自動鋪絲末端缺陷角度對層合板拉伸性能的影響

豐亮寬 楊 濤 杜 宇 李韋清 原文慧

（1 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387）

（2 天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

文 摘 自動纖維鋪放（AFP）工藝能夠有效制造大型復合材料構件，但在鋪放過程中因為絲束末端等斷面而出現不同角度內嵌缺陷。為解決相關問題，按照［（90°/0°）5/90°］和［（0°/90°）5/0°］的鋪層順序，在0°和90°鋪層內分別設置不同絲束末端角度的孔隙缺陷或重疊缺陷。結果表明：不同角度纖維鋪層內嵌不同角度缺陷時，導致復合材料構件差異明顯。在90°纖維鋪層方向上，內嵌90°孔隙缺陷和90°重疊缺陷時，試件拉伸強度最高，拉伸強度比分別為90.89%和90.11%。在0°纖維鋪層方向上，內嵌±30°孔隙缺陷和30°重疊缺陷時，試件拉伸強度最高，拉伸強度比分別為28.48%和50.71%。

0 引言

近年來復合材料在航空、航天等領域使用量逐漸增多，應用范圍也逐年增大［1-6］。傳統的手工鋪放成型效率低、產品質量一致性難以保證，而且結構尺寸也受到手工操作工作范圍的限制。自動纖維鋪放（AFP）技術能夠提高復合材料產率和穩定結構件尺寸［7］，具備制造大型部件的能力。但是AFP工藝在使用過程中仍有許多局限性，如鋪設過程中出現各種伴生缺陷。當纖維絲束鋪放在具有復雜形狀的表面上時，由于高度自動化，伴生缺陷種類可能高度重復，或者伴生缺陷分布隨意。 而造成絲束中斷使缺陷生成的頻率取決于零件的復雜程度和加工參數，例如絲束寬度、鋪放速度以及牽引轉向［8］。

SAWICKI 等［9］學者通過實驗研究了孔隙缺陷和重疊缺陷對復合材料壓縮強度的影響，在厚度最大值為5 mm 的試樣中設置不同寬度的缺陷，得出結論為當存在較小的孔隙缺陷或重疊缺陷時，試件強度急劇下降。LAN 等學者通過實驗研究不同參數的孔隙缺陷和重疊缺陷對拉伸強度［10］、面內剪切性能和壓縮特性［11］的影響。克羅夫特等學者［12］通過實驗研究，在拉伸、壓縮和剪切實驗研究中，對復合材料層合板的主要缺陷（孔隙缺陷、重疊缺陷、半孔隙缺陷、半重疊缺陷和扭曲缺陷）產生的影響進行量化。FAYAZBAKHSH 等［13］學者通過開發MATLAB 子程序，用于預測AFP 產品成品中缺陷的分布情況，在后期的伴生缺陷研究中，引入缺陷層來量化常見缺陷對可變剛度層合板的彈性性能的影響。

本文研究鋪絲末端造成的內嵌孔隙/重疊缺陷，對含不同角度缺陷的試件進行拉伸測試，分析和比較其拉伸強度和失效行為。探索復合材料試件纖維絲束斷裂處與受力方向的不同角度，即絲束末端不同角度的內嵌缺陷對試件力學性能的影響，對照單向內嵌缺陷，引入交叉內嵌缺陷，分析不同絲束末端缺陷配置對層合板的影響。

1 內嵌缺陷試件的拉伸實驗

1.1 內嵌缺陷類型設置

缺陷設置位置均在試件中間，如圖1所示。圖1（a）所示內嵌缺陷角度為±30°、±45°、±60°并且交叉分布。圖1（b）所示內嵌缺陷角度為30°、45°、60°。完好試件層合板示意圖如圖1（c）所示。

圖1 內嵌缺陷試件Fig.1 Specimen with embedded defects

0°纖維方向內嵌孔隙缺陷或重疊缺陷試件按照［（90°/0°）5/90°］的順序進行鋪放，缺陷均位于0°纖維層內。90°纖維方向內嵌孔隙缺陷或重疊缺陷試件按照［（0°/90°）5/0°］的順序進行鋪放，缺陷均位于90°鋪層內。

圖2為內嵌交叉缺陷試件纖維層分布圖，當內嵌缺陷角度為±30°、±45°、±60°時，內嵌孔隙/重疊缺陷在試件纖維層分布如圖2所示，內嵌孔隙/重疊缺陷的試件在含孔隙/重疊缺陷纖維層的缺陷角度分別為:

+30°、-30°、+30°、-30°、+30°，

+45°、-45°、+45°、-45°、+45°，

+60°、-60°、+60°、-60°、+60°。

當內嵌缺陷角度為30°、45°、60°時，內嵌孔隙/重疊缺陷在試件纖維層分布如圖3所示。

圖2 內嵌交叉缺陷纖維層分布圖Fig.2 Fiber layer distribution diagram of embedded interlaced defects

圖3 內嵌對齊缺陷纖維層分布圖Fig.3 Fiber layer distribution diagram of embedded defects specimens

表1為內嵌缺陷規格，常見鋪放絲束寬度為6.35 mm，所以本次實驗將缺陷寬度設為3.18 mm，即0.5倍絲束寬度。

表1 缺陷規格Tab.1 Specification of defects

1.2 層合板制備

根據表1規格，通過人工鋪放來制備實驗所用試件，保證缺陷在試件中的位置及形態，以模擬自動纖維鋪放工藝中的實際缺陷［14］。試件通過熱壓罐固化成型。

1.3 實驗條件

通過拉伸實驗研究人工設置內嵌孔隙缺陷和重疊缺陷對試件的影響，所有實驗在室溫條件下，通過使用島津AGS-X電子實驗機完成，實驗機以2 mm/min的位移控制速率施加，同時采集載荷、時間以及位移等實驗數據。完好試件及具有內嵌缺陷試件尺寸為250 mm×25 mm×1.4 mm。為避免試件在實驗過程中夾頭夾持處應力集中，同時采用Araldite 2015黏合劑，將尺寸為50 mm×25 mm×2 mm的鋁片粘貼到試件兩端。

2 結果分析

2.1 0°纖維鋪層內嵌缺陷試件性能分析

圖4 0°鋪層內嵌缺陷試件及完好試件Fig.4 Embedded defects in 0°layers and intact specimens

在0°纖維鋪層設計內嵌缺陷時，試件鋪層順序按照［（90°/0°）5/90°］的鋪層順序進行鋪放。圖4為用萊卡顯微鏡分別拍攝的0°鋪層內嵌缺陷成型試件側面微觀圖及相對應的完好試件側面微觀圖。

當內嵌孔隙缺陷時，由于絲束的斷裂，使試件缺陷處的纖維層缺失，試件產生內凹，從而導致缺陷處的厚度減小。當內嵌重疊缺陷時，與內嵌孔隙缺陷相反，雖然絲束斷裂，但纖維層重疊使得缺陷處纖維堆積，試件產生外凸，導致缺陷處的厚度增大。

2.1.1 內嵌孔隙缺陷試件性能分析

圖5為0°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線。

圖6及表2為0°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷試件的拉伸強度。通過拉伸強度比（相同規格內嵌缺陷試件的拉伸強度平均值與完好試件拉伸強度平均值的比值）來對比不同規格內嵌缺陷試件的拉伸性能。本組所有內嵌缺陷試件中，當內嵌缺陷角度θ為±30°時，與完好試件拉伸強度比達到28.48%，其他規格試件與完好試件拉伸強度比均在20%以下。主要原因是0°纖維鋪層是試件的主要承載層，而孔隙缺陷導致纖維層中絲束中斷，從而對試件的強度和應力分布產生了顯著的影響。受到拉伸載荷時缺陷處極易產生裂紋，然后跨層蔓延，最后導致構件失效。

內嵌交叉缺陷時，試件的拉伸強度逐漸減小，主要原因是隨著內嵌缺陷角度的增大，不同纖維鋪層的缺陷夾角減小，使得各處缺陷更接近形成完整斷裂面。內嵌對準缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強度逐漸減小，主要原因是隨著內嵌缺陷角度的增大，缺陷處斷面與相鄰90°完好纖維鋪層的纖維絲束夾角減小，由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件拉伸強度逐漸減小。內嵌交叉缺陷試件的拉伸性能明顯高于內嵌對準缺陷試件，主要原因是試件內嵌交叉缺陷時，90°完好纖維鋪層相鄰內嵌缺陷角度不同的纖維層，內嵌交叉缺陷不易形成相同角度的斷面，所以內嵌交叉缺陷試件拉伸性能優于內嵌對準缺陷試件。

2.1.2 內嵌重疊缺陷試件性能分析

圖7為0°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件的載荷-位移曲線，圖8及表3為0°鋪層內嵌重疊缺陷試件的拉伸強度。完好試件的拉伸強度為1 156.85 MPa，本組所有內嵌缺陷試件中，當內嵌缺陷角度θ為30°時，與完好試件拉伸強度比達到50.71%，其他規格試件與完好試件拉伸強度比均在50%以下。

圖7 0°鋪層內嵌重疊缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.7 Tensile load-displacement curves of typical specimens with overlap defects embedded in 0°layers

圖8 0°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件拉伸強度Fig.8 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 0°layers

表3 0°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件拉伸強度Tab.3 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 0°layers

當內嵌交叉缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件拉伸強度呈現先增后減的趨勢，主要原因是，內嵌缺陷角度θ是±30°或±60°時，與斷面夾角更小，所以導致拉伸強度有所下降。內嵌對準缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強度逐漸減小，主要原因是隨著內嵌缺陷角度的增大，缺陷處斷面與相鄰90°完好纖維鋪層的纖維絲束夾角減小，由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件拉伸強度逐漸減小。重疊缺陷能夠對中斷的絲束起到很好的連接作用，便于載荷傳遞，所以試件內嵌交叉缺陷和內嵌對準缺陷時，試件的拉伸強度差異并不明顯。

內嵌重疊缺陷試件拉伸強度比明顯高于內嵌孔隙缺陷試件，主要原因是相對于孔隙缺陷，重疊缺陷能夠對中斷的絲束起到很好的連接作用，便于載荷傳遞。當試件內嵌重疊缺陷時，含缺陷區域單位面積內纖維體積分數增加，弱化了應力集中。

2.2 90°纖維鋪層內嵌缺陷試件性能分析

在90°纖維鋪層設計內嵌缺陷時，試件鋪層順序按照［（0°/90°）5/0°］的設計方式進行鋪放。圖9為用萊卡顯微鏡分別拍攝的90°纖維鋪層內嵌缺陷成型試件側面微觀圖及相對應的完好試件側面微觀圖。

圖9 90°鋪層內嵌缺陷試件及完好試件Fig.9 Embedded defects in 90°layers and intact specimens

2.2.1 內嵌孔隙缺陷試件性能分析

圖10為90°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線，圖11及表4為90°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷試件的拉伸強度。

圖10 90°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.10 Tensile load-displacement curves of typical specimens with gap defects embedded in 90°layers

圖11 90°纖維鋪層內嵌孔隙缺陷試件拉伸強度Fig.11 Tensile strength of specimens with gap defects embedded in 90°layers

完好試件的拉伸強度為1 238.03 MPa，本組所有內嵌缺陷試件中，當內嵌缺陷角度θ為90°時，與完好試件拉伸強度比達到90.89%，其他規格試件與完好試件拉伸強度比均在70%～90%。

當試件內嵌交叉缺陷或內嵌對準缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強度呈現出增大的趨勢，主要原因是內嵌缺陷角度的增大，與內嵌缺陷纖維層纖維絲束的夾角變小，纖維絲束的分布更接近完好鋪層纖維絲束，對內嵌缺陷纖維層的損傷面積減小。由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件內嵌交叉缺陷和內嵌對準缺陷時，試件的拉伸強度差異并不明顯。

2.2.2 內嵌重疊缺陷試件性能分析

圖12為90°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件拉伸載荷-位移曲線，圖13及表5為90°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件的拉伸強度。完好試件的拉伸強度為1 238.03 MPa，本組所有內嵌缺陷試件中，當內嵌缺陷角度θ為90°時，與完好試件拉伸強度比達到90.11%，其他規格試件與完好試件拉伸強度比均在70%～90%。

圖13 90°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件拉伸強度Fig.13 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 90°layers

表5 90°纖維鋪層內嵌重疊缺陷試件拉伸強度Tab.5 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 90°layers

當內嵌交叉缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件拉伸強度呈現先增后減的趨勢，主要原因是內嵌缺陷角度θ是±30°或±60°時，與斷面夾角更小，導致拉伸強度較θ為±45°時有所下降。當試件內嵌對準缺陷時，隨著內嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強度呈現出增大的趨勢，主要原因是內嵌缺陷角度的增大，與內嵌缺陷纖維層纖維絲束的夾角變小，纖維絲束的分布更接近完好鋪層纖維絲束，內嵌缺陷纖維層的損傷面積減小。

由于0°纖維鋪層是拉伸實驗中試件的主要承載層，因此在90°纖維鋪層內嵌缺陷時對試件拉伸性能的影響并不顯著。與0°纖維鋪層內嵌缺陷的情況相反，在90°纖維鋪層內嵌缺陷時，內嵌孔隙缺陷試件的拉伸強度普遍高于內嵌重疊缺陷試件。主要原因是:纖維絲束的疊加使重疊缺陷區域厚度發生變化，相鄰的0°纖維鋪層產生面外褶皺，導致內嵌缺陷區域產生應力集中，從而導致試件拉伸強度有所下降。

3 結論

（1）內嵌缺陷設置在0°方向鋪層內時，試件拉伸性能下降明顯。內嵌±30°孔隙缺陷和30°重疊缺陷時，試件拉伸強度比分別為28.48%和50.71%。由于0°纖維鋪層是拉伸實驗中試件的主要承載層，因此在0°纖維鋪層內嵌缺陷時對試件拉伸性能的影響十分顯著。

（2）內嵌缺陷設置在90°方向鋪層內時，試件拉伸性能下降不明顯。內嵌90°孔隙缺陷和90°重疊缺陷時，試件拉伸強度比分別為90.89%和90.11%。

（3）內嵌缺陷設置在0°纖維方向鋪層內時，由于0°方向鋪層是整個試件的主要承載層，纖維方向平行于實驗機拉力方向，導致試件斷裂點發生在內嵌缺陷附近。除斷裂點以外，還發現試件的纖維斷裂以及分層損傷。拉伸時，首先在缺陷處產生裂紋，隨著載荷增大，裂紋在層內擴展，造成分層損傷，然后在內嵌缺陷附近產生明顯的纖維斷裂，試件失效。

（4）內嵌缺陷設置在90°纖維方向鋪層內時，由于0°方向纖維鋪層才是主要的承載層，90°方向鋪層纖維垂直于外加載荷方向，因此，缺陷試件的斷裂并未完全發生在內嵌缺陷附近。隨著載荷的增加，仍然是內嵌缺陷處首先發生斷裂，隨著載荷越來越大，裂紋逐漸擴展，然后發生層間損傷，直至纖維斷裂，試件失效。