体现出的伪延性特征很好地解决许多工程或科学研究问题。本文的目的在于直观地演示超薄碳-玻混杂层合板的伪延性，利用MSC Marc有限元分析软件模拟出薄层碳-玻层合板的多段断裂破坏和分层破坏的拉伸实验过程，包括碳层断裂、分层和玻璃纤维失效三阶段。模拟碳层断裂阶段，将粘接单元层嵌入其中，模拟碳层的多段断裂而稳定拔出；玻璃层和碳层之间的另一层粘接单元被用于模拟分层。模拟后画出材料应力应变曲线，粘接单元层damage曲线，根据应力应变曲线验证了超薄碳-玻混杂层合板材料的伪延性。

关键词：超薄碳纤维预浸料 混杂效应 伪延性 损伤破坏

Damage and Failure Analysis of Carbon-Glass Hybrid Laminates Based on Ultra-thin Carbon Fiber Prepreg

Abstract

The mechanical properties of ultra-thin carbon fiber prepreg have been greatly improved after thin layer treatment, but there are still basic problems of carbon brittleness. In order to solve the inherent brittleness of carbon fiber reinforced composites, ultra-thin carbon-glass hybrid laminates are proposed, and many engineering or scientific research problems are well solved by using the pseudo-ductility characteristics of carbon fiber reinforced composites. The purpose of this thesis is to visually demonstrate the pseudo ductility of ultra-thin carbon-glass hybrid laminates. The tensile process of multi-stage fracture and delamination failure of thin carbon-glass laminates is simulated by MSC Marc finite element analysis software, including three stages of carbon layer fracture, delamination and glass fiber failure. In the simulation of carbon layer fracture stage, the cohesive element is embedded to simulate multi-stage fracture of carbon layer, pull out steadily and delamination. The stress-strain and damage curves are drawn after simulation. The pseudo ductility of ultra-thin carbon-glass hybrid laminates is verified by the stress-strain curve.

Keywords: Ultrathin Carbon Prepreg; Hybrid effects; Pseudo ductility; Damage

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

一、绪论 1

1.1引言 1

1.2研究意义 2

1.3研究现状 4

1.4研究内容 6

二、复合材料知识 7

2.1碳-玻混杂复合材料混杂方式 7

2.2超薄层合板 8

2.3复合材料失效模式 8

2.4断裂力学分析 10

三、 模型建立 12

3.1几何模型建立和材料属性 12

3.2接触分析 14

3.3损伤破坏模型分析 15

3.4边界条件和载荷工况 16

四、 结果讨论与分析 17

4.1碳纤维层断裂分析 17

4.2分层分析 19

4.3应力应变曲线 20

4.4损伤破坏分析 22

4.5成本与经济性分析 24

五、 结论 25

参考文献 26

致 谢 29

一、绪论

1.1引言

在全面建设创新型社会的新时代中，高性能碳纤维复合材料成为了材料行业的“尖子兵”，在目前全球共赢合作、激烈竞争的大环境之中，全球各国都十分重视并大力发展新兴材料技术。据JEC(Journal of Employment Counseling)测算，2015年，全球复合材料总产量为1040万吨，行业总产值约为780亿美元，2016年总产量提高到1080万吨，总产值也提高到820亿美元，预计在2021年全球总产量至少为1290万吨，总产值将达到1030亿美元。年均增长在4%左右，还在持续增长中。在产量方面，北美地区在产量上与欧洲地区基本持平，其主要应用于高新航空航天、军事研发等领域，产品附加值较高，市场规模较全球来看也是比较大的。虽然亚洲地区复合材料总产量能够达到了全球总产值的半数，但市场份额仅有43%，没有达到全球复合材料市场份额的半数。相比较于欧美地区而言，我国虽然复合材料产量较高，但在高新技术层面应用不够广泛，目前基本用于日常生活中，在未来需要调整和升级产业结构，提升复合材料的产品质量和创新水平。在十三五计划全面冲刺阶段，明确提出加强新型复合材料研发力度，提升碳纤维复合材料的性价比，下图1-1为全球复合材料产量和产值总图。

1.2研究意义

碳纤维复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic),是目前研究和应用最多的复合材料。碳纤维拥有较好的力学性能，碳纤维复合材料在强度方面与金属材料相比稍有逊色，但其质量轻，多数场合能够代替甚至优于金属材料。碳纤维树脂复合材料拥有更加优秀的抗拉强度、抗拉弹性模量，使其应用效果优于金属材料。50年代初，我国处于建国初期，为满足对于军事、航空等尖端科学技术领域的需要，积极发展高新科技，在材料领域投入更大精力发展碳纤维复合材料。随着国家建设速度加快，高新科技对新材料技术和力学性能的要求变得越来越苛刻，催使着科技科学人员不断提高创新。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现[1-3]，实现了技术上的又一次进步，同时也标志着碳纤维的研究和生产进入一个高峰。虽然在航空航天领域先进复合材料刚刚应用成熟十余年，但因其具有高比强度、高比刚度、可设计性强、整体成型方便等优点，在航空航天领域的应用日益广泛，时至今日，复合材料技术变得更加成熟，已经广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学等民用领域。如下图1-2所示。

传统的高性能聚合物基复合材料在强度、刚度等方面优势明显。然而，目前碳纤维复合材料的一个基本缺陷是其固有的脆性。失效通常是突发性和灾难性的，如图1-3，一般没有重大的损坏或警告，如果有的话，剩余的承载能力也很小。所以即使满足目测要求的结构，在载荷远低于预期的情况下会突然失效，这些严重的设计限制不仅阻止工程师和操作者利用复合材料的性能优势，并且使其不适合于许多领域，在这些特殊领域中，加载条件不能完全可预测，并且不能容忍灾难性故障。鉴于现有高性能复合材料的这些局限性，以伪延性的方式失效的材料是有特殊利益的，并且会显著增加应用范围。

因此，如何让高强度的CFRP材料同时具有类似于金属材料的非线性渐进失效曲线即实现伪延性(如图1-4)，使其在完全破坏前有失效预警。目前有两种方法：一是利用超薄碳纤维材料在减缓损伤扩展方面的优势，将其与高延展性的玻璃纤维混杂[4-8]成为混杂复合材料，以提高整体的延展性，此方法目前的弊端在于碳纤维占比过小，材料整体密度偏高，弹性模量较低；二是改变碳纤维方向以及铺层结构，提高碳纤维复合材料的力学性能。目前的研究只是实现单向材料在单一载荷下的力学性能分析，还没有从微观角度去分析纤维和基体的力学性能来阐述伪延性现象的围观损伤破坏机理。

本研究的重点是单向（UD）超薄玻璃/碳混杂层合板[10,11]，其目的是通过充分利用这些材料结构的伪延性将混杂法和薄铺层法[12,13]的优点结合起来。在混杂材料中引入高模量、低应变的破坏构件的薄铺层形式，会发生多个较硬构件的断裂和分层。但是薄铺层材料由于薄片的能量释放速率较低，元件之间的位置和稳定性都很低。因此，在更硬的构件失效期间和之后，应该有可能实现显著的伪延性应变，而不会造成很大的应力下降。将此超薄层合板结构利用有限元分析软件进行仿真模拟，直观展现层合板内部的损伤破坏情况。

1.3研究现状

目前国内超薄预浸料的制造方法主要有三种，包括碾压法、气流负压法、超声引导法。比较于碾压法、气流负压法和超声引导法更具创新和保障。这三种制造工艺的比较结果如下表所示。

表1-1 T300-12K材料薄层化处理前后参数对比

R.Amacher[14]等对M4JB系列的超薄碳纤维预浸料层板进行了全面的力学性能测试，并对结果与普通碳纤维复合材料进行对比，结果表明薄层化后的层合板在无损伤拉伸、开孔单向拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等基础力学性能上得到了约10%的提升，使其具有良好的研究价值和商业价值。

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