本文對(duì)采用單絲束和多絲束兩種纏繞不同的纏繞方式制作的CFRTP管進(jìn)行壓縮強(qiáng)度評(píng)估測(cè)試。結(jié)果顯示，與單絲束纏繞相比，多絲束纏繞的CFRTP管不易發(fā)生彈性屈曲，吸收能量的特性顯著。
1. 前言
熱塑性碳纖維復(fù)合材料(CFRTP)，或者叫碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，是性能強(qiáng)大卻異常環(huán)保的新型材料，同時(shí)它也是全世界都在極力研發(fā)探索的一種材料，近年來備受關(guān)注。與熱固性復(fù)合材料(CFRP)相比，從量產(chǎn)性、二次加工性、再循環(huán)性、成型時(shí)不伴隨化學(xué)反應(yīng)等方面考慮，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。
CFRP管材一般是采用FW（纖維纏繞）工藝制作，傳統(tǒng)的單絲束纏繞面臨生產(chǎn)效率低等問題。為了提高生產(chǎn)效率和管材的力學(xué)性能，開發(fā)了一種多絲束同時(shí)纏繞工藝，并對(duì)兩種方法生產(chǎn)的CFRTP管材進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試評(píng)估。
2. 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 材料
材料使用將尼龍纖維（LEXTER8500、三菱氣體化學(xué)公司）和碳纖維（TR50S-12k、三菱化學(xué)公司）混織后半浸漬的混捻紗（1334dtex、Vf:48.7%、卡吉列奈公司），芯模直徑為12mm。
2.2 單絲束FW法管材成型
單絲束FW法管材成型條件如下所示：
裝置：纖維纏繞機(jī)（FWM-1500LF，旭化成工程有限公司）
纖維絲束：?jiǎn)胃?/span>
鋪層：6層
纏繞方向：45°螺旋纏繞
外徑：15mm
內(nèi)徑：12mm
成型加熱溫度：220~230°C
碳加熱器：Metro電氣工業(yè)公司
包裝帶：G105，日本Polymer公司
2.3 多絲束FW法管材成型
多絲束FW管材成型條件如下：
裝置：多絲束纖維纏繞機(jī)（MFW48-1200KS，村田機(jī)械公司）
纖維絲束：8根
鋪層：6層
纏繞方向：+45°、-45°、+45°、-45°、+45°、+45°
成型速度：60mm/min
輸入電壓：150V
外徑：15mm
內(nèi)徑：12mm
成型加熱溫度：220~230°C
碳加熱器：Metro電氣工業(yè)公司
包裝帶：G105，日本Polymer公司
2.4 壓縮強(qiáng)度測(cè)試
針對(duì)軸向的強(qiáng)度進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試條件如下：
裝置：AG-kNXPlus（島津制作所）
試驗(yàn)管材長(zhǎng)度：50mm
試驗(yàn)管材數(shù)量：5根
溫度·濕度：23°C、50%RH
試驗(yàn)速度：5.0mm/min
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 單絲束FW管材壓縮強(qiáng)度測(cè)試
如圖1所示單絲束FW纏繞管材的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。
圖1 單絲束FW纏繞管材的壓縮強(qiáng)度測(cè)試
除了3號(hào)管的其他四根均在彈性范圍內(nèi)發(fā)生壓曲現(xiàn)象。發(fā)生彈性壓曲的試驗(yàn)管材隨著應(yīng)變?cè)龃螅瑝嚎s應(yīng)力有降低的傾向。另一方面，在彈性范圍內(nèi)未引起壓曲的試樣3發(fā)生連續(xù)的塑性壓曲變形，隨著應(yīng)變?cè)龃螅瑝嚎s應(yīng)力逐漸變大。由此可知其具有優(yōu)異的吸收能量的特性。試驗(yàn)后的管材如圖2所示。
圖2壓縮強(qiáng)度測(cè)試后的單絲束FW管材
發(fā)生塑性壓曲的試樣呈現(xiàn)波紋狀變形，負(fù)荷延軸向使試樣遭到破壞。另一方面，發(fā)生彈性壓曲的試樣局部損傷，負(fù)荷集中在損傷處，一邊彎曲一邊被破壞。
在單絲束FW法中，由于在卷繞纖維時(shí)產(chǎn)生了交織點(diǎn)，因此應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生壓曲現(xiàn)象。
3.2 多絲束FW管材壓縮強(qiáng)度測(cè)試
多絲束FW管材壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。與單絲束FW管材不同，沒發(fā)生彈性壓曲現(xiàn)象。在達(dá)到最大壓縮應(yīng)力后，隨著應(yīng)變變小而變大，壓縮應(yīng)力有緩慢增加的傾向。
圖3 多絲束FW纏繞管材的壓縮強(qiáng)度測(cè)試
圖4 壓縮強(qiáng)度測(cè)試后的多絲束FW纏繞管材
4. 結(jié)語
本研究的結(jié)果如下：
（1）單絲束FW纏繞管材由于存在碳纖維的交織點(diǎn)，因此容易發(fā)生彈性壓曲現(xiàn)象。
（2）單絲束FW纏繞管材在發(fā)生連續(xù)塑性壓曲變形時(shí)，顯示出良好的能量吸收特性。
（3）多絲束FW纏繞管材不易發(fā)生單行壓曲，碳纖維一邊剝離一邊被壓壞，證明其有優(yōu)異的能量吸收特性。
5. 參考文獻(xiàn)
Tadashi Uozumi, Akio Ohtani, Asami Nakai, Motohiro Tanigawa, Tatsuhiko Nishida and Takahiro Miura: Journal of Mechanics Engineering and Automation 5 5,435-439(2015)
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