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摘 要

为了克服传统高性能复合材料固有的脆性和不稳定破坏特性，通过在一定厚度的玻璃预浸层之间夹入不同层数的非连续薄碳纤维预浸层，制备了基于超薄预浸料的非连续纤维增强碳玻混杂层合板，并进行了拉伸实验。含有1层和2层薄碳预浸料的试件出现伪延性破坏，而含有3层和4层薄碳预浸料的试件出现分层不稳定的破坏。根据实验绘制出试件的应力-应变曲线，分析了碳-玻混杂复合材料的拉伸破坏过程。实验发现碳预浸料层越薄时，试件释放的能量越少，分层现象越少；碳预浸料层较厚时，会发生混杂型破坏与不稳定分层。得出非连续纤维增强的超薄碳玻混杂复合材料有相对高应变的稳定破坏。

关键词：超薄预浸料 碳纤维 非连续 伪延性

Experimental analysis of tensile properties of discontinuous fiber-reinforced carbon - glass hybrid laminates based on ultra-thin prepreg

Abstract

In order to overcome the inherent brittleness and unstable failure characteristics of traditional high-performance composites, discontinuous thin carbon fiber prepreg layers with different layers were sandwiched between glass prepreg layers of a certain thickness. The specimens containing 1 and 2 layers of thin carbon prepreg showed pseudo-ductility failure, while the specimens containing 3 and 4 layers of thin carbon prepreg showed layered instability failure. According to the experiment, the stress-strain curve of the specimens was drawn and the tensile failure process of the carbon-glass hybrid composite was analyzed. It was found that the thinner the carbon prepreg layer was, the less energy was released and the less delaminating was observed. When the carbon prepreg layer is relatively thick, hybrid failure and unstable delaminating will occur. It is concluded that the discontinuous fiber reinforced ultra-thin carbon - glass hybrid composite has relatively high strain stability failure.

Key Words: Ultra-thin prepreg; Carbon fiber; Discontinuous; Pseudo-ductility

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究现状及意义 2

1.2.1超薄碳纤维预浸料研究现状 2

1.2.2非连续纤维复合材料研究现状 4

1.2.3研究意义 5

1.3研究内容 5

第二章 复合材料相关理论 6

2.1具有伪延性的碳-玻混杂复合材料 6

2.2混杂层合板的失效模式 8

2.3非连续结构碳纤维 9

2.4非连续碳纤维和连续玻璃纤维层组成的混杂复合材料的伪延性 11

第三章 实验研究 12

3.1原材料 12

3.2铺层结构和复合试样的制备 13

3.3拉伸实验 15

第四章 实验结果的讨论分析 16

4.1应力-应变曲线 16

4.2失效形式分析 18

4.3经济性分析 21

第五章 结论 23

参考文献 24

致 谢 28

第一章 绪论

1.1引言

碳纤维增强复合材料（CFRP）比强度高，比刚度高，可设计性强，常用于大面积的整体成型，常应用于航天航空领域[1]，尤其是在飞机制造上拥有比较广泛的市场[2]。如今，CFRP的制备工艺逐渐成熟，其应用也从军用渐渐转向民用[3]。

混杂复合材料一般由两种或两种以上的复合材料制成，通常是用两种不同的纤维对同一基体进行增强，如果设计合理，可以有更好的综合性能[4]。在材料学科不断研究和发展的背景下，混杂复合材料的应用越来越广泛。例如，玻璃纤维的弹性模量低、伸长率高，成本较低，而碳纤维的弹性模量较高、延伸率低，成本较高，两者混杂之后将产生混杂效应，混杂后的碳玻混杂复合材料具有优异的综合性能[5]。图1-1、图1-2分别为混杂复合材料在航天航空、风力发电中的应用。

图1-1 混杂复合材料在航天航空领域的应用

图1-2 混杂复合材料在风力发电领域的应用

1.2研究现状及意义

1.2.1超薄碳纤维预浸料研究现状

近年来，基于超薄预浸料的CFRP层合板逐渐成为复合材料研究的方向。制备超薄预浸料的工艺过程中，纤维受到保护，几乎不会受到应力作用，与普通预浸料制造相比，降低了纤维的损伤率，因而改善了层合板的综合力学性能[6]。图1-3是在冲击试验中，普通预浸料和超薄预浸料的损伤截面对比[7]。

图1-3 冲击试验的损伤截面对比[7]

国内的张宝艳等[8]较早地利用碾压法制备超薄碳纤维预浸料，厚度为0.08mm。对这种结构进行了拉伸试验，得出复合材料薄层化的拉伸强度提升了大约5%。除此之外，常用的制造超薄预浸料的工艺还有两种：气流负压法和超声引导法。Hassan M. EL-Dessouky等[9]及Kazumasa K等[10]都阐述了气流负压法的工艺：在高温真空筒中，利用气流压力对普通预浸料进行处理，使得预浸料的厚度变小，宽度变大，从而变成超薄预浸料。这种方法能显著减小预浸料的厚度，最薄可至0.035mm，并且其受力均匀，能够缓解纤维断裂问题。超声引导法的工艺原理是：运用频率各异的超声波，使处于悬浮状态的纤维丝束产生横向扩展，以此来减小厚度，最薄可至0.04mm以下。超声引导法不依靠树脂的流动性，纤维损伤较少。刘军等[11]使用超声引导法制造超薄预浸料，并进行了相关试验。表1-1是三种制造超薄预浸料工艺的效果对比。

表1-1 T300-12K材料经超薄预浸料工艺后参数比较[11]

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