本文对采用单丝束和多丝束两种缠绕不同的缠绕方式制作的CFRTP管进行压缩强度评估测试。结果显示，与单丝束缠绕相比，多丝束缠绕的CFRTP管不易发生弹性屈曲，吸收能量的特性显著。
1. 前言
热塑性碳纤维复合材料(CFRTP)，或者叫碳纤维增强热塑性复合材料，是性能强大却异常环保的新型材料，同时它也是全世界都在极力研发探索的一种材料，近年来备受关注。与热固性复合材料(CFRP)相比，从量产性、二次加工性、再循环性、成型时不伴随化学反应等方面考虑，在汽车领域的应用前景非常广阔。
CFRP管材一般是采用FW（纤维缠绕）工艺制作，传统的单丝束缠绕面临生产效率低等问题。为了提高生产效率和管材的力学性能，开发了一种多丝束同时缠绕工艺，并对两种方法生产的CFRTP管材进行强度测试评估。
2. 实验方法
2.1 材料
材料使用将尼龙纤维（LEXTER8500、三菱气体化学公司）和碳纤维（TR50S-12k、三菱化学公司）混织后半浸渍的混捻纱（1334dtex、Vf:48.7%、卡吉列奈公司），芯模直径为12mm。
2.2 单丝束FW法管材成型
单丝束FW法管材成型条件如下所示：
装置：纤维缠绕机（FWM-1500LF，旭化成工程有限公司）
纤维丝束：单根
铺层：6层
缠绕方向：45°螺旋缠绕
外径：15mm
内径：12mm
成型加热温度：220~230°C
碳加热器：Metro电气工业公司
包装带：G105，日本Polymer公司
2.3 多丝束FW法管材成型
多丝束FW管材成型条件如下：
装置：多丝束纤维缠绕机（MFW48-1200KS，村田机械公司）
纤维丝束：8根
铺层：6层
缠绕方向：+45°、-45°、+45°、-45°、+45°、+45°
成型速度：60mm/min
输入电压：150V
外径：15mm
内径：12mm
成型加热温度：220~230°C
碳加热器：Metro电气工业公司
包装带：G105，日本Polymer公司
2.4 压缩强度测试
针对轴向的强度进行压缩强度测试，测试条件如下：
装置：AG-kNXPlus（岛津制作所）
试验管材长度：50mm
试验管材数量：5根
温度·湿度：23°C、50%RH
试验速度：5.0mm/min
3. 实验结果及分析
3.1 单丝束FW管材压缩强度测试
如图1所示单丝束FW缠绕管材的压缩强度试验结果。
图1 单丝束FW缠绕管材的压缩强度测试
除了3号管的其他四根均在弹性范围内发生压曲现象。发生弹性压曲的试验管材随着应变增大，压缩应力有降低的倾向。另一方面，在弹性范围内未引起压曲的试样3发生连续的塑性压曲变形，随着应变增大，压缩应力逐渐变大。由此可知其具有优异的吸收能量的特性。试验后的管材如图2所示。
图2压缩强度测试后的单丝束FW管材
发生塑性压曲的试样呈现波纹状变形，负荷延轴向使试样遭到破坏。另一方面，发生弹性压曲的试样局部损伤，负荷集中在损伤处，一边弯曲一边被破坏。
在单丝束FW法中，由于在卷绕纤维时产生了交织点，因此应力集中，容易产生压曲现象。
3.2 多丝束FW管材压缩强度测试
多丝束FW管材压缩强度实验结果如图3所示。与单丝束FW管材不同，没发生弹性压曲现象。在达到最大压缩应力后，随着应变变小而变大，压缩应力有缓慢增加的倾向。
图3 多丝束FW缠绕管材的压缩强度测试
图4 压缩强度测试后的多丝束FW缠绕管材
4. 结语
本研究的结果如下：
（1）单丝束FW缠绕管材由于存在碳纤维的交织点，因此容易发生弹性压曲现象。
（2）单丝束FW缠绕管材在发生连续塑性压曲变形时，显示出良好的能量吸收特性。
（3）多丝束FW缠绕管材不易发生单行压曲，碳纤维一边剥离一边被压坏，证明其有优异的能量吸收特性。
5. 参考文献
Tadashi Uozumi, Akio Ohtani, Asami Nakai, Motohiro Tanigawa, Tatsuhiko Nishida and Takahiro Miura: Journal of Mechanics Engineering and Automation 5 5,435-439(2015)
