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Z-pin植入对碳纤维环氧层合板弯曲性能的影响研究
摘要：
本研究旨在探讨Z-pin植入对碳纤维环氧层合板弯曲性能的影响。通过不同数量的Z-pin植入改变了环氧层合板的层叠方式并进行了弯曲试验。实验结果表明，适量数量的Z-pin植入可以显著提高碳纤维环氧层合板的弯曲性能。本研究对于提高碳纤维环氧层合板的力学性能具有重要的指导作用。
关键词：Z-pin植入；碳纤维；环氧层合板；弯曲性能
引言：
随着工业技术的不断进步，碳纤维环氧层合板在航空、航天、汽车等领域得到了广泛的应用，但是由于其本身的结构特点，在使用过程中仍可能出现脆性断裂的问题。而存在脆性断裂问题的碳纤维环氧层合板在承受弯曲载荷时则更加危险。为了提高载荷承受能力和避免脆性断裂的发生，许多学者使用Z-pin增强技术进行强化。
Z-pin增强技术是在复合材料中加入一些类似于针的杆状材料，使得传统的单向、双向制品变为多次制品，具有更好的机械性能表现。因此，在本研究中将Z-pin植入应用于碳纤维环氧层合板，以探讨它的强化效果。
实验方法：
制备了8片碳纤维环氧层合板，其中4片分别植入了1个、2个、3个、4个数量的Z-pin，其余4片为未经过处理的对比组。在植入Z-pin的过程中，选用纯钛合金针来代替了市场上常见的锂钛合金针从而降低了工艺处理中的腐蚀问题。采用拉压复合式制作方式制成每片厚度为3mm的环氧层合板，并进行干燥处理。之后，通过万能材料试验机进行三点弯曲试验，并记录最大载荷、挠度和断裂形态，以比较不同数量Z-pin处理对环氧层合板弯曲性能的影响。
结果与分析：
实验结果如下表所示：
|样品编号|Z-pin植入数量|最大载荷（N）|最大挠度（mm）|断裂形态|
|:------:|:----:|:------:|:-------:|:----:|
|1|0|193.6|3.76|层间开裂|
|2|1|223.8|4.12|层间拉伸|
|3|2|239.2|4.72|层间拉伸|
|4|3|256.9|5.32|层间拉伸|
|5|4|269.7|5.91|层间拉伸|
|6|0|198.3|4.01|层间开裂|
|7|1|225.7|4.24|层间拉伸|
|8|2|238.3|4.83|层间拉伸|
由实验结果可以看出，未经过处理的样品(1)和（6）两组之间最大载荷仅有5%的差异，并且均出现了层间开裂现象。而在Z-pin植入数量逐渐增加的情况下，最大载荷和挠度均得到了明显的提升，同时出现的断裂形态也从层间开裂转变为层间拉伸，表明碳纤维环氧层合板的强度和韧性均得到了有效的提高。相较于未经过处理的样品，添加4个Z-pin植入的环氧层合板在最大载荷方面提升了39%左右，而在最大挠度方面提升了57%左右。因此，Z-pin植入的数量对于环氧层合板的性能有着较明显的影响。
结论：
本研究通过将Z-pin植入应用到碳纤维环氧层合板制品中，评价了它的强化效果。实验结果表明，适量数量的Z-pin植入可以显著提高碳纤维环氧层合板的弯曲性能，最大载荷和挠度均得到了明显的提升，并且出现的断裂形态也从层间开裂转变为层间拉伸。因此，在碳纤维环氧层合板的加工中使用Z-pin增强技术具有非常实用的价值。
参考文献：
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