纤维缠绕制备碳/环氧复合材料的蠕变特性

由于碳纤维增强聚合物复合材料具有高刚度、高强重比以及优异的耐腐蚀性，而受到关注。因此，海事、航空航天工业正逐渐用这些复合材料替代金属结构部件，从而提高有效载荷。但是先进复合材料的机械性能也有一定的局限性。其中一个原因就是复合材料的力学性能（包括界面和层间性能）很大程度上取决于时间、温度和纤维取向。例如，虽然层压板（即单层）在沿纤维方向加载时通常不容易“蠕变”，但它们之间的不匹配会导致过度的应变和过早的失效。

蠕变是指在特定温度恒定负载下随时间变化的变形现象。从长期观点来看，它被认为是一种重要的材料属性，因为它与粘弹性应变直接相关。由于温度、应力和时间是描述粘弹性行为的关键参数，因此已经提出了几种模型来预测复合材料的长期蠕变行为。然而，由于时间和所涉及的成本问题，以前所尝试的预测不同温度和压力水平下的蠕变已经不足。

我们提出了一种快速且便宜的方法，该方法也为温度和应力的研究提供了高度的精度。 我们应用Findley经验功率公式和Burger四参数蠕变模型来预测碳纤维增强环氧长丝缠绕平板层合板的蠕变行为，并验证了实验的分析结果。其中，Findley经验功率公式描述了几种聚合物在很宽时间范围内具有良好精度的蠕变行为，Burger四参数蠕变模型包括基本的Maxwell和Kelvin-Voight元素并且其模拟粘弹性材料实际行为的结果是令人满意的。

图1（a）平面层压板的制造 （b）最终的单向纤维分布

我们使用由Toray T700-12K-50C碳纤维和UF3369环氧树脂组成的碳纤维增强环氧预浸料丝束（或towpreg）作为树脂体系。我们使用长丝缠绕系统生产扁平层压制品（如图1所示），其中将两束纤维缠绕到平坦的不锈钢心轴上。收缩胶带用于帮助层压板通过随后的固化过程。最终的纤维体积分数为〜72％，12层层压板的整体平均厚度为4.2mm。生产单向层压板并在离轴切割以提供以下样品：[0] 12，[30] 12，[45] 12，[60] 12和[90] 12（下标'12'代表层数）。

我们使用动态力学分析（来自TA Instruments的DMA Q-800）以三点弯曲设置进行蠕变测试。在30℃条件下，沿试样长度中心点施加2MPa的静态应力持续10min，并且在30和60℃下测量蠕变应变，作为时间（30min）的函数。

我们应用Findley和Burger模型来预测层压板的蠕变行为。Findley幂律模型如下式所示：

其中ε（t）指的是t时刻的蠕变应变，ε0是瞬时弹性应变或与时间无关参数，A是瞬态蠕变的振幅（取决于时间），n是常数。

Burger模型如下所示:

其中σ0是应力，EM是Maxwell模型（弹簧或恢复力分量）的弹性模量，EK是Kelvin模型的弹性模量，ηM和ηK分别是Maxwell和Kelvin阻尼器（阻尼分量 ）。

在30°C和60°C下获得的所有层压板的蠕变曲线，以及使用Findley和Burger模型获得的拟合曲线，如图2所示。蠕变行为随着取向角度变化而变化，特别是瞬时变形。离轴试样随着时间的推移呈现较高的变形，因为它们比[0] 12试样更依赖于基体行为。

对于横向取向的试样，由于应力传递较差，从而使得瞬时变形较大。由于纤维/基体相互作用部分是摩擦类型，而横向载荷完全依赖于纤维/基体界面的拉伸，因此这种类型的载荷更容易发生蠕变。在较高温度下观察到与纤维取向相似的趋势，但由于热效应引起的较高分子流动性而具有较大变形。

关于Burger模型的拟合，由于更有效的应力传递（对于更多纵向取向的样本），Maxwell粘度的降低与被约束的聚合物链相关。Kelvin粘度降低是由于当方向从0移动到90°时，基体和纤维之间的应力分布更均匀。因此，对于基体承受更多应力并且无定形聚合物链的短期粘度增加的复合材料，能获得更大的迁移率。

总之，层压板的粘弹性行为取决于纤维的取向以及蠕变性能。Burger和Findley模型都适用于预测单向试样的蠕变行为，通常表明与实验数据具有很好的拟合性。然而，Burger模型在较高的温度时往往偏离，并且纤维取向转向更高的角度。作为下一步，我们计划开发一个数值粘弹性模型和一个能够应用更高负载的实验装置。我们还将研究弯曲的、分层的细丝缠绕试样。

作者信息

José Humberto S. Almeida Jr

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF)

Humberto Almeida obtained his PhD in 2016 from the Federal University of Rio Grande do Sul, Brazil. He is currently an Alexander von Humboldt Fellow at Leibniz-IPF. His main research interests are variable-axial composites, damage modeling, buckling, optimization strategies, and creep.

Heitor L. Ornaghi Jr

Postgraduate Program in Materials Science and Engineering, Caxias do Sul University

Heitor Ornaghi graduated in polymer technology and obtained his PhD in physical chemistry of composites in 2014 at the Federal University of Rio Grande do Sul, Brazil. His main interests are physical chemistry of polymers, and mechanical, dynamic mechanical, thermal, creep, and relaxation properties of composites and nanocomposite materials.

Natália P. Lorandi

Postgraduate Program in Materials Science and Engineering, Caxias do Sul University

Natália Lorandi graduated in chemical engineering and received her MSc in materials science and engineering at Caxias do Sul University, with a focus on processing, creep, and viscoelastic properties of polymer composites.

Sandro C. Amico

Post-Graduate Program in Mining, Metallurgical and Materials Engineering, Federal University of Rio Grande do Sul

http://www.researcherid.com/rid/B-5237-2008

Sandro Amico received his PhD from the University of Surrey, UK. He is currently an associate professor at the Federal University of Rio Grande do Sul, where he coordinates the Composite and Nanocomposite Materials Group.

参考文献

[1] R. M. Guedes, Viscoplastic analysis of fiber reinforced polymer matrix composites under various loading conditions, Polym. Compos. 30 (11), pp. 1601-1610, 2009. 

[2] K. S. Fancey and A. Fanzal, Prestressed polymeric matrix composites: longevity aspects, Polym. Compos. 37 (7), pp. 2092-2097, 2016. 

[3] W. N. Findley, J. S. Lai and K. Onaran, Creep and Relaxation of Nonlinear Viscoelastic Materials, North-Holland, 1976. 

[4] M. I. Faraz, N. A. M. Besseling, A. V. Korobko and S. J. Picken, Characterization and modeling of creep behavior of a thermoset nanocomposite, Polym. Compos. 36, pp. 322-329, 2015. 

[5] J. H. S. Almeida Jr, H. L. Ornaghi Jr, N. P. Lorandi, B. P. Bregolin and S. C. Amico, Creep and interfacial behavior of carbon fiber reinforced epoxy filament wound laminates, Polym. Compos., 2017.