碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状_薛景.pdf
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1、第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状薛景,王晓洁*,王喜占,沈镇(西安航天复合材料研究所,西安710025)摘要:在碳纤维增强树脂基复合材料设计及制备阶段,对成型过程残余应力进行准确的测试、评估,可为结构优化、工艺参数制定、模具参数选择等提供理论依据,也为后续应用阶段残余应力对复合材料构件性能结构稳定性影响研究提供基础。文中概述了碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力的形成机制,介绍了测试方法以及仿真模拟的原理、特点及在碳纤维增强树脂基复合材料
2、残余应力评估中的应用,对仿真所需的主要性能参数的数值、测试方法进行了总结,基于仿真方法的多种优势,认为该方法为残余应力评估重点发展方向,提出该方法未来的研究重点,为进一步优化热物理、力学等性能时变特性模型,提高仿真模型的准确性,并将性能测试方法标准化;建立各类树脂、纤维仿真数据库;进行各类型复合材料构件的残余应力仿真结果准确度的验证研究。关键词:碳纤维增强复合材料;残余应力;固化;复合材料设计;形成机制中图分类号:V258文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0253-10DOI:107673/jissn1006-2793202302009esearch status o
3、f evaluation methods for curing residual stressof carbon fiber reinforced resin matrix compositesXUE Jing,WANG Xiaojie*,WANG Xizhan,SHEN Zhen(Xian Aerospace Composites esearch Institute,Xi an710025,China)Abstract:During the curing and molding process of carbon fiber reinforced resin matrix composite
4、s,accurate testing and evalu-ation of the residual stress of composite materials can provide a theoretical basis for structure optimization,process parameter formu-lation,mold parameter selection,etcIt also provides a basis for the research on the influence of structural stability of composite inthe
5、 subsequent application stageThis paper summarizes the formation mechanism of the curing residual stress of carbon fiber rein-forced resin matrix composites,introduces the principle,characteristics and application of test and simulation methods,summarizesthe test methods of the main parameters requi
6、red for simulationCompared with the testing method,the simulation method has the ad-vantages of low experimental volume,convenience and high efficiency,and is an important development direction in the field of com-posite residual stress evaluationThe simulation method based on multiple advantages is
7、 considered to be the key development direc-tion of residual stress evaluationThe future research focus of the simulation method is to optimize the performance timevaryingcharacteristic model,improve the accuracy of the simulation results,standardize the performance test methods,establish various re
8、sinand fiber simulation databases,and verify the accuracy of the residual stress simulation results of various composite componentsKey words:carbon fiber reinforced composites;residual stress;curing;composite design;formation mechanism0引言碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀性能强、热膨胀系数小、各向异性的导电性能等优点,作为结
9、构材料广泛应用于航空航天、轨道交通、医疗器械等领域14。在碳纤维增强树脂基复合材料固化成型过程中,材料经历升温-保温-降温过程,由于纤维与树脂之间、复合材料层间、材料与模具等各相之间热膨胀的不匹配,树脂固化收缩等352收稿日期:2022-07-15;修回日期:2022-12-01。作者简介:薛景,女,硕士,研究方向为树脂基结构材料及制造。通讯作者:王晓洁,女,博士,研究方向为树脂基结构材料及制造。因素的存在,复合材料为保持平衡,在高温固化成型结束后,材料内部会产生残余应力。固化过程中累积的残余应力会使复合材料发生固化变形5,高残余应力不利于纤维和基体的结合,导致材料易出现早期破坏,复合材料的力
10、学性能以及结构稳定性降低69。复合材料残余应力大小的影响因素复杂,主要有以下三类:工艺参数(升降温速率、恒温时间、固化压力等)、结构参数(铺层方向、厚度等)及模具参数(模具材料、结构等)。研究上述因素对复合材料残余应力的影响规律,并基于此对相关成型工艺参数进行优化是降低残余应力提高复合材料工艺性能的有效手段。因此,在设计及制备复合材料构件阶段,对固化过程产生的残余应力进行准确评估是优化工艺参数保证材料性能稳定可靠的关键。残余应力的评估方式可分为两类:第一类为在成型过程或成型后使用各类测试技术进行残余应力的直接测试10;另一类为利用仿真手段,基于材料的性能参数建立模型对残余应力进行计算11。本文
11、介绍了碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力的形成机制,概述测试及仿真模拟方法原理、特点及相关应用。在复合材料残余应力评估方法的相关综述中,通常着重于对残余应力的测试方法进行总结,或单独对复合材料固化仿真方法进行详述1214。相较于此类综述报道,本文侧重于对测试方法、仿真方法进行优缺点、适用范围对比。同时,在复合材料固化仿真的相关综述报道中,研究人员多对仿真流程、仿真软件及仿真过程中存在的关键性问题等理论知识进行讨论1417。根据上述相关报道可知,固化过程中复合材料性能的准确评估对模型预估的精度具有重要的影响,且性能在固化过程中会发生变化具有时变特性,建立性能准确的时变模型尤为重要。建立时变模型
12、所需的数据大多没有标准测试规范,不同研究人员也使用不同方式进行表征及测试1822。因此,本文对两类主要性能(热物理性性能、力学性能)的时变模型的类型、基于何种测试方法建立进行了综述。随后,对仿真方法在航空航天复合材料固化成型领域中的应用展开介绍,也表明基于有限元分析的数值模拟方法因其低成本、高效等优势而具有重要的应用前景。1复合材料固化过程残余应力产生机制复合材料固化成型过程中的自由应变是引起复合材料残余应力的根本原因,该过程中的自由应变主要指由热膨胀、树脂固化收缩造成的热应变。自由应变本身的发展不会引起应力,但由于材料性能存在各向异性、成型加工过程中来自模具和加工配件的外部约束、与模具间存在
13、不匹配应变等原因,导致了残余应力的产生23。对于残余应力的产生因素,可从材料性能、成型工艺两个方面进行探究。11材料性能的影响复合材料各界面间的热应变差异是导致残余应力产生的主要原因之一。出现在纤维与树脂界面的残余应力成为微观残余应力24。纤维在固化过程中的热应变表现为各向异性的热膨胀行为,而树脂基体在固化过程中的热应变包括热膨胀以及由小分子的释放和交联反应引起的固化收缩两部分25。同时,增强纤维的热膨胀系数(CTE)通常远低于树脂基体,这导致基体和增强纤维之间的热应变行为存在很大差异。树脂收缩应变高于纤维时,会使纤维中存在沿纵向和径向的残余压应力,树脂中出现拉伸残余应力,如图 1 所示,若界
14、面粘接失效,则会出现分离形成缺陷。层间残余应力发生在复合材料铺层之间,由于复合材料增强纤维铺层具有方向性,复合材料的热应变行为表现为各向异性,在固化过程中,对于图 2 所示的正交铺层层合板,若层间粘接良好,在固化过程树脂发生收缩阶段,在层合板的各层平行纤维方向受压应力,垂直纤维方向受拉应力,不对称受力情况下发生屈曲26。图 1微观残余应力27 Fig1Micro residual stress27 图 2层间残余应力28 Fig2Interlaminar residual stress28 12成型工艺的影响成型工艺,如模具及工装的使用、固化制度的选择等,也会引起残余应力。复合材料通常使用模具
15、、工装固定在高温、高压条件下固化成型,由于模具与复合材料的 CTE 热膨胀系数不一致,在其接触面处会发生剪切相互作用,未与模具接触的部位剪切作用小,由此产4522023 年 4 月固体火箭技术第 46 卷生不均匀的应力分布,图 3 所示为模具热膨胀高于复合材料情况,这种应力分布会随树脂的固化而固定29,成型结束脱模之后,由于分布不均的残余应力会引起弯矩导致层合板屈曲变形16。固化热历程(主要指升温-保温-降温过程)、固化反应热的存在会导致复合材料构件上产生温度梯度,从而引发不同的应力分布,这种应力又被称为总体层面残余应力28。在固化初始阶段,中心位置温度、固化速率低于表面,中心层的固化度会低于
16、表面层,上下两个表面层会限制中心层的收缩,表面层中的残余压应力和中心层中的拉应力呈抛物线分布,如图 4 所示,该机制对厚的复合材料构件的影响更明显。图 3受模具影响产生的残余应力过程16 Fig3The process of producing residual stressunder the influence of mold16 图 4总体层面残余应力28 Fig4Global level residual stress28 2复合材料残余应力的测试方法21有损测试法有损检测法是通过去除、损坏材料释放内应力,使样品发生变形,结合图像技术(DIC)、莫尔干涉仪、应变仪等应变测试技术,通过对移
17、除材料前后的变形状态进行测量表征残余应力30。此类方法的优势在于理论基础完善适用范围广,但该方法对样品造成破坏,无法用于成型过程的残余应力监测。对于平坦的对称层压板,可以使用层去除方法进行残余应力的评估,利用腐蚀、打磨的方式去除一层或多层后,复合材料会发生弯曲,XU 等31 使用该方法测试 Ti/CFP 层合板固化残余应力,测试结果表明钛层受拉应力,CFP 层受压应力且残余应力集中在平行于纤维方向,测试结果与解析法、有限元分析法一致。WU 等32 分别使用增量钻孔法、有限元分析法确定 CFP/金属混合部件残余应力,两种方法一致性高,同时研究表明,由于树脂/基质的杨氏模量低、在制造钢时可能已经产
18、生微小残余应力等原因,CFP 中的残余应力远小于金属中的残余应力。张博添33 还开展了增量切割法测试精度影响因素研究,研究结果表明,板件残余应力在厚度方向、平面内均存在非均匀分布,在同一板件重复切割时,随切割槽距离增大相互作用降低,同时重力因素也会引起较大的误差。22无损测试法复合材料的无损测试方法主要是基于波、射线等技术对材料内部结构或者变形响应进行检测,进而推定残余应力的方法34。无损检测法可实现无接触测试,得到残余应力分布情况,但无损测试方法通常响应信号较弱,适用于厚度较小的样品,同时测试设备贵、成本高,难以实现工业化应用。针对碳纤维增强树脂基复合材料常用的无损测试方法有 X-射线衍射法
19、、拉曼光谱法等。X-射线衍射法测残余应力的原理是基于布拉格(Bragg)定律,根据晶面间距与衍射角度的关系实现应变的评估33。X-射线衍射法已被广泛用于结晶材料残余应力测试,但聚合物基复合材料通常不会产生强衍射,BALASINGH 等35 在厚度为 1 1 mmCFP 层合板的层间嵌入细微的结晶颗粒作为“传感器”,CFP 的固化残余应变会转移到结晶颗粒上,使用 X-射线衍射法测量结晶颗粒应变,进而实现 CFP层合板的残余应力评估。材料内部存在应力时,相应的拉曼光谱特征谱带会发生偏移及变形,峰频移与所受应力成正比,基于此原理可实现材料中残余应力的评估3637。冯炎青等37 使用拉曼光谱法测试 C
20、FP碳纤维布层间界面残余应力,找出碳石墨在 1360 cm1附近的 D 峰与 1575 cm1附近的 G 峰的变化来评价CFP 的残余应变,建立应力与频移间的线性关系。Miyake 等38 使用微拉曼光谱技术对 CFP 零件上钻孔周边的纤维残余应力进行测试,并研究各因素对残余应力大小的影响,纤维中由钻孔引起的均为压缩残余应力,且受纤维取向和钻孔进给方向影响,钻进侧90取向的纤维会首先受到应力,更高的转速会出现较低的残余应力。5522023 年 4 月薛景,等:碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状第 2 期23内嵌传感器法在 CFP 结构内部预埋传感器,如应变片、光纤光栅传感器,
21、可以实现成型过程中的残余应力监测28。此类测试方法优势在于响应速度快,可实现成型过程的残余应力在线监测,但复合材料成型存在复杂载荷条件(高温、高压等),对传感器的强度、稳定性要求高,同时在材料内部嵌入传感器,存在影响结构强度、稳定性的可能。光纤光栅传感技术具备质量轻、尺寸小、抗电磁干扰、可实现分布式传感等诸多优点,逐渐成为残余应力测试的热点技术3941,其中布拉格光栅(FBG)传感器主要用于复合材料固化过程应变监测42。外部的载荷扰动(温度、应变的变化)会引起FBG 传感器的有效折射率和光栅周期的改变,通过建立波长与载荷变化的关系可实现温度及应变的测试43。基于该测试方式,万里冰42 等通过预
22、埋传感器实现热压釜成型正交层合板残余应变监测,李浩阳44 等利用表贴传感器对热压罐成型碳纤维增强复合材料环形构件表面残余应变在线检测。上述研究结果均表明,试验测试与仿真结果趋于一致,FBG 可以实现碳纤维增强树脂基复合材料热固化过程应变及温度多点位在线监测,得到构件整体残余应力分布。3基于有限元分析方法的残余应力仿真31残余应力仿真模拟概述复合材料固化成型过程中残余应力形成机制复杂,在固化仿真中主要考虑成型工艺,如模具及工装的约束、温度固化度梯度等引起的残余应力23,固化过程物理场耦合性较强15,固化过程仿真通常考虑三个模型:热化学模型、流动压实模型及应力-应变模型。碳纤维增强树脂基复合材料纤
23、维含量较高厚度一般较薄,流动压实效应影响较小。因此,在此主要考虑热化学耦合模型和应力-应变模型两个部分,仿真流程如图5 所示。热-化学模型的建立可用于计算碳纤维增强树脂基复合材料固化过程中温度、固化度的分布和变化45,在此过程中除复合材料与外部发生的热量传递外,树脂体系的固化交联也会释放热量,所建立的热化学模型需同时考虑上述两方面的贡献17。应力-应变模型的建立用于得到复合材料固化过程中的残余应力、应变,基于热化学模型得到的每一增量步的温度变化计算热应变,给定载荷边界条件,利用复合材料的本构模型实现模拟计算21,46。相比于前文所述的各类测试方法,数值仿真方法可基于少量的性能测试实验实现温度、
24、残余应力的累积过程及连续分布的模拟计算,进行固化变形趋势预估,所建立的模型可用于研究成型工艺参数(固化温度、时间、升温及降温速率等)、结构尺寸等因素对残余应力的影响,具有降低实验量、便捷、高效等优势。图 5复合材料固化过程仿真流程图Fig5Simulation process of composite curing process32材料参数提高残余应力模拟准确性的关键在于准确测试仿真所需的相关性能参数。在部分复合材料固化仿真研究中,为了简化模型、减少计算量,通常将这些参数看作常数进行模拟计算47,但在实际成型过程中,树脂、增强纤维的上述性能均会受到温度、固化度的影响4849,建立性能的时变模
25、型在仿真研究中是十分重要的,文中主要介绍热物理性能及力学性能的时变模型建立方法。321热物理性能利用常规的稳态测试方法,对不同固化度样品取样测试,或对已固化样品进行不同温度条件的性能测试,易建立热物理性能与单一因素的关系。为更为准确评估热物理性能在固化过程中的变化情况,GANI-E 等50 提出了一种基于瞬态法的热扩散系数 a(T、)测试方法,采用正弦型周期加热实现化学反应热与传热的分离,并基于上述测试原理对玻璃纤维增强DGEBA-3-DCM 复合材料进行了热性能评估,在不同温度下(测试温度 109、118、129、温度振荡幅度 3 4)进行频率扫描得到热扩散率随时间的变化曲线,然后使用等温
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