均匀化激光加热CFRP层合板高温剩余拉伸性能.pdf
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1、均匀化激光加热C F R P层合板高温剩余拉伸性能王家伟1,2,3,冯国斌2,3,李 斌1,张检民2,3,吕玉伟2,3,韦成华2,3,刘泽涛2,3,王 娜2,3(1.西北工业大学 航空学院,西安7 1 0 0 7 2;2.西北核技术研究所;3.激光与物质相互作用国家重点实验室:西安7 1 0 0 2 4)摘 要:通过均匀化激光加热T 7 0 0/9 A 1 6型碳纤维增强复合材料(c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r,C F R P)层合板,在试件的特定区域内形成较均匀的温度场。对加热后的C F R P层合板开展了拉伸性
2、能测试,基于数字图像相关(d i g i t a l i m a g e c o r r e l a t i o n,D I C)方法获取了试件激光加热区域在拉伸加载过程中的应变。结果表明:与常温相比,激光加热至3 0 0 时,C F R P层合板拉伸弹性模量变化不明显,发生断裂时的极限应变增加了约2 8%,试件整体拉伸强度增加了约2 3%;激光加热超过4 2 0 时,试件的拉伸力学性能开始出现明显下降。试件断口的扫描电子显微镜结果表明:与常温相比,激光加热至3 0 0 时,碳纤维及环氧树脂的界面结合情况出现了明显的改变;激光加热温度超过4 2 0,可观察到碳纤维表面环氧树脂损失;激光加热至8
3、 4 0 时,可观察到明显的碳纤维丝烧蚀坑。热重分析显示,若C F R P层合板在高温下未发生明显热失重,则材料的剩余拉伸强度下降不明显;若出现明显的失重峰,则在相应温度区间内,材料的剩余拉伸强度明显下降。本文可为C F R P材料及结构在极端热环境下的工程应用提供参考。关键词:高温;激光加热;数字图像相关方法;剩余拉伸强度;碳纤维增强复合材料中图分类号:T N 2 4 9;O 4 3 4文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 3 0 2收稿日期:2 0 2 2 1 0 1 5;修回日期:2 0 2
4、 3 0 1 0 5基金项目:激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(S K L L I M 1 8 0 2)作者简介:王家伟(1 9 8 9-),男,重庆万州人,助理研究员,硕士,主要从事激光辐照效应研究。E-m a i l:w a n g j i a w e i n i n t.a c.c nH i g h T e m p e r a t u r e R e s i d u a l T e n s i l e P e r f o r m a n c e s o f C F R P L a m i n a t e s H e a t e d b y U n i f o r m L a
5、s e rWANG J i a w e i1 2 3 F E NG G u o b i n2 3 L I B i n1 Z HANG J i a n m i n2 3 L YU Y u w e i2 3 WE I C h e n g h u a2 3 L I U Z e t a o2 3 WANG N a2 3 1 S c h o o l s o f A e r o n a u t i c s N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 7 2 C h i n a 2
6、 N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f N u c l e a r T e c h n o l o g y 3 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f L a s e r I n t e r a c t i o n W i t h M a t t e r X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r a t e n s i l e p e r f o r m a n c e t e s t s o n T 7 0 0 9 A
7、 1 6 c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r C F R P l a m i n a t e s a r e c o n d u c t e d b y u n i f o r m l a s e r h e a t i n g a n d o b t a i n e d t h e s t r a i n o f C F R P l a m i n a t e s d u r i n g t e n s i l e l o a d i n g i n t h e l a s e r h e a t i n g a r
8、 e a i s b y u s i n g d i g i t a l i m a g e 1-203020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3c o r r e l a t i o n D I C m e t h o d T h e r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e s p e c i m e n i s h e a t e d b y l a s e r t o 3 0 0 t h
9、e c h a n g e i n t e n s i l e e l a s t i c m o d u l u s o f C F R P l a m i n a t e s i s n o t s i g n i f i c a n t b u t t h e u l t i m a t e s t r a i n a t f r a c t u r e i n c r e a s e s b y a b o u t 2 8%c o m p a r e d t o t h a t a t r o o m t e m p e r a t u r e T h e o v e r a l l
10、t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e s p e c i m e n h a s i n c r e a s e d b y a b o u t 2 3%c o m p a r e d t o t h e t e n s i l e s t r e n g t h g e n e r a t e d b y t h e s p e c i m e n a t r o o m t e m p e r a t u r e Wh e n t h e s p e c i m e n i s h e a t e d b y l a s e r o v e r 4
11、 2 0 t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e s p e c i m e n b e g i n s t o s h o w a s i g n i f i c a n t d e c r e a s e T h e S EM r e s u l t s o f t h e f r a c t u r e s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n s i n d i c a t e t h a t w h e n C F R P w a s h e a t e d t o 3 0 0 b y l a
12、s e r t h e i n t e r f a c i a l b o n d i n g b e t w e e n c a r b o n f i b e r a n d e p o x y r e s i n c h a n g e d s i g n i f i c a n t l y Wh e n t h e l a s e r h e a t i n g t e m p e r a t u r e e x c e e d s 4 2 0 t h e l o s s o f e p o x y r e s i n o n t h e s u r f a c e o f c a r
13、 b o n f i b e r s c a n b e o b s e r v e d Wh e n t h e l a s e r h e a t i n g t e m p e r a t u r e r e a c h e s 8 4 0 t h e o b v i o u s c a r b o n f i b e r w i r e a b l a t i o n p i t s c a n b e o b s e r v e d T h e r m o-g r a v i m e t r i c a n a l y s i s s h o w s t h a t i f C F
14、R P d o e s n o t h a v e s i g n i f i c a n t t h e r m a l w e i g h t l o s s a t h i g h t e m p e r a t u r e t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e n g t h o f C F R P d o n o t d e c r e a s e s i g n i f i c a n t l y I f a s i g n i f i c a n t w e i g h t l o s s p e a k o c c u r s
15、t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l w i l l d e c r e a s e o b v i o u s l y w i t h i n t h e c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r e r a n g e T h i s p a p e r c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c
16、a t i o n o f C F R P m a t e r i a l s a n d s t r u c t u r e s i n e x t r e m e t h e r m a l e n v i r o n m e n t s K e y w o r d s h i g h t e m p e r a t u r e l a s e r h e a t i n g D I C r e s i d u a l s t r e n g t h C F R P 碳纤维增强复合材料(c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m
17、e r,C F R P)具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳及阻尼减震性好等优点,在航空航天及土木工程等领域得到了广泛应用13。在实际工程应用中,C F R P材料的性能受温度影响较大,受环境温度作用后的力学性能变化将直接影响结构的安全性。因此,经历温度变化后的C F R P剩余力学性能研究引起了学者的广泛关注46。李承高7研究了碳纤维经高温(4 0 07 0 0)处理后的结构与拉伸性能的关系,并建立了相应模型。纪朝辉等8利用电流加热的方式研究了T 3 0 0/E 5 1型C F R P材料加热后的剩余压缩强度。结果表明,随着电流的增加,稳态温度也升高,电流产生的高温会破坏基体及界面的粘接性
18、能,当稳态温度大于1 8 0 时,C F R P材料的力学性能出现明显下降。郭云力9研究了雷击引起的瞬态高温温度场对C F R P层合板剩余力学性能的影响,结果表明,C F R P材料在瞬态高温影响下主要损伤形式有损伤坑和分层2种,引起损伤坑的主要原因是树脂热解及纤维烧蚀,引起分层的主要原因是气体膨胀和热应力。上述研究成果均表明,温度对C F R P材料的力学性能具有重要的影响,研究高温加热后的C F R P剩余力学性能具有重要意义。另一方面,激光作为一种新型热源正在不断发展,采用激光对复合材料进行热处理或模拟开展高温力学性能实验方面的应用变得越来越广泛1 01 4。目前,针对C F R P层
19、合板在激光加热后的剩余力学性能研究相对较少。比较有代表性的有:赵伟娜1 5测试了激光诱导高温下C F R P材料剩余拉伸强度,研究中忽略了激光辐照面与背面的温度差异,直接采用激光辐照面内的温度进行表征,获取了不同加热温度下C F R P层合板的剩余强度,并与传统加热方式下C F R P层合板的高温剩余力学性能进行了对比,结果表明,加热至相同温度时,激光加热方式下,C F R P的剩余拉伸强度要高于传统加热方式,在相同温度下材料的温升率越高,力学性能保持越好;M a等1 6实验获取了C F R P层合板在相同时间,不同功率密度激光加热后的剩余拉伸强度,研究中直接采用激光功率密度进行表征,没有进一
20、步研究激光引起的高温对C F R P材料剩余拉伸性能影响的作用机理。上述研究表明,激光加热对C F R P材料剩余力学性能影响机理的研究,无论从实验手段还是测试表征方法都亟待改进。本文基于激光双面辐照加热的方式,对T 7 0 0/9 A 1 6型C F R P材料进行均匀加热,采用数字 图像相关(d i g i t a l i m a g e c o r r e l a t i o n,D I C)技术开展了材料在拉伸载荷作用下的全场应变分析,结合扫描电子显微镜(s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e,S EM)与热分析等手段对激
21、光加热后材料剩余拉伸性能开展了研究,为相关材料在极端热环境下的工程应用提供技术支撑。2-203020 王家伟 等:均匀化激光加热C F R P层合板高温剩余拉伸性能第2期 1C F R P层合板经激光加热后的高温剩余力 学性能实验研究1.1试件规格实验选用T 7 0 0/9 A 1 6型C F R P层合板,试件尺寸为2 5 0 mm1 0 mm1 mm,在材料的两端黏贴1 0 mm 4 0 mm的加强片,单铺层厚度为0.1 2 5 mm,共计8层,铺层顺序为0,9 0,0,9 0,0,9 0,0,9 0,实验中使用的C F R P层合板规格如图1所示。(a)F r o n t v i e w
22、(b)S i d e v i e w图1实验中使用的C F R P层合板规格F i g.1 S p e c i f i c a t i o n s o f C F R P l a m i n a t e s u s e d i n t h e e x p e r i m e n t1.2均匀化激光双面辐照加热C F R P层合板实验为避免传统激光加热过程中试件表面及内部的不均匀性,便于对激光加热下的温度进行表征。本文采用均匀化激光双面辐照加热的方式对试件加热1 3,该加热方式可在材料加热区域形成较均匀的温度场。实验中使用的加热激光波长为1 0 8 0 n m。均匀激光光斑3维形貌及光斑中心横向
23、和纵向剖面功率密度分布,如图2所示。其中,激光到靶的光斑尺寸约为2 5 mm2 5 mm。均匀激光双面辐照加热C R R P层合板的实验场景如图3所示。均匀方形激光光斑辐照于试件表面后,剩余尺寸约为1 5 mm2 5 mm的矩形光斑经全反镜反射后照射到试件的后表面。实验中使用的全反镜对波长为1 0 8 0 n m激光的反射率达9 9%以上,可近似认为激光经全反镜反射后功率密度没有衰减。(a)3-D m o r p h o l o g y o f u n i f o r m l a s e r s p o t(b)L a s e r s p o t p o w e r d e n s i t y
24、 d i s t r i b u t i o n图2均匀激光光斑3维形貌及光斑中心横向和纵向剖面功率密度分布F i g.2 3-D m o r p h o l o g y a n d p r o f i l e p o w e r d e n s i t y d i s t r i b u t i o n图3均匀激光双面辐照加热C F R P层合板实验场景F i g.3 E x p e r i m e n t a l s c e n e o f C F R P h e a t e d b y l a s e r i r r a d i a t i o n o n b o t h s i d e
25、 s o f s p e c i m e n o f l a s e r s p o t 采用上述 方 法 可 实 现 单 激 光 束 等 功 率 密 度对试件两面同时加热的效果,设置激光加热时间为1 m i n。使用红外热像仪 记录在激光 加热下,试件前后表面的温度分布,热像仪发射率设置为0.9。激光加热初期,试件温度快速上升,但随着加热的持续,试件激光加热区域表面温度会逐渐3-203020第1 4卷现 代 应 用 物 理达到平衡。待温度达到稳定后停止激光加热,通过控制不同的 激光出光 功率达到控 制加热温 度的目的。考 虑 到C F R P层 合 板 在 激 光 加 热 过 程中的热解产气
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