李靖宇 任博容 于杰 潘云龙
江苏镇江 江苏大学机械学院 212013
摘要：本项目基于FSAE方程式大赛赛车性能提升的需求，以及国内外已有的对碳纤维材料的力学性能的研究，采用力学和位移传感器来测量碳纤维板的性能，通过对断裂处的分析以及查找断裂原因和机理来优化材料的制造工艺以及性能。为赛车不同部位不同工况下的碳纤维材料的使用提供依据以及优化方案。
关键词：方程式赛车、碳纤维材料、断裂分析
一．国内外研究现状、水平和发展趋势
随着航空航天飞行器各项性能的不断提高,对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是:在增强材料方面,进一步提高碳纤维的强度和模量,降低成本;在树脂基体方面,主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性;在复合材料成型技术方面,进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术,从而同时提高复合材料性能降低制造成本。
美国是碳纤维生产大国,更是消费大国,世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国199 6年碳纤维生产能力约为4500t,其中卓尔泰克(ZOLTEK)公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线,1997年的总生产能力达3000t左右,一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。
随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降,在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。
除日美之外,德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测,今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。
据悉,碳纤维是国际上20世纪70年代发展起来的高性能材料,具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、稳定性强等特点,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。鉴于此,碳纤维广泛应用于航空航天、现代国防、汽车制造、特种机械、新型建材、体育设施等领域,前景广阔。
目前,我国对碳纤维的研究还停留在小试、中试阶段。
汽车由于目前碳纤维的价格偏高,只能说是未来潜在的大市场。日产汽车公司的“skylinegt-r”的外装材料已使用CFRP;丰田汽车公司自1996年秋起已将CFRP用于“markⅡ”等3种车的内装材料,这两家公司都正与东丽共同开发CFRP制车体,应用于卡车上。现最引人注目的是美国的压缩天然气(cng)压力容器和消防车的氧气压力容器。今后随着大丝束碳纤维价格的进一步下降回收技术的确立,预期将应用于汽车的许多部件和结构材料。
碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料,属于高新技术产品,具有高比强度,高比模量,耐高温,耐腐蚀,耐疲劳,抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,它既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用。因此其近年来发展十分迅速,在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用,被誉为是21世纪的新材料。
二．项目研究方案
通过控制变量法制作出不同型号（通过对环氧树脂加入量和加入碳纤维布的不同量进行区分）的碳纤维符合材料板材，将板材通过实验仪器测出强度、刚度等力学性能，对部分式样进行破坏性实验，通过仪器观察断口处情况，分析断裂原因，从分析中得到碳纤维复合材料板的优化方向以及优化方法。在优化分析之后，结合分析结论二次制造材料，进行同样的力学实验，与之前设计对比得出结论，验证实验的可靠性。
按照复合材料弯由性能试验ASTMD7264标准，选定碳纤维复合材料层合板试件长宽厚为80mm×12mm×2mm,铺层角度为0°，平纹编织，共8层，试件尺小如图1所示。基体材料为酚醛环氧乙烯基树脂，增强材料为3k碳纤维丝。
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按照复合材料抗拉特性试验ASTMD3039标准进行0°与+45层合板单轴拉伸试验，分别获得了表征该材料拉伸和面内剪切性能的应力应变曲线如图2、3所示。三点弯曲试验装置(JSM-5600)如图1所示，由压头、试件和两个支撑柱组成，两支撑柱间的距离(跨距L)为50mm,压头和支撑柱半径为2mm。将试件对称放置在两个支撑柱上,在试件中部，压头以位移控制方式对层合板向下施加载荷，加载速率为2mm/min。
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层合板试件在弯曲载荷作用下，连续加载至试件破坏，记录载荷-位移(F-8)数据，取平均值得到如图4所示的F-8曲线，其中8为压头加载点的位移，F为相应位置的施加载荷。使用扫描电子显微镜记录试件不同断裂时刻的裂纹图像，如图4中P、Q、R三个时刻试件的横向裂纹以及图5中试件的层内(厚度方向)裂纹与层间(纵向)裂纹。试件弯曲过程中，从底层逐层断裂破坏，同时发生明显的分层损伤，直全试件完全脆性断裂，断裂位置均位于试件中部。
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三．实际应用价值分析
碳纤维应用于汽车后，给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化，最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言，车重减小10％，油耗降低6％～8％，排放降低5～6%, 0-100km/h加速性提升8-10%，制动距离缩短2～7m。车身轻量化可以使整车的重心下移，提升了汽车操纵稳定性，车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍，这进一步保证了汽车的安全性。
碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼，轻合金需要9秒才能停止震动，碳纤维复合材料2秒就能停止，故碳纤维应用在汽车上，对于整车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）的提升贡献同样很大，会大幅增强汽车行驶的舒适性。碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度，钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%，而碳纤维复合材料可达70-80%，因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。
参考文献：
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【3】袁鑫超.碳纤维复合材料多层内部结构及缺陷检测方法研究[C].电子科技大学，2018
【4】郭昌盛、田亚红、杨建忠.碳纤维性能及表面改性方法研究.成都纺织高等专科学校学报，2016,33（1）