纤维张力对纤维缠绕碳/环氧复合材料试件物理力学性能的影响
1. 研究背景与引言
研究背景
随着对清洁能源的需求增加，燃料电池电动汽车（FCEV）成为一种有前途的零排放交通工具。氢气作为燃料电池的燃料，其高效存储是关键问题。目前，IV型压力容器是最成熟的气态储氢技术，它由聚合物内衬和碳纤维增强塑料（CFRP）缠绕层组成。
复合材料压力容器（CPV）在汽车行业的应用受到严格的性能、可靠性和耐久性要求的限制。此外，碳纤维的高成本使得降低CPV的材料成本成为必要。结构优化是降低储氢成本的关键，包括对CPV的各个方面进行研究和改进。
研究目的与意义
尽管已有研究针对CPV的一些方面进行了优化，如穹顶几何形状和铺层方向，但对于层叠顺序对CPV最终强度的影响，实验研究相对较少。本研究旨在通过实验和分析方法，深入研究层叠顺序对CPV性能的影响，为CPV的设计和优化提供理论依据和实践指导。
2. 材料与试样制备
材料特性
研究选用高强度标准模量碳纤维增强环氧树脂作为结构材料。为确定材料性能，按照EN ISO 527标准制造并测试拉伸试样，分别在纵向（0°）和横向（90°）方向进行测试。材料在0°方向的拉伸模量为127.28 ± 1.30 GPa，拉伸强度为2369.30 ± 53.77 MPa，破坏应变为1.63 ± 0.07%，纤维体积分数为57.16 ± 0.13%，泊松比为± 0.32；在90°方向相应的值分别为7.63 ± 0.02 GPa、29.90 ± 1.38 MPa、0.40 ± 0.02%、57.88 ± 0.38%和0.02。
表1：纤维张力。
图1. NOL环形试样绕组。
亚尺寸容器制造
容器采用机器人辅助缠绕系统制造。以聚酰胺6内衬和两个铝制凸台为基础缠绕体，内衬具有$8.6 × 10^{-3} m^{3}的内部存储体积。在缠绕过程中，使用碳纤维增强环氧树脂作为结构材料，并在缠绕后将容器在烘箱中以恒定旋转的方式进行固化。整个制造过程中，容器内部保持加压状态。
图2.纤维张力测量图。
图3.样品切割过程
图4.树脂拾取样品。
图5.绕组期间的张力测量值。
层叠序列规划
考虑五种不同的层叠序列，这些序列具有相同的缠绕角度集 合，但排列顺序不同。为确保实验结果的可比性，在设计层叠序列时，保持层数、极孔开口、圆柱段末端高角度层的锥度长度等结构参数不变，同时纤维张力、固化周期和内部压力等制造参数也保持一致。此外，为每个序列选择相同的纤维批次，并保持最内层和最外层相同，以减少因与聚合物内衬界面相互作用或固化过程变化而产生的影响。将层分为低角度层15^<65^）和高角度层（65^≤<89^）两组，通过比较不同序列来研究定位和分组两个变量对容器性能的影响。例如，通过比较序列C、D和E研究层组的定位影响，通过比较序列A、B和C研究层的分组影响。
图6.复合材料外壳。
图7. NOL环。
图8.复合壳体。
3. 实验设置
测试室构造与功能
实验使用专门设计的测试室。容器在测试室内通过定位 - 浮动轴承装置夹紧，并通过液压方式进行加压，压力增加速率为1 MPa s^{-1}。测试室配备了减震器，用于在容器爆破时减少冲击能量。在测试室的底部、中部和顶部每隔120^的位置安装了立体测量系统，每个立体测量系统由两个摄像头和一个投影仪组成。对于亚尺寸容器几何形状的实验，仅使用中部和底部的立体测量系统，共六个系统。摄像头分辨率为$1624 × 1234 px，像素大小为4 μm，采样频率为1 Hz。
图9溶剂中浸渍纤维
3D数字图像相关技术应用
采用GOM Correlate Professional软件，利用3D数字图像相关技术（3D DIC）进行测量和分析。通过在容器周围布置多个立体测量系统，不仅可以评估局部应变分布的变化，还可以比较不同层叠序列之间的各种变形参数。在测量过程中，考虑了圆柱截面、穹顶以及圆柱 - 穹顶过渡区的应变和位移。对于圆柱截面，感兴趣区域为围绕容器中点的200 mm范围，覆盖圆周的40^；对于穹顶和圆柱 - 穹顶过渡区，考虑上下侧轴向长度为60 mm的区域，由于对称性，在本次研究中仅展示下侧的结果。轴向位移通过测量上部凸台的相关点来跟踪。
图10.树脂质量分数图。
纤维体积分数和孔隙率分析方法
针对层叠序列A、C和E的层合板质量进行详细分析。为避免因损伤进展导致的不确定性，仅考虑未加压的容器。对于每个被研究的层叠序列，额外制造一个容器并从中取样。在纤维体积分数分析中，每个测量取五个样品，采用酸消化试验方法。除了对整体层合板的纤维体积分数进行测量外，还对序列C和E横截面中的高、低角度层组分别进行研磨和分析。对于孔隙率分析，为每个层叠序列准备三个尺寸为10 × 10 mm^{2}的样品，使用X射线计算机断层扫描（CT）进行扫描，扫描分辨率为20 μm，然后使用VGStudio®软件对扫描结果进行后处理和分析，以获取孔隙率在层合板厚度方向上的分布情况。
图11.从NOL环中获得的Vf样品。
图12：纤维体积分数图。
4. 3D弹性理论基础与应用
理论基础
在复合材料结构设计的早期阶段，对于丝状缠绕复合材料结构，可以使用网理论进行初步分析，这种方法具有时间和成本效益。对于薄壁复合材料结构，经典层合理论可用于设计目的。然而，随着壁厚增加，这些方法的准确性会降低。对于厚壁复合材料的分析计算，基于3D弹性理论的方法更适用。本研究中，由于容器的平均内外半径比为1.125，需要考虑壁厚效应，因此采用了基于3D弹性理论的方法，并根据所使用的几何形状进行了调整和应用。
图13. NOL环测试。
图14.环抗拉强度(r)图。
应用方法
该方法利用3D应力 - 应变和应变 - 位移关系以及在圆柱坐标系下表述的平衡方程，对复合材料圆柱进行应力和变形分析。通过设定一系列假设条件，如u_{r}=u_{r}(r) ; u_=u_(r, z) ; u_{z}=u_{z}(z)，可以确定径向和切向位移。这些边界条件考虑了FRP层界面处径向位移和应力的连续性，以及内层和外层的压力与内部和外部压力的匹配。在分析过程中，考虑了第一层层失效准则，基于纤维方向的最大应力来预测爆破压力。然而，这种方法忽略了加压过程中损伤的起始和发展，可能导致非保守的预测结果。虽然已有一些关于渐进失效分析的研究可以提高预测的准确性，但由于计算成本较高，不在本研究的范围内。此外，该方法仅适用于圆柱部分，未考虑穹顶或圆柱 - 穹顶过渡区的影响，并且假设纤维体积分数和孔隙率在层合板厚度方向上是恒定的，这可能与实际情况存在差异。
图15.复合材料壳体质量测量。
图16.复合外壳质量图
图17.壳体厚度测量
5. 结果呈现与分析
纤维体积分数和孔隙率分析结果
纤维体积分数分析表明，由于制造过程中没有树脂损失，所有层叠序列的层合板整体纤维体积分数（FVF）保持在57.32 - 57.77%的范围内基本不变。然而，在层叠序列C和E中，高角度层65^≤<89^）和低角度层（$15^{\circ}≤<65^）组的FVF存在差异。低角度层在极点处压实程度较高，在圆柱段压实程度较低；高角度层在圆柱处压实程度最大。对于序列C和E，高角度层组的FVF高于低角度层组。与序列C不同，序列E的低角度层组未得到压实，导致其纤维体积分数显著较低，为53.41%。虽然层合板整体FVF不变，但序列C的外层表面形成的树脂层会影响测量结果。
孔隙率分析结果显示，对于所有层叠序列，孔隙率从层合板内部向外部逐渐增加。序列C的平均孔隙率最低，为1.85\%，这是由于外层的高角度层对内部层起到了压实作用。相比之下，序列E的平均孔隙率最高，为3.41%，这是因为其内部的高角度层组（65^≤<89^）缺少压实作用。此外，对于序列C和E，孔隙率突然增加的位置是从高角度层组到低角度层组的过渡区域。与序列C和E不同，序列A由于层组交替，孔隙率呈现较为平缓的增加趋势，平均孔隙率为2.30%
图18.壳层厚度曲线图
3D弹性理论分析结果
根据3D弹性理论的分析结果，在不同层叠序列之间，预测的外层切向应变变化为9.68%，爆破压力变化为4.86%。对于所有层叠序列，预测爆破压力的关键因素是具有最高角度（即切向方向刚度最高）的最内层。通过对不同序列的比较，可以得出两个主要结论：首先，将具有高切向刚度的层分组在一起会增加预测的爆破压力，这可以从序列A、B和C的比较中看出；其次，具有高切向刚度的层组的定位也会对预测爆破压力产生影响，如从序列B和D的比较中可以得出。然而，层的分组对预测爆破压力的影响似乎比定位更大，因为序列C和E的预测爆破压力非常相似。
图19.样品的酸消化情况。
实验结果分析
CFRP质量分析表明，对于亚尺寸容器几何形状，不同层叠序列的CFRP质量差异较小，仅为1.94%。然而，不同层叠序列的爆破压力差异显著，最大可达67.14%，例如序列C和E之间。
圆柱截面应变分析显示，在圆柱截面的预定区域内，子午向和切向方向的平均应变存在差异，切向应变的差异通常大于子午向应变的差异。当多数高角度层位于层合板内侧时，如序列E，其外层切向应变最低；当多数高角度层位于层合板外侧时，如序列C，其外层切向应变最高，这与3D弹性理论预测的结果相符。然而，仅圆柱截面的外应变差异不能完全解释爆破压力的显著差异。
轴向位移分析表明，在容器上部凸台处测量的轴向位移在不同层叠序列之间存在差异。类似于圆柱截面的应变情况，序列C的轴向位移最高。而且，轴向位移的相对差异大于圆柱截面应变的相对差异。例如，在70 MPa内部压力下，序列C的轴向位移比序列E高75.43%，切向应变比序列E高28.63%.此外，在较高压力阶段（≥100 MPa），轴向位移呈现明显的非线性，这与先前的研究结果相符，可能是由于金属凸台的塑性变形以及穹顶部分复合材料的损伤，如基体微裂纹和纤维 - 基体脱粘等。
图20：纤维体积分数图。
圆柱 - 穹顶过渡区分析表明，圆柱应变和轴向位移之间相对差异的增加暗示了圆柱 - 穹顶过渡区的影响。对预定穹顶区域的应变分析表明，该区域的切向应变与轴向位移呈反比关系，序列C的切向应变最低，序列E的切向应变最高。
分析与实验结果相关性分析
应变相关性分析表明，测量的应变与3D弹性理论预测的结果进行比较，在圆柱截面的切向方向上，所有层叠序列的应变显示出较好的一致性。对于序列A - D，预测应变与测量应变的差异在1.02% - 7.36%之间，对于序列E，最大差异为14.02%。层合板厚度方向上不同的纤维体积分数和孔隙率分布可能是导致序列间预测与实验结果偏差的原因。
爆破压力相关性分析表明，预测的爆破压力与实验结果存在差异。对于序列A、B和C，预测结果略高估爆破压力，差异在3.43% - 6.30%之间；对于序列D和E，爆破压力明显低于预测，差异分别为16.66%和43.60%。与序列A、B和C不同，序列D和E在最终失效时圆柱截面保持完整，因此圆柱 - 穹顶过渡区测量到的高切向应变与这些序列的最终失效存在因果关系。通过对序列E的一个额外容器加压至74.51 MPa并使用CT检查高应变区域，发现高应变区域存在分层现象，分层位于高角度锥形区末端，这是多种因素共同作用的结果，包括几何过渡引起的弯曲、层合板子午向弯曲刚度的影响以及子午向扩展 - 弯曲耦合的作用。在圆柱 - 穹顶过渡区，由于刚度变化和层的脱落，会出现应力集中和应变变化，从而影响容器的整体性能和最终失效模式。
图21.复合材料外壳的UT
6. 研究结论与展望
研究结论
层叠顺序对复合材料压力容器的层合板质量、结构变形和爆破压力具有显著影响。这种影响主要体现在两个方面：一是通过改变孔隙率和纤维体积分数来影响层合板质量；二是通过圆柱 - 穹顶过渡区的层合板响应来影响结构变形和爆破压力。
虽然层合板质量的变化对机械强度有一定影响，但在本研究中，圆柱 - 穹顶过渡区的行为对最终性能起关键作用。在过渡区，外层表面应变较低的序列通常与较高的爆破压力相关。过渡区的行为受到高角度层组的脱落导致的刚度变化以及层合板的弯曲响应的强烈影响，此外，扩展 - 弯曲耦合的存在也可能放大或减弱该区域的损伤机制。
本研究中使用的3D弹性理论方法，在考虑第一层层失效准则的情况下，对于圆柱应变和失效的预测具有一定的准确性和计算效率。然而，为了更准确地预测CPV的性能，未来需要更多关注圆柱 - 穹顶过渡区的应变分析，并通过分析和数值方法更好地描述该区域的行为。
研究展望
本研究主要关注通过爆破压力衡量的最大强度，而对于具有相似缠绕角度的层分组，可能会导致更高的裂纹扩展速率。因此，未来的研究需要进行循环试验，以评估这些层叠序列的疲劳性能。
此外，需要进一步研究和验证扩展 - 弯曲耦合效应的影响，并考虑在分析模型中纳入观察到的损伤机制，以提高对CPV性能预测的准确性。
