復合材料電子束毛化增韌技術研究

孫啟星，涂衛軍，王艷麗，王克強，王韜，蔣斌林

（1.中航工業洪都,江西南昌，330024；2.空軍駐江西地區軍事代表室，江西南昌，330024）

復合材料電子束毛化增韌技術研究

孫啟星1，涂衛軍2，王艷麗1，王克強1，王韜1，蔣斌林1

（1.中航工業洪都,江西南昌，330024；2.空軍駐江西地區軍事代表室，江西南昌，330024）

復合材料因層間強度較弱而限制了其在工程中的應用范圍，通過電子束毛化可實現金屬表面形狀的可設計性，由此在與復合材料連接的金屬界面上設計毛刺后增加金屬與復合材料連接界面強度。本文對電子束毛化毛刺建立了力學模型并進行了理論及有限元分析，理論分析認為電子束毛化可有效提高復合材料界面剪切強度；在此理論基礎上開展了試驗研究，試驗結果表明：電子束毛化對界面強度略有提高，但受限于工藝水平，因此試驗結果與理論分析仍有一定差距。

復合材料；電子束毛化；連接界面；剪切

0 引言

復合材料具有高的比強度、比剛度和低比重等優點，在航空領域已得到廣泛的應用。層壓板復合材料失效模式主要有兩種：復合材料單向帶失效和連接界面失效。理論分析和試驗研究表明，層壓板復合材料的薄弱部位在層間，分層是層合板復合材料工程應用中破壞的主要形式，分層導致復合材料的承載能力明顯降低。隨著復合材料的廣泛應用，尤其是在大展弦比柔性彈翼上的應用，層間強度弱的缺點日益凸顯。

目前工程上一般是采用機械連接提高結構層間連接強度，但機械連接是在復合材料成型后進行制孔、連接，會打斷復合材料纖維，造成復合材料力學性能下降。為提高結構力學性能，簡化工藝流程，近年提出了一種在復合材料成型中提高復合材料連接界面強度的方法，即金屬界面電子束毛化，增加復合材料與金屬界面連接強度，達到類似機械連接的效果，對復合材料的損傷較小。本文對復合材料電子束毛化增韌進行了理論分析和試驗分析，研究了電子束毛化理論可行性及工藝成熟度。

1 電子束毛化理論模型

電子束毛化一般用于金屬和復合材料連接，首先在金屬表面束毛化，使金屬界面增加毛刺，進而在復合材料與金屬共膠接成型過程中使得毛刺插入復合材料基體和纖維中，見圖1。通過電子束毛化后，界面性能達到如下效果：毛刺插入復合材料中，對于剪切受力其效果等同于螺栓連接了金屬和復合材料，增加層間剪切強度，其層間剪切強度由毛刺強度、毛刺和復合材料孔擠壓強度決定。

金屬界面電子束毛化出現的毛刺為隨機不規則的形狀，因此在理論分析時需對其結構進行簡化。影響電子束毛化增韌強度的影響因素有：

1）毛刺強度，毛刺的強度由毛刺截面積及毛刺材料決定；

2）毛刺和復合材料接觸區擠壓強度，由毛刺和復合材料接觸面積決定。

假設毛刺為圓錐形，下底面截面直徑為d，毛刺高度為h，則毛刺剪切投影面積為dh/2tf，毛刺結構見圖2。在結構受剪切時，毛刺承受復合材料和膠層的擠壓力，毛刺承受的極限擠壓力為：

其中σ1為復合材料孔極限擠壓應力，σ2為膠層孔擠壓應力，由于復合材料孔擠壓應力遠大于膠層連接強度，故毛刺結構可有效提高剪切強度。在結構受剝離時，毛刺與復合材料及膠層接觸面投影面積等于毛刺占用膠層面積，因此，毛刺結構對剝離強度無貢獻。

1.1 膠層分層判據

采用內聚單元模擬膠層分層擴展，其中按強度準則判斷損傷起始、能量釋放率準則判斷其分層擴展。強度準則采用的二次應力準則，能量釋放率準則則采用G判據，即總能量釋放率準則。由于加筋板在拉伸與壓縮受載時層間力以剪切為主，即分層擴展以滑移型為主要破壞模式，其他兩種破壞模式所起作用甚微，故在計算中采用下式：

其中A為分層擴展面積，U為結構總位能：

其中ε為應變矢量，K為剛度陣。

當G≥GC時內聚單元層分層擴展，其中GC為臨界應變能釋放率。

1.2 毛刺損傷模型

毛刺根據結構破壞形式可分為以下幾種：

1）毛刺結構破壞，毛刺結構破壞模型見圖2，毛刺結構受力可分為：線性段、屈服段、破壞三個階段；

2）毛刺完好，復合材料連接位置破壞，即孔擠壓破壞時，可分為：線性段、持續段（承載力不變）、破壞三個階段。

兩個模型基本一致，差異主要在結構受損以后屈服段，毛刺強度和復合材料孔擠壓強度決定了兩個模型的適用性，本文采用采用模型2建立毛刺結構破壞模型，其中線性段壓力跟隨結構受力逐漸變大，當孔加壓應力達到材料屈服點時時，由于復合材料屈服段極短，結構受力進入短暫的持續段，承載能力保持不變，然后結構迅速破壞，毛刺結構不能繼續承載。將模型用毛刺進行等效表達：

其中，Fa為毛刺孔最大擠壓力，δ1為達到材料屈服點即最大擠壓力時應變，δ2孔擠壓破壞時應變。

2 理論分析

電子束毛化理論上可以增加結構的剪切強度和剝離強度，本文根據標準試片建立模型進行分析，試片尺寸見圖3，按試片尺寸建立有限元模型，見圖4。

毛刺模型見圖5，對模型進行簡化，如圖5中方格模擬毛刺，其中毛刺高度為0.95mm，毛刺個數為40，毛刺面積為28mm2，按毛刺接觸面積及連接強度等效為4個連接單元進行模擬。

圖3 剪切強度試驗件尺寸圖

圖4 有限元模型圖（換下圖片底版顏色為白色）

圖5 毛刺結構有限元模型

采用內聚力模型模擬膠層的損傷破壞，材料子程序模擬毛刺模型的受力本構，在ABAQUS中進行非線性分析。

一端固定，一端施加位移2mm，位移隨時間線性加載，支反力隨時間變化曲線見圖6。由圖6可知，僅膠接時結構最大支反力為5500N，增加毛刺后結構最大應力為6900N，電子束毛化后復合材料膠層抗剪能力提高了25.4%。

3試驗分析

理論分析認為電子束毛化可以有效的提高復合材料與金屬剪切連接強度，為驗證其在工程中的實際應用效果，按圖2中試樣展開試驗進行驗證，試驗結果見表1。

圖6 載荷隨時間變化曲線

表1 試驗結果

采用電子束毛化后試件連接強度（平均值）提高了3.0%，與理論結果（提高25.4%）差別較大，膠接、電子束毛化+膠接試件破壞形態中只有兩個試片為膠接界面，其它均為復合材料層間斷裂或復合材料段剪斷。

試件破壞位置為膠接界面、層間斷裂和復合材料段剪斷，表明這幾處位置在剪切受力下強度接近，分析主要是有以下幾方面原因造成：

1）毛刺成型工藝不成熟，毛刺本身強度、尺寸未達到設計要求，毛刺強度低，造成毛刺提前破壞，或毛刺高度、直徑大造成結構成型時復合材料初始損傷，在后續設計中提高相關工藝成熟度及技術探索；

2）電子束毛化增韌技術其受力本質仍是機械連接技術，因此有兩端毛刺受力較大，中間毛刺受力較小的缺點，在結構受力時會造成毛刺受力集中，引起毛刺或復合材料結構的破壞。在本次試驗中未充分考慮到復合材料受力特地對毛刺形貌進行設計，以達到各毛刺點受力比較均勻的效果，進而提高結構件連接強度。

電子束毛化試件的毛刺尺寸及毛刺使連接材料受到的損傷，對連接強度有一定的影響。

4 結論

1）理論分析和試驗結果均表明電子束毛化可提高金屬與復合材料的界面剪切強度，電子束毛化具有一定的理論研究價值；

2）金屬表面電子束毛化后與復合材料界面連接試驗提升效果（3%）遠低于理論分析結果（25.4%），主要由于試件制件影響，電子束毛化對工藝、材料水平要求較高，在工程中的應用尚有一定的局限性，在后續工作中將對電子束毛化成形工藝進行探索，對毛刺形貌合理性進行研究，以提高結構件連接強度。

[1]中國航空研究院，復合材料結構設計手冊.北京：航空工業出版社，2001.

[2]白瑞祥,陳浩然.含分層損傷復合材料加筋層壓板的分層擴展研究[J].應用數學和力學,2004,Vol. 25：P368-378.

[3]Ronald Krueger、Pierre J.Mingue.Analysis of Composite Panel-Stiffener Debonding Using a Shell/3D Modeling Technique[R].NASA CR-214299,2006.

>>>作者簡介

孫啟星，男，1983年5月出生，2008年畢業于南京航空航天大學，高級工程師，碩士，主要從事復合材料強度設計工作。

Study on Textured Toughing Technique for Composite Electron Beam

Sun Qixing1，Tu Weijun2，Wang Yanli1,Wang Keqiang1,Wang Tao1,Jiang Binlin1
(1.AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024;2.PLA AF Rep.Office in Jiangxi,Nanchang,Jiangxi,330024)

Composite material may limit its application scope in engineering field due to weaker interlayer strength, while the design feasibility of metal surface condition can be realized by textured toughing electron beam,therefore the strength of connecting interface between composite and the metal can be reinforced after designing texture on the metal interface connecting with the composite.This paper depicts the establishment of mechanic model for toughed texture of electron beam and makes the theoretical and finite element analysis,theoretically thinking textured electron beam can effectively improve the shearing strength of composite interface.Based on this theoretical basis, tests and studies has been conducted and test results show that toughed electron beam can slightly improve the interface strength and limited by the processing level,therefore there remains certain distance between test results and the theoretical analysis.

Composite material;Textured electron beam;Connecting interface;Shearing

2016-08-01）