航空用碳纖維增強樹脂基復合材料低溫環境下彎曲性能變化研究

緱建杰，熊俊，朱麗，羅海林，向海

（航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092）

碳纖維增強樹脂基復合材料主要由樹脂基體、碳纖維和上漿劑構成：碳纖維主要承受應力，樹脂基體起到傳遞應力的作用；上漿劑是碳纖維和基體之間的過渡，起到增強樹脂和碳纖維粘接強度、改善界面性能的作用。碳纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量，并在耐疲勞性能、抗沖擊性能、減震性能、耐腐蝕性能、耐高低溫性能等方面都有顯著的優點，在航空行業應用廣泛[1-3]。當飛機在高空環境使用過程中，機身將長期服役于-50 ℃的低溫環境中，會承受彎曲等多種應力的作用，因此，研究低溫環境下的彎曲性能變化具有重要意義[4-9]。由于復合材料彎曲試驗方法的載荷狀態復雜，影響因素多，材料同時承受壓縮、拉伸和剪切載荷，與拉伸和壓縮試驗相比，應力狀態復雜，加載點附近的應力狀態尤為復雜，可能發生的破壞形式多，且基于彎曲梁理論，不能夠在計算中體現出剪切影響[10-15]。為此，文中結合國內外行業標準，分析研究了壓頭半徑、跨厚比、以及壓頭與試樣之間有無塑料薄膜襯墊等因素對碳纖維增強樹脂基復合材料低溫環境下彎曲性能測試數據的影響規律。

1 試驗

1.1 試樣制備

原材料為相同工藝條件下制作的中溫固化環氧碳纖維增強改性環氧樹脂基復合材料單向層壓板彎曲試樣，如圖1所示。

1.2 試驗過程

圖1 彎曲試驗加載示意Fig.1 Loading diagram of bending test

將試樣在低溫環境試驗箱中進行-50 ℃低溫試驗3 h后，使用5982型100 kN英斯特朗電子萬能試驗機對其彎曲性能進行測試，并與室溫條件下的彎曲性能進行對比。彎曲強度與其破壞形式密切相關，ASTM D 790—2017規定試樣下表面拉伸破壞為有效。影響彎曲試樣破壞形式的因素主要包括：壓頭半徑、跨厚比、試樣表面狀態、試驗速率、試樣受力狀態等。其中，當試驗跨厚比L/h確定后，試驗速度（R=ZL2/6h，Z為外層纖維的應變速率，Z=0.01）也隨之確定。ASTM D 790—2017推薦的壓頭半徑為5 mm，如果發生加壓失敗或出現明顯的壓痕，其半徑還應更大，加載頭的半徑最大不超過試樣厚度的4倍。跨厚比選擇應以三點彎曲試樣縱向拉伸破壞和層間剪切破壞同時發生的臨界跨厚比L/h=σ/2τb為依據，由此確保試樣彎曲破壞首先發生在最外層纖維層來確定。對于復合材料，其面內剪切強度較低，而平行于支撐跨距的抗拉強度相對較高，ASTM D 790—2017推薦采用跨厚比 32:1，但要求失效模式為外表面拉伸破壞，允許調整跨距。彎曲強度試驗中，壓頭與試樣剛性接觸，過度應力集中將引起材料過早失效。文中結合ASTM D 790—2017試驗方法，采用三點彎曲試驗方法對復合材料層壓板施加載荷，在試樣中央或中間部位形成彎曲應力分布場，測試層壓板的彎曲性能，試驗方案見表1。

表1 彎曲強度測試方案Tab.1 Test scheme for bending strength

1.3 數據處理

根據 ASTM D 790—2017計算其室溫及低溫環境下不同試驗方式的彎曲性能。

彎曲強度計算公式為：

式中：σf為彎曲強度，MPa；P為試樣破壞時的最大載荷，N；L為支撐跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

2 結果與討論

2.1 改變壓頭半徑

當跨厚比L/h=60:1、試樣袋面向上以及壓頭與試樣之間無塑料薄膜襯墊時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣在壓頭半徑R為5、10 mm的情況下進行室溫及低溫-50 ℃彎曲性能測試，試驗結果見表2。從表2中可以看出，隨壓頭半徑的增加，彎曲強度略有增加，但波動性變小。R=5 mm時的破壞形式為部分壓頭處破壞，部分下表面拉伸破壞，低溫環境比室溫環境平均彎曲強度下降 15%左右。R=10 mm時的破壞形式均為試樣中間斷裂，低溫環境比室溫環境平均彎曲強度下降8%左右。這是由于壓頭半徑小時，壓頭與試樣接觸面積減小，應力較為集中，因此很容易引起壓頭處材料的過早破壞從而導致低溫對其彎曲性能影響較大。

表2 低溫-50 ℃與室溫環境下不同壓頭半徑對彎曲性能的變化（L/h=60:1）Tab.2 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and room temperature when changing the radius of head (L/h=60:1)

2.2 改變跨厚比

在壓頭半徑R=5 mm、試樣袋面向上以及壓頭與試樣之間無塑料薄膜襯墊時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣在跨厚比L/h為32:1、40:1和60:1的條件下進行室溫與低溫-50 ℃彎曲性能對比，試驗結果見表3。從表3中可以看出，隨著跨厚比的增加，彎曲強度均值成遞增趨勢，且彎曲強度波動性變小。L/h為 32:1和 40:1時，失效形式為試樣中部斷裂；L/h=60:1時，失效形式為部分壓頭處破壞，下表面未斷，部分下表面拉伸破壞，隨著溫度的降低，彎曲性能也有不同的變化。這是由于隨著跨厚比的增加，試樣的彎曲強度也不斷增加，而剪應力卻逐步下降；溫度對不同跨厚比時彎曲性能的影響不大。

2.4 增加塑料薄膜襯墊

在壓頭半徑R=5 mm、試樣袋面向上、L/h=32:1時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣增加塑料薄膜襯墊（單層），在室溫及低溫-50 ℃條件下進行彎曲性能測試，試驗結果見表4。由表4中可以看出，當使用塑料薄膜襯墊時，試樣的彎曲強度均值均明顯增加，低溫環境下的試樣彎曲強度變化不明顯，且試樣的失效形式均表現為下表面拉伸破壞。

表3 低溫-50 ℃與室溫環境下不同跨厚比時彎曲性能的變化Tab.3 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and at room temperature with different L/h

表4 低溫-50 ℃與室溫環境下增加塑料薄膜襯墊時彎曲性能的變化Tab.4 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and at room temperature with plastic film gasket

3 結論

通過試驗可以得出以下結論。

1）隨著溫度的降低，高分子基體變脆，試樣韌性下降，因此導致彎曲性能降低。如需測量溫度對試樣彎曲性能的影響，建議選擇壓頭半徑較小，無塑料薄膜襯墊，跨厚比L/h為32:1的試驗方案。

2）壓頭半徑的大小直接影響到試驗過程中剪切力對試驗結果的影響，壓頭半徑小時，很容易引起壓頭處材料的過早破壞而影響彎曲強度，有時甚至可以使承壓處材料產生擠壓-剪切破壞，且低溫對壓頭半徑小的試樣影響最為顯著。

3）對于復合材料，其面內剪切強度較低，而平行于支撐跨距的抗拉強度相對較高，增大跨距將使彎曲強度值增加，但未發生明顯變化。適當地增加跨厚比，可防止試樣的外層纖維出現過早破壞，提升纖維在試樣表面僅僅由于彎曲力矩而破壞的概率。

4）增加一層塑料薄膜襯墊會顯著降低試樣上表面壓頭部位的應力集中，試樣更容易發生下表面拉伸破壞，獲得較高的彎曲強度。且增加塑料薄膜后，低溫環境對試樣彎曲性能影響最小。