[发明专利]一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备方法。所述碳纤维层合板包括在与长度方向呈夹角θ的两个方向上铺设的碳纤维，还包括在长度方向上、与长度方向垂直的方向上，或者与长度方向呈夹角θ的两个方向相垂直的两个方向上铺设的碳纤维。本发明通过设计新型铺设结构，提出[±θm/0n]s、[±θm/0n/90n]s、[θm/(90+θ)n/‑θm/(90‑θ)n]s等新型铺设结构，使碳纤维层合板发生平稳的渐进损伤过程，并增强其在其他方向的承载能力，增强材料的各向承载力及其伪延性；可以通过调整θ的大小，获得在不同方向上具有不同的拉伸强度和伪延性的碳纤维层合板，满足不同的需求；所述碳纤维层合板的制备方法操作简单，便于工业生产。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于超薄纤维预浸料的高性能碳纤维层合板及其制备方法。

背景技术

正所谓“一代材料、一代装备”，因此新材料产业是国家战略性新兴产业之一， 决定着一个国家的装备发展水平。欧美等发达国家十分重视新材料技术发展，提出了 明确的发展计划，如德国工业4.0、美国的国家纳米技术计划和材料基因组计划等。其 中碳纤维复合材料(CFRP)作为新型军民两用材料，是实现航空航天装备轻量化，加 速建筑、能源、交通等行业发展的重要保障。

然而，传统碳纤维复合材料强度和韧性的互斥性是长期以来困扰其设计领域的重要问题之一。虽然CFRP具有重量轻、强度大、模量高等优点，但其脆性本质以及较 弱的剩余强度在一定程度上限制了其应用扩展。例如，由于轻微冲击造成CFRP内部 局部的结构损伤，此时虽然外观完好，但容易在未出现明显损伤预警且远低于设计载 荷的负载作用下发生脆性断裂，如CFRP风力机叶片和自行车结构的断裂现象。为了 确保安全，相比于其他韧性较好的材料，CFRP的最大许用应力往往采用更大的安全系 数。这一设计局限性不仅使CFRP的性能优势不能得以充分发挥，同时使其不适合应 用于一些载荷条件不易预测的场合。

因此，能够同时增强增韧的材料设计理念是研究高性能CFRP长期以来的一个悬而未决的挑战，即如何使CFRP具有类似于金属材料的非线性渐进失效过程令其在最 终破坏前具有明显的失效预警现象，即，使CFRP从脆性失效模式转变为伪延性失效 模式，在CFRP失效断裂前产生伪延性应变，实现增韧，如图1所示。实际应用中大 多数复合材料结构会设计成[±45]ns或[45/0/-45/90]ns的准各向同性层合板，以承受不 同方向的载荷。但是这类准各向同性层合板由于纤维铺设角度较大，导致其弹性模量 和失效应力相对较低。因此，有学者提出通过减少纤维与载荷方向的夹角来改善这一 问题。鉴于超薄碳纤维预浸料在抑制层合板损伤扩展方面的优良性能，有人通过拉伸 实验研究了不同角度的小角度铺设超薄碳纤维预浸料层合板([±θ]5s)，发现由于基体材 料的塑性变形，纤维相对于载荷方向发生旋转，如图2所示，得到了明显的非线性应 力应变响应。其中[±25]5s和[±30]5s两种层合板的伪延性应变分别达到了1.2％和 2.88％，同时保证了较高的纵向拉伸强度。(Pseudo-ductility and damage suppression in thin ply CFRP angle-plylaminates.J.D.Fuller,M.R.Wisnom.Composites:Part A 69(2015) 64–71.)

然而，这种小角度铺设结构虽然提高了纵向的强度和模量，且由于纤维方向重构实现了其非线性力学性能，但是由于没有纤维的多重断裂，并未出现平稳的渐进损伤 过程(如图3c和3d)。而且由于角度较小，造成材料在其他方向承载能力较弱，且无 伪延展性。因此，如何改善铺设结构以及优化设计纤维角度，使角铺设结构材料在不 同方向都具备呈平稳渐进损伤过程的非线性力学响应，以及提高碳纤维混合铺设结构 的伪延展性，这些都是亟需解决的问题。