纤维体积分数变化对VARTM工艺制备CFRP复合材料力学性能的影响

本文系统研究了真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺中纤维体积分数（FVF）的分布及其对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度（ILSS）的关键影响。结果表明，FVF在53.6%~59.6%范围内的波动可导致力学性能出现高达30%的变异，凸显了优化VARTM工艺控制对提升复合材料结构可靠性的重要意义。

　　

Highlight

材料选择

选用AISI 430不锈钢作为模具材料。实验选择了来自Formosa Plastics Corporation的双轴向碳纤维布，每个单元包含3,000根纤维丝。这种材料的拉伸强度为4000 MPa，面密度为200 g/m2，拉伸模量为230 GPa，延伸率为1.5%。碳纤维的密度为1.8 g/cm3，单丝直径为7 μm。

环氧树脂520配合硬化剂D被选为基体材料。

材料表征技术与方法

在本研究中，我们依据ASTM标准来测量通过VARTM工艺制造的CFRP复合材料的四种材料属性：体积分数、弯曲强度、压缩强度和层间剪切强度（ILSS）。我们制备了一个十二层的碳纤维样本，每层厚度为0.2 mm。由于不同ASTM标准要求的样本尺寸各异，我们使用了配备金刚石工具的三轴CNC铣床进行精密切割。

结果与讨论

在VARTM工艺过程中，组分的树脂压力和纤维体积分数在固化期间会发生变化，从而导致整个组件出现厚度变化，这与早期研究报道一致[28,30,34]。这些变化进而影响了材料的性能。本研究获得的CFRP复合材料性能将在后续章节中简要讨论。

结论

本研究探讨了体积分数变化对VARTM制备的CFRP复合材料力学性能的影响，结果表明其对压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度均有显著影响。

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  体积分数沿长度方向从53.6%变化到59.6%，该结果通过实验获得并已通过解析方法验证。体积分数的实验值与解析值之间的百分比差异在5%以内。
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  CFRP层压板的压缩强度...