随碳纤维含量变化的CFRP船体结构积层板的材料特性

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(1.国立木浦海洋大学 a.造船海洋工学科；b.大学院 海洋系统工学科，韩国 全罗南道木浦市 58628；2.国立群山大学 造船工学科，韩国 全罗北道群山市 54150)

碳纤维增强塑料(CFRP)力学性能优越，高附加特征明显，近年在船舶领域的应用也逐渐增多。目前欧洲外观华丽的40～50 ft CFRP 豪华游艇已经商用化，相比玻璃钢(GFRP)船舶价格昂贵。因其优越的材料特性，在军警等特殊用途的船舶中应用量逐渐增多。

包含CFRP结构在内，复合材料船体结构积层板中的纤维含量(glass content，Gc)的多少，能够决定积层板的力学性能和积层板的品质特性。然而，关于CFRP 船体结构的设计规范，韩国船级社发行的《游艇设计指南》及中国船级社发行的《游艇入级及建造规范》[1]并没有提供碳纤维船体结构设计的相关参考内容。与此相反，游艇CE RCD认证[2]时，使用的小型船舶结构设计国际标准 ISO 12215[3]以及在办理小型船入级等业务的机构中最具代表性的国际船级社中意大利船级协会发行的游艇船体结构及稳性规范《RINA Pleasure Yacht Part B》 (以下简称《RINA规范》)[4]中，详细的给出了CFRP船体结构设计的相关指南，并且对碳纤维含量、随碳纤维含量变化的积层板的力学性能，以及积层板要求厚度和积层板质量间的密切关系进行了较为详细的说明。

OH, D. K. 为了设计开发CFRP小型船体结构，比较分析了ISO 12215和《RINA规范》。说明了两规范间关于设计压力和碳纤维层板要求厚度估算时的大小差异。Kang K M为了实现CFRP船体积层板的轻量化，以 ISO 12215和《 RINA》 规范为基础，分析了CFRP船体外板的纤维含量和层板要求厚度的关系[5]。韩志强 (2018) 基于上述研究，根据CFRP船用积层板碳纤维含量和积层板要求厚度的相关关系，进行了CFRP材料比强度特性最大化的相关研究[6]。上述研究中关于积层板力学性能部分，都直接使用了ISO 国际标准和《RINA 规范》中的提供的参考公式。

因此，本研究旨在通过材料试验的方式，验证CFRP船体结构积层板随纤维含量的力学性能，比较分析其与ISO 国际标准和国际船级社规范中提供的估算式存在的具体差异。

1 基于国际规范的CFRP船体结构积层板设计流程

复合材料积层板的力学性能随纤维含量的变化而受到影响，复合材料的船体结构设计也与此有着较为密切的联系。一般来说，复合材料船舶设计过程大体可分为船舶设计和材料设计两部分。CFRP 船体结构设计流程也大体相似。船型特征，扶强材布置等重要设计变量可决定设计区域的形状、大小并影响着设计载荷的估算及积层板要求厚度估算；然而，碳纤维织物的选择、碳纤维含量的确定、随碳纤维含量变化的积层板力学性能等设计变量决定着积层板的强度及安全特性，不但影响积层板的要求厚度，还影响积层板的品质特性，在整个过程中显得尤为重要。基于国际规范的CFRP积层板结构设计流程见图1，从图1可以看出，碳纤维含量、CFRP 积层板的强度特性以及积层板要求厚度件的密切关系。即提高碳纤维含量时，因积层板强度变强，积层板要求厚度减小。

复合材料积层板设计时，对于随纤维含量变化的积层板力学性能，可直接使用国际标准中提供的参考公式，或者通过材料试验等方式获得。ISO 国际标准和RINA规范中提供的CFRP积层板随碳纤维含量变化的力学性能估算公式见表1。

需要注意的是这些估算公式适用于积层板中的增强材料为高强度碳纤维方格布的情况。考虑到CFRP积层板的力学性能获得方式，本研究决定通过材料试验的方法，对随碳纤维变化的CFRP积层板的力学性能进行验证，比较分析其与国际标准及国际船级规范中提供参考公式存在的具体差异。

2 力学性能试验方法

设计并制作碳纤维含量Cc分别为30%、40%、50%、60%、70%总共5个试验方案的积层板。按照拉伸及弯曲试验样板的尺寸对每块板进行切割并进行试验。随碳纤维含量变化的积层板根据ISO12215和《RINA规范》的要求进行设计；拉伸及弯曲试验分别按照ATSM D3039和ATSM D790进行。把CFRP积层板的Gc最小值定为30%,考虑到《RINA规范》规定船体结构积层板的最小纤维含量为30%；最大值定为70%,一般复合材料积层板的纤维含量最大值限定在70%左右。最后，对材料试验结果进行回归分析，与国际标准及国际船级规范中提供的估算公式进行比较分析。

3 CFRP 积层板样板设计及制作

选取韩国晓星集团的碳纤维方格布作为积层板增强材料，选取EPOVIA的RF 2000SE作为树脂基体，相关材料信息见表2。

表2 积层板制作时选取的增强强材与树脂基体

需要说明的是，ISO国际标准和《RINA规范》将按碳纤维的拉伸模量及强度大体将碳纤维织物分为L(低强度)、I(中等强度)、H&VH(高强度及以上)3种。按照上述分类，这里所使用的碳纤维织物的强度介于低等和中等之间。

制作积层板前，要确定积层板的厚度，按ISO12215及《RINA 规范》的要求，首先确定积层板中1层片的厚度。

(1)

式中：q为积层板1层片中纤维织物质量， kg/m2。

按照试验规范，积层板的厚度控制在3 mm左右, 各试验方案的积层板铺层结果见表3。

表3 积层板铺层设计结果

积层板尺寸定为400 mm×400 mm，采用真空法制作。制作时室温控制在18.6～28.6℃，湿度为48%～57%。使用的设备见图2。真空设备是韩国优成真空技术公司制造的VE-4.5-1000-2，最大压力为0.005 torr，树脂桶容量为10 L；复合材料积层板制作机为韩国D-TECK公司制造的DCFM-3，大小2 400 mm×1 200 mm×800 mm。制作完成的积层板见图3。图中碳纤维含量为30%的CFRP积层板。

图2 样板制作所用设备

图3 制作完成的积层板示例(Gc=30%)

关于拉伸强度及弯曲强度的试验样板数量及尺寸，按照ASTM D3039和ASTM D790的要求进行设定。给上述设定5个试验方案中每个方案分配4个试验样板，即拉伸强度及弯曲强度试验分别分配20个，整个材料试验需40个试验样板。样板尺寸见图4。

图4 试验样板

4 材料试验结果分析及考察

为了验证随碳纤维含量变化的CFRP积层板力学特性，按照上述试验方法做拉伸强度和弯曲强度材料试验。拉伸强度及弯曲强度前后的试验样板见图5、6。

图5 拉伸强度试验前后的试验样板

图6 弯曲强度试验前后的试验样板

材料试验结果分析见图7、8。这里对拉伸强度及弯曲强度试验结果做了二次函数回归分析，并将分析结果与国际标准中提供的估算式进行了比较分析。图7中拉伸强度的试验结果，在整个碳纤维的变化区间内，与两国际标准相比，超出许多。尽管弯曲强度的试验分析结果与拉伸强度有所不同，但是在一般的复合材料船体结构积层板纤维含量30%～40%这个区间内，图8中试验结果可充分满足国际标准要求；碳纤维含量55%以后，不能满足ISO国际标准的要求。这是因为当复合材料积层板中的纤维含量提高时，和纤维种类无关，积层板存在层间分离的现象；并且纤维含量较高时积层板的生产质量也会有所下降，特别是对于弯曲强度影响较为明显，所以试验结果与ISO国际标准相比出现了相对较低的增长趋势。

图7 随碳纤维含量变化拉伸强度与国际标准估算式的比较

图8 随碳纤维含量变化的弯曲强度与国际标准估算式的比较

另外，如前文所述，ISO国际标准及RINA标准中提供的CFRP 积层板力学公式是适用于高强度的碳纤维织物。而本研究中制作积层板时所用的碳纤维，按国际标准的分类方法，为中低等强度的碳纤维。考虑到上述两点，判断在整个碳纤维含量变化区间，弯曲强度的试验结果也是较为合理的。

5 结论

1)CFRP积层板的力学性能试验结果与ISO国际标准和《RINA规范》提供的估算式相比更强。即海洋新材料CFRP 作为船体结构材料使用时, 目前还是相对保守，存在较高的强度储备。

2)和一般复合材料一样, CFRP积层板制作上也存在纤维含量太高时，积层板质量下降的问题，相比拉伸强度，在弯曲强度测试中相对常见。因此，设计CFRP船体结构时，需权衡考虑重量轻与结构安全的问题，合理选取碳纤维含量。

3)适量提高CFRP积层板的碳纤维含量, 而不仅仅保持在30%～40%, 可提高碳纤维材料的比强度特性, 并获得更轻的CFRP船体结构。

后期，将综合考虑碳纤维含量的选取、CFRP船体结构安全与船体重量三者间的关系，进行CFRP积层板重量优化与碳纤维使用效率优化的相关研究。