碳纖維復合材料層壓板低速沖擊試驗研究

竺鋁濤，張 發

碳纖維復合材料層壓板低速沖擊試驗研究

竺鋁濤1，張 發2

（1.中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540；2.東華大學紡織學院，上海201620）

為研究復合材料不同鋪層結構的抗沖擊性能，采用碳纖維預浸料制備了單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層2種不同結構的碳纖維復合材料層壓板，并使用Instron 9250落錘沖擊測試儀測試其低速沖擊性能，得到了載荷-時間曲線，分析了2種不同鋪層方式的復合材料層壓板的低速沖擊加載力學性能，得到復合材料層壓板的破壞形態來分析其破壞方式。結果表明：2種鋪層方式產生了不同的破壞模式，正交[0/90]2s的復合材料層壓板的抗低速沖擊能力要優于單向[0°]8鋪層的。

碳纖維預浸料；層壓板；低速沖擊；復合材料；破壞形式；沖擊響應；鋪層

0 引言

碳纖維復合材料由于具有質量輕、強度高、抗疲勞性能好和可設計性強等優點，在航空航天領域得到了越來越廣泛地應用。但是在實際制造、維修和應用中，纖維復合材料存在著共同的弱點，即對沖擊載荷引起的損傷比較敏感。特別是外物的低速沖擊載荷作用在其內部形成“不易察覺的各種損傷”，如層間脫層、基體開裂和纖維斷裂等。該損傷范圍大且在材料內部不易被發現，但會使復合材料的力學性能嚴重退化[1-6]，強度可削弱35%～40%[7]，從而導致結構承載能力大大降低。相對于高速沖擊所造成的穿透損傷而言，低速沖擊具有很大的潛在危害性和安全隱患，且此類沖擊在生產、使用過程中更普遍[8-9]。因此，理解復合材料層壓板的低速沖擊損傷及沖擊后的力學性能對有效地進行復合材料結構設計具有重要的理論意義與工程價值。

國內外對復合材料低速沖擊進行研究時，分析了沖頭直徑和形狀、沖擊角度、沖擊物質量和材料、沖擊能量、對材料的沖擊損傷破壞、以及對材料不同結構的低速沖擊損傷模式進行了大量的試驗研究[10-15]。

本文利用落錘沖擊裝置對碳纖維增強復合材料層壓板進行了低速沖擊試驗研究[16]，并對單向[0°]8和正交 [0/90]2s鋪層2種不同鋪層方式的低速沖擊加載力學性能和破壞模式進行了分析。

1 試樣制備與測試

1.1 原料

碳纖維增強環氧樹脂復合材料層壓板試樣采用碳纖維預浸料制備。該材料采用土耳其AKSA公司的A12碳纖維與環氧樹脂在預浸設備上使用涂膜工藝加工而成，具體材料性能參數見表1、2。

表1 土耳其AKSA碳纖維性能參數

表2 碳纖維預浸料用YPX-3001環氧樹脂性能參數

1.2 試樣制備

將碳纖維預浸料按規定尺寸裁剪，分別進行單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層，然后通過在烘箱內抽真空加熱固化而成，再將所得層壓板進行修剪，所得試樣尺寸（長×寬×高）為150 mm×28 mm×1 mm。

1.3 沖擊試驗

2種不同鋪層方式復合材料層壓板的低速沖擊試驗在Instron-Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗機上進行，如圖1所示。該試驗的沖頭直徑為12.7 mm的鋼制半球面，沖頭質量為11.4 kg，夾持距離為120 mm。試驗沖擊能量和沖擊速度可以通過調整沖頭的下落高度來控制，分別采用1、3、10、15 J的沖擊能量。各沖擊能量下至少測試3個試樣，在沖擊測試之后記錄各自的載荷-時間歷程曲線。

圖1 Instron-Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗機

2 試驗結果

2.1 低速沖擊性能分析

在不同沖擊能量下，2種不同鋪層方式的復合材料層壓板的時間-載荷曲線如圖2所示。從圖2（a）中可見，在1 J的沖擊能量下，正交鋪層在達到最大承受載荷后，曲線開始下降且比較光滑；當沖擊能量達到3 J以上時，其在最大載荷附近產生鋸齒狀波動，達到最大載荷后呈直線下降；在接近載荷0時，又產生了水平鋸齒狀波動。經比較可知，沖擊能量越大，材料達到最大載荷的時間越早，即材料失效的時間越早。從圖2（b）中可見，單向鋪層與正交鋪層具有相似的破壞趨勢，但是單向鋪層較少出現鋸齒狀波動，說明此結構瞬間失效，各層的破壞方式較一致，同時單向鋪層的失效時間比正交鋪層的更提前。

圖2 2種不同鋪層方式復合材料層壓板的時間-載荷曲線

在不同沖擊能量下2種不同鋪層方式的復合材料層壓板的最大載荷值見表3。從表中可見，正交鋪層比單向鋪層方式能承受更大的載荷，在10 J的沖擊能量下，承載方式提高了約50%。

表3 在不同沖擊能量下2種不同鋪層方式的復合材料層壓板的最大載荷值 kN

2.2 破壞形態分析

在 1、3、10 J沖擊能量下，單向[0°]8鋪層復合材料層壓板的破壞形態如圖3所示。從圖中可見，各種沖擊能量作用下的復合材料都發生破壞，其破壞模式為沿著纖維方向產生軸向劈裂。由于相鄰層間纖維排列方向一致，裂紋主要以樹脂沿著纖維方向發生劈裂破壞，最終完全失效，證明纖維沒有起到很好的承載作用。

圖3 在不同沖擊能量下單向鋪層層壓板的破壞形態

在 1、3、10 J沖擊能量下，正交[0/90]2s鋪層復合材料層壓板的破壞形態如圖4所示。從圖中可見，在1 J沖擊能量下，材料沒有被破壞，處于彈性載荷范圍內。在3 J沖擊能量下，材料沿寬度方向折斷，這與單向[0°]8復合材料層壓板的破壞模式完全不同，其形式為基體開裂和纖維斷裂。在10 J沖擊能量下，材料除了發生橫向斷裂外，在斷裂處還有縱向開裂，為小矩形的破壞形態。可知材料橫向斷裂使得復合材料在承受沖擊載荷時，纖維發生拉伸斷裂，碳纖維拉伸強度高的優勢得以發揮，復合材料的利用率和能量吸收能力得到大幅提高。

圖4 在不同沖擊能量下正交鋪層層合板的破壞形態

3 結論

本文通過對單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層復合材料層合板在不同能量下進行沖擊試驗，對比分析后得出如下結論：

（1）對于不同結構，沖擊能量越大，載荷-位移曲線上的沖擊載荷峰值越高，材料失效的時間越早，沖擊損傷程度越大。

（2）2種鋪層結構具有不同的破壞模式，其中單向鋪層層壓板的破壞模式為材料沿著纖維方向產生軸向劈裂，而正交鋪層層壓板的破壞模式為沿著寬度方向折斷。

（3）正交鋪層結構比單向鋪層結構具有更高的沖擊載荷峰值，抗沖擊能力更強。

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Experimental Investigation of Low-Speed Impact for Carbon Fiber Composite Laminate

ZHU Lv-tao1，ZHANG Fa2
（1.Acrylic Fiber Division,SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.,Shanghai 200540,China;2.Collegesof Textile,Donghua University,Shanghai 201620,China）

In order to study the impact resistance of composite with different layer modes,two kinds of laminates that unidirectional[0°]8and cross ply[0/90]2swere prepared with carbon fiber prepreg.Low-speed impact testing was performed by Instron 9250 drop weight impact testingmachine.Force-timecurveswereobtained toanalyzelow-speed impact with loadingmechanical performanceof two kindsof laminates.Thedamage mode of compositelaminatewasobtained toanalyzeitsdamagingmanners.Theresultsshowthatthetwolayer modeshaveadifferent damagingmanners,thelow-speed impactresistanceofthecrossply[0/90]2slaminateisbetter thanthatof unidirectional[0°]8laminate.

carbon fiber prepreg；laminate； low-speed impact；composite laminates；damaging manner；impact response；lay up

V214.8

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.017

2013-10-23

竺鋁濤（1983），男，從事紡織結構復合材料研發工作；E-mail：taozai23@163.com。

竺鋁濤，張發.碳纖維復合材料層壓板低速沖擊試驗研究[J].航空發動機，2015,41（1）：85-88.ZHULvtao,ZHANGFa.Experimental investigation of low-speed impact for carbon fiber compositelaminate[J].Aeroengine，2015，41（1）：85-88.

（編輯：肖磊）