Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

技术摘要：真空袋树脂注入法与直接预浸料压制技术制备碳塑复合材料弹性性能的预测

问题陈述
先进生物医学结构（特别是能量存储与释放型（ESR）假足）的开发，要求碳纤维复合材料（CFCMs）具备精确的刚度和强度特性。这些部件必须在保持极轻重量和可预测变形（5–20 mm 挠度）的同时，承受显著载荷（高达患者体重的四倍）。一个关键挑战在于如何选择合适的制造技术和组件的空间排列方式，以实现这些特定的弹性性能。虽然真空袋树脂注入法（VBRI）和直接预浸料压制法（DPP）已被广泛应用，但仍需比较其产生的机械性能，并验证用于预测所得正交各向异性材料有效弹性模量的均质化模型。

研究方法
本研究采用了结合实验测试与解析预测的对比研究方法：

• 样品制备： 使用两种不同的技术制备了五组 CFCM 试样：

  • VBRI： 使用碳纤维织物（T300 斜纹布、T700 单向布）和环氧树脂体系（EPR320 + EPH550）。
  • DPP： 使用预浸碳纤维织物（YZ-05 T700 斜纹布和单向布），通过液压机压制而成。
  • 试样采用不同的铺层方案（单向布与斜纹布的混合），以达到约 4 mm 的目标厚度。根据密度测量计算出的纤维体积分数显示，DPP 试样的增强水平（高达 69%）高于 VBRI 试样（约 50–52%）。

• 实验测试：

  • 单轴压缩： 在 Instron 8801 机上进行（ASTM D3410），以确定压缩弹性模量。
  • 三点弯曲： 在 TestSystems UTS-111.2-10-12 机上进行（ASTM D790），以确定弯曲弹性模量。
  • 测试针对 N1、N3、N5、N7 和 N19 系列进行，弹性模量根据应力-应变曲线的线性弹性区域计算得出。

• 解析预测：

  • 采用了基于经典层合板理论的两阶段平均法。
  • 微观力学层面： 通过使用 Voigt（混合律）和 Halpin-Tsai 模型对纤维和基体属性进行平均，计算单个层的弹性模量。
  • 宏观力学层面： 利用广义胡克定律系数对层状结构进行平均，并考虑纤维方向角和层厚度。

主要结果

• 制造工艺的影响： 通过直接预浸料压制（DPP）制备的试样在弹性模量和抗拉强度方面始终高于通过真空袋树脂注入法（VBRI）制备的试样。这归因于 DPP 实现的碳纤维体积分数更高（约 63–69%），而 VBRI 仅为约 50–52%。
• 弯曲与压缩： 在不同加载模式之间观察到显著差异。对于同一系列，压缩弹性模量约为弯曲模量的二分之一，且压缩失效应变比弯曲高出 1.5 到 2.5 倍。
• 模型准确度：
  • 弯曲： 解析模型与实验弯曲数据在 N1、N3、N5 和 N7 系列中表现出较好的相关性，但倾向于高估数值（差异在 5% 至 32% 之间）。对于沿加载轴向的高体积分数单向层，Halpin-Tsai 修正并未显著改变预测结果。
  • 压缩： 模型在预测压缩行为方面表现出明显的局限性。计算值与实验压缩模量之间的差异巨大（计算值高出 1.5 至 2.3 倍）。
  • 例外情况（N19 系列）： N19 系列具有高比例的斜纹织物和 45° 纤维方向，呈现出独特结果：计算值与实验压缩模量几乎吻合（差异为 4%），但其弯曲预测仍不准确（差异为 80%）。

意义与结论
研究结论认为，虽然顺序平均模型（Voigt 和 Halpin-Tsai 结合经典层合板理论）可以预测正交各向异性 CFCM 的弯曲弹性模量，且对于特定铺层精度至少达到 35%，但它们在预测压缩性能方面的适用性有限。压缩结果的显著偏差表明，目前的均质化模型未能考虑到异模态性（拉伸与压缩中的不同模量）以及特定的微观结构异质性。

作者断言，只要碳纤维含量充足，VBRI 和 DPP 技术均可用于生产假足结构元件。然而，为了精确设计生物医学组件，仅依赖标准的均质化模型来预测压缩刚度是不够的。未来提高预测准确性的研究需要建立能够纳入堆叠顺序、织物类型以及区分拉伸-压缩行为的模型，并辅以更深入的单轴拉伸和扭转实验表征。