摘要
碳纤维自身不仅具有低密度、极高的拉伸强度和模量以及耐化学性能，而且其复合材料更是在航天航空、船舶海洋、风电叶片、交通运输和体育休闲等各个领域都有应用，并且未来存在着更大的发展潜力。但是，脆性大以及韧性差等特点使碳纤维复合材料抗冲击性能相对较差，导致在面临冲击时材料内部产生一定程度的损伤，剩余强度会严重下降，限制了其在结构材料中更广阔的应用。聚酰亚胺（PI）纤维具有优异的机械性能、热稳定性、耐紫外辐照等特性以及良好的韧性和延展性，使得PI纤维复合材料抗冲击性能良好，但其抗拉强度和刚度相对较低。为此，本文以提升碳纤维复合材料的抗冲击性为研究目标，将碳纤维和PI纤维进行不同形式的混杂，利用混杂协同效应实现复合材料的所需的性能。研究如下： 采用湿法制备PI纤维和碳纤维预浸料，单层厚度为0.125mm，通过层间混杂方法设计了14种不同的混杂结构，采用模压成型制备PI纤维/碳纤维混杂复合材料，通过落锤试验以及冲击后的压缩试验探究混杂复合材料的冲击响应和损伤机理，研究了混杂比和铺层顺序对试样低速冲击性能的影响。研究表明，随着PI纤维在混杂复合材料中占比的增加，吸收的能量增多，抗损伤能力有所增强，损伤面积变小。当改变两种纤维的铺层顺序时，表面为PI纤维的复合材料吸能效果比表面为碳纤维的复合材料更好，其中吸收能量最大的为PI纤维在两侧、碳纤维在中间的复合材料（H2），而损伤面积最小的为碳纤维在表面、PI纤维在底部的复合材料（H4），其次为H2。PI纤维/碳纤维混杂试样的剩余压缩强度呈现出正向混杂效应，当试样中PI纤维与碳纤维比例为1:1时，正向混杂效应达到最大，表面为PI纤维的复合材料剩余压缩强度比表面为碳纤维的更高，其中PI纤维在两侧、碳纤维在中间的C-H2的复合材料剩余压缩强度最高。 对比不同的混杂比，以及铺层顺序，测试了混杂复合材料的力学性能差异，并给出了结果分析。发现随着碳纤维在复合材料中占比的增加，其拉伸强度和模量呈现出增大趋势，但为负混杂效应。当PI纤维与碳纤维比例不变时，两种纤维分布越均匀，复合材料的拉伸强度和模量越大。随碳纤维含量的上升，复合材料的弯曲强度、模量以及剪切强度也呈上升趋势，复合材料的弯曲性能主要与压缩侧的纤维有关，当压缩侧为碳纤维时其弯曲强度和弯曲模量较高；剪切性能呈现的规律为，当碳纤维位于压缩面时，复合材料的剪切强度高于PI纤维位于压缩面的样品，并且纤维层之间界面数越多，复合材料剪切强度越低。试样的失效机制主要呈现为，碳纤维复合材料呈脆性断裂，PI纤维复合材料呈韧性断裂，混杂复合材料脆性断裂和韧性断裂相结合，损伤减小。同时，PI纤维的加入能够阻碍裂纹的扩展，增加复合材料的韧性。
NETL