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Al-CF(碳纖維)RP復合管的徑向壓縮性能

發(fā)布日期:2019/11/30 11:04:03 訪(fǎng)問(wèn)次數:1244

碳纖維(CF)增強復合材料(CFRP)具有輕質(zhì)高強等特性[1–2],已逐步應用于航空、汽車(chē)和軌道交通等行業(yè),且由覆蓋件逐漸應用于主承力構件中[3]。然而,CFRP結構常出現脆性破壞,主要表現為纖維斷裂、分層和脫粘等現象[4–5]。在高速公路及橋梁防護欄等安全防護設施中,汽車(chē)與防護欄的碰撞實(shí)際是汽車(chē)與護欄上金屬管的徑向碰撞[6–7],然而傳統金屬已不能滿(mǎn)足如今高速碰撞的吸能性要求,而輕質(zhì)高強的CFRP因其脆性破壞也不能進(jìn)行直接替代,因此,國內外學(xué)者通過(guò)金屬與CFRP的混合形式來(lái)提高結構的徑向壓縮性能[8–10]。

目前,很多學(xué)者對復合材料與金屬及其它材料的混合形式展開(kāi)了研究,其主要是通過(guò)兩種材料混合使得復合材料以一種穩定、可控的方式產(chǎn)生變形,從而提升結構的能量吸收能力[11]。Yan Libo等[12]研究了聚氨酯泡沫填充亞麻織物復合材料圓管的徑向壓潰性能,結果表明,與相同尺寸的亞麻織物圓管和聚氨酯泡沫圓管相比,聚氨酯泡沫填充亞麻織物復合材料圓管的徑向壓縮性能有所提高;而蔡學(xué)瑜等[13]研究了鋁蜂窩填充CFRP圓管的徑向壓縮性能,同樣發(fā)現,與CFRP圓管和鋁蜂窩圓管相比,鋁蜂窩填充CFRP圓管的總吸能和比吸能均有提高,并且破壞模式也較為穩定;陳光偉等[14]研究了內襯聚偏氟乙烯熱塑層的纖維纏繞復合材料管的徑向壓縮性能,結果表明,纖維纏繞角度、層厚度及碳/

玻纖維混雜比均是影響其徑向壓縮性能的重要因素;Song Hongwei等[15]、H. C. Kim等[11]分別對CFRP纏繞鋁管(Al-CFRP)混合圓管和方管進(jìn)行了軸向壓縮的實(shí)驗,研究表明,復合材料厚度以及鋪層方式等對軸向壓縮性能都有較大影響。作為防護以及管道使用時(shí)需考慮徑向壓縮下管件的吸能與承載能力,在這方面對于A(yíng)l-CFRP混合圓管的研究較少。上海工程技術(shù)大學(xué)等采用實(shí)驗和仿真相結合的方法,通過(guò)準靜態(tài)徑向壓縮實(shí)驗,分別對純Al管、純CFRP管以及Al-CFRP復合管破壞模式進(jìn)行了研究,并進(jìn)一步結合仿真和實(shí)驗結果分別研究了Al-CFRP復合管內襯Al管和外層CFRP管的失效機理。


主要原材料

Al管:AA6063T6,東莞市廣美鋁業(yè)有限公司;

CF:T700–12K,日本東麗株式會(huì )社;

環(huán)氧樹(shù)脂(EP):BAC172,浙江百合航太復合材料有限公司。


試件制備

通過(guò)濕法纏繞工藝,將預浸過(guò)EP樹(shù)脂的CF絲束纏繞在芯模上,然后將纏繞好的CFRP管脫模并用真空袋密封好,最后放置于烘箱中固化成型,制得CFRP管。

Al-CFRP復合管由純Al管外層纏繞CFRP組成,純Al管的外徑與純CFRP管的內徑相同,其中純Al管內徑為35.5?mm,壁厚為1.5?mm,樣件長(cháng)度為60?mm,而純CFRP管內徑為38.5?mm,鋪層數為6層,根據現有纏繞機特點(diǎn),本次實(shí)驗設計的CF纏繞角度為[45°/–45°/90°]2,純Al管、純CFRP管和Al-CFRP復合管的結構如圖1所示,純Al管和純CFRP管的性能參數列于表1,詳細幾何結構參數列于表2。

在進(jìn)行Al-CFRP復合管樣件制作時(shí),為增加Al管外表面的粗糙度,提高Al管外表面與CFRP層的界面粘接強度,在進(jìn)行復合管纏繞之前,首先需要使用砂紙將Al管的外表面進(jìn)行打磨拋光處理;然后將打磨后的Al管浸泡在丙酮中進(jìn)行清洗,去除表面雜物。通過(guò)濕法纏繞工藝將CFRP絲束纏繞在清洗后的Al管上,其中0°為沿管的軸向方向。最后將纏繞好的復合管用真空袋密封好放置于烘箱中固化成型。以預浸料中過(guò)量的樹(shù)脂作為膠粘劑,實(shí)現CFRP和Al管之間的粘結,制得復合管。


性能匯總

采用實(shí)驗和仿真相結合的方法,分別對純Al管、純CFRP管以及Al-CFRP復合管進(jìn)行了準靜態(tài)徑向壓縮實(shí)驗,研究了其在徑向壓縮作用下的破壞模式和性能。實(shí)驗結果表明,Al-CFRP復合管承載具有穩定的破壞模式且明顯改善了純Al管和純CFRP管的徑向壓縮性能,相比純CFRP管,其峰值載荷、總吸能和比吸能分別提高了77.4%,223.5%以及39.6%。進(jìn)一步通過(guò)仿真分析并結合實(shí)驗結果,分別研究了Al-CFRP復合管的內襯Al管和外層CFRP管在徑向壓縮過(guò)程中的應力、應變變化,更好地解釋了Al-CFRP復合管在徑向壓縮時(shí)的破壞機理,發(fā)現由于A(yíng)l管和CFRP管的相互抑制作用,使得Al管并未發(fā)生側壁斷裂且改善了CFRP管的纖維斷裂和分層現象,整個(gè)徑向壓縮過(guò)程更為穩定。因此,Al-CFRP復合管可以有效地提高傳統金屬和復合材料管的徑向壓縮穩定性和吸能性并實(shí)現了輕量化。



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