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1998年玻璃钢/复合材料1998
第3期FiberReinforcedPlastics/Compositesl3

碳纤维复合材料方管的性能研究

周祝林汤建根杨华

(上海玻璃钢研究所200126)(上海新中华机器厂)
摘要:本文简单地介绍碳纤维复合材料方管的成型工艺、性能测试及分析,可供有关产品设计参考。
关键词:碳纤维复合材料方管
计算得树脂含量为57.9%,大大超过预浸布的树
1前言
脂含量,这是由于实际复合材料密度偏小,可见复合材
碳纤维复合材料具有比强度高,比模量特高、线热料方管中含有空隙,当计及空隙率时,树脂含量的计算
膨胀系数小,抗疲劳和阻尼性能好等优点,被广泛应用公式如下:

于航空航天飞行器的结构。某航天产品采用轻质高强(1-V0)Qm/Q-Qm/Qf
A=(2)
的碳纤维复合材料方管,由于产品设计需要,要求测试1-Qm/Qf
方管的拉伸、压缩、弯曲、弯剪及扭转的性能。目前没式中V0为空隙率,若V0以6%计算时,则求得
有方管的测试标准,我们参考圆管的国家标准进行测A=40.3%
这时树脂含量与预浸布符合由此可见此批复合
试。本文总结了方管的成型工艺、性能测试结果,并作,,
了理论分析。材料方管有较大的空隙率:V0=6%。
2.4碳纤维体积含量
2方管铺层与工艺计及空隙率的纤维体积含量按下式计算:
1-V
2.1方管铺层V=0(3)
fA
1+Q/Q
方管外形尺寸为24@10mm,在长方形模芯上四1-Afm
周先铺上二层?45b的铺层,然后在高度方向上下各铺用上述数值,计算结果为:Vf=48.3%。
上二层0b铺层,0b铺层宽度为10mm。每层铺层的厚
性能测试结果
度为0.15mm,树脂含量为38%~40%。方管的两侧3
壁厚为0.3mm,上下盖板厚为0.6mm。方管拉伸试验,参考GB5349,两端用金属方芯充
2.2成型工艺实,外面用碳纤维复合材料加强。
T300碳纤维用ST350环氧树脂预浸渍,然后用方管压缩试验,参考GB5350,两端同样加强。
单向环氧预浸布绕成方管。固化工艺如下:方管弯曲试验,参考5玻璃钢61973.No.2,(总第6
3e/min3e/min期所介绍的试验方法加载及支座处用金属方芯块充
室温100e/30min150e/120min),
实。
然后随炉冷却至40e,出炉、卸压,脱模成方管试
件。弯剪试验采用四点短梁弯曲,同样在加载及支座
处用金属方芯块充实。
2.3密度
表1力学性能测试结果
用称量方管的质量,除以方管体积,则测出方管复
合材料的密度为1.429g/cm3(平均值),Cv为0.6%。性能拉伸压缩弯曲弯剪扭转三点外伸
R45.6117201
用碳纤维密度Qf、环氧树脂密度Qm、及上述复合强度/MPa
S11.051.311.8
材料密度Q,可以按下式求出树脂含量,计算时取Qf=
33E41.639.852.948.9
1.78g/cm,Qm=1.25g/cm。模量/GPa
G13.723.6
Q/Q-Q/Q
A=mmf(1)
1-Qm/Qf扭转试验方法参照一般扭转试验方法,如GB4726
14
等,两夹头部分同样采用金属方芯及外包加强。另外,按下式估算:

还参考GB1456进行三点外伸弯曲试验,同时测出弯RL=VfRf(10)

曲弹性模量和剪切模量。测试结果列于表1。T300的Rf=3518MPa,计算得RL=1699MPa。
4理论分析45b铺层的强度由树脂剪切强度控制,若取环氧树
脂的剪切强度为40MPa,则45b复合材料的拉伸强度
4.1拉伸性能分析约为80MPa。方管的拉伸强度近似可按下式估算:
拉伸弹性模量分析
4.1.1RB=RL@FL/F+R45@F45/F(11)
单向纤维复合材料拉伸弹性模量符合混合律公
经计算得:
式:
RB=458MPa
E=VE+E(1-V)(4)
Lffmf由此可见,与实测值很符合。
的为取取上述
T300Ef216GPa,Em3.5GPa,Vf4.2压缩性能分析
的计算结果计算得。
Vf=0.483,EL=106GPa4.2.1压缩弹性模量分析
112
按下式计算单向纤维复合材料横向弹性模量:压缩弹性模量分析与4.1.1相同,实测值与理论
1+Vf计算值很符合。
ET=Em(5)
1-Vf
4.2.2压缩强度分析
计算得:ET=10.1GPa
方管是薄壁结构,在受压过程薄壁要发生翘曲失
正交铺设时经纬向的弹性模量为:
稳,侧壁板较薄,先失稳。侧壁板失稳后,由于上下盖
E1=E2=1/2E2+1/2ET(6)
板支持还可以继续承载。侧壁板失稳临界应力按下式
计算得:E1=E2=58.1GPa。
计算122(对于正交板,E=E):
按下式计算方向的弹性模量12
45b:2
PE454G452
E1Rcr=2)1+1