不同溫度下復(fù)合材料層板沖擊后剩余強(qiáng)度研究

黃智，溫衛(wèi)東

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

復(fù)合材料層板以其高比強(qiáng)度、高比剛度、易成型、抗疲勞等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)中，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、使用及維護(hù)的過程中，不可避免地會(huì)受到來自外物的沖擊。這類沖擊大多屬于低速、低能的沖擊，在層板的表面所造成的損傷較小，但會(huì)在層板內(nèi)部造成多種形式的損傷。這些損傷往往無法直接觀察檢測(cè)，卻會(huì)造成層板的強(qiáng)度大幅度下降。因此，對(duì)受沖擊的復(fù)合材料層板進(jìn)行研究是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)沖擊后的復(fù)合材料層板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。DE Moura、程小全等[1-4]通過實(shí)驗(yàn)研究了層板的沖擊損傷，研究表明，在沖擊能量較低時(shí)，層板內(nèi)部主要損傷為基體開裂和分層，分層只產(chǎn)生在鋪層方向不同的兩鋪層之間，呈花生殼狀，主軸沿下層的纖維方向。溫衛(wèi)東等[5]通過對(duì)不同尺寸和不同鋪層順序的層板進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件的幾何尺寸對(duì)沖擊損傷投影面積影響較大，鋪層順序主要影響投影區(qū)域的形狀。WANG Shixun[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了沖擊能量對(duì)層板拉伸剩余強(qiáng)度的影響，將沖擊后層板的拉伸剩余強(qiáng)度分為低能量退降、穩(wěn)定、高能量退降3個(gè)階段。KOO J M等[7]提出，在相同的沖擊能量下，改變沖頭質(zhì)量，對(duì)層板剩余強(qiáng)度影響不大。王志等[8]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳纖環(huán)氧復(fù)合材料在不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體變化趨勢(shì)大致相同，其高溫力學(xué)性能受鋪層角度影響。姚佳偉等[9]研究了非連續(xù)濕熱作用對(duì)復(fù)合材料層板性能的影響，研究表明，單一溫度作用下，層板彎曲性能降低，層間剪切性能增強(qiáng)。

目前對(duì)復(fù)合材料層板的沖擊和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)主要在室溫環(huán)境下進(jìn)行，在溫度環(huán)境下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)還鮮有報(bào)道。本文通過對(duì)T300/QY8911-IV復(fù)合材料層板進(jìn)行低速?zèng)_擊和沖擊后的靜拉伸試驗(yàn)，研究了3種不同溫度和沖擊能量下層板的沖擊損傷和剩余拉伸強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件

試件材料體系為T300/QY8911-IV復(fù)合材料(圖1)，纖維體積含量約為41%，試件鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/45/0/90/0]s，共16層，單層板厚度為0.153mm，試件尺寸為200mm×38mm。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，在兩端粘貼50mm加強(qiáng)片，用于靜拉伸實(shí)驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)件

1.2 低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)

1) 沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

參照ASTM D7136試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置對(duì)復(fù)合材料層板進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，裝置如圖2所示。落錘總質(zhì)量為1.2kg，底部為直徑16mm的球形沖頭，通過電磁鐵吸附在上橫梁上，可通過調(diào)節(jié)上橫梁高度來調(diào)節(jié)沖擊能量的大小。試驗(yàn)機(jī)自帶防二次沖擊裝置，在沖頭反彈后落下時(shí)，電磁閥門自動(dòng)吸合，防止造成二次沖擊損傷。沖擊能量選擇分別為6J、8J和10J，相應(yīng)落錘高度設(shè)定為510mm、680mm和850mm。

圖2 沖擊試驗(yàn)裝置

2) 沖擊實(shí)驗(yàn)夾具

由于試件尺寸較小，無法直接裝夾到?jīng)_擊臺(tái)面上，需要用夾具固定后裝到?jīng)_擊臺(tái)上。如圖3所示，在下夾具上開有凹槽用來放置試驗(yàn)件，上、下夾具用螺栓緊固后放置到臺(tái)面上，四周用夾子固定；對(duì)于高溫試件，將兩塊電加熱板和夾具裝夾在一起，待加熱到指定溫度并保溫15min之后進(jìn)行試驗(yàn)。加熱過程中使用硅酸鋁保溫棉塞住沖擊缺口，待沖擊時(shí)取出保溫棉，迅速進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

圖3 沖擊試驗(yàn)夾具

1.3 靜拉伸試驗(yàn)

對(duì)沖擊后試件進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度和沖擊試驗(yàn)中的溫度保持一致。靜拉伸試驗(yàn)在MTS810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移控制的加載方式，加載速率為1mm/min。對(duì)于高溫試件，采用電加熱帶對(duì)試件進(jìn)行加熱，待達(dá)到指定溫度后保溫15min，再進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，記錄試件的破壞載荷，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取4～5件試驗(yàn)件。

2 沖擊損傷和剩余強(qiáng)度分析

2.1 沖擊損傷分析

復(fù)合材料層板受到?jīng)_擊后，試件表面損傷如圖4所示。試件的正面在沖擊位置處出現(xiàn)了凹坑，背面沿45°方向出現(xiàn)了少量基體開裂和分層的現(xiàn)象。沖擊過程中，落錘的沖擊能量以可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的多種形式的損傷變形被層板所吸收，上表面與落錘直接接觸，基體和纖維發(fā)生損傷，形成凹坑；整板受到?jīng)_擊載荷作用，發(fā)生彎曲，在層板背面形成較大的彎曲正應(yīng)力，引起背面基體開裂，沿厚度方向的剪切應(yīng)力則引起了層間分層。

圖4 層板沖擊后損傷外觀圖

對(duì)比圖4(a)和圖4(c)、圖4(b)和圖4(d),可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于20℃下的6J沖擊試件和180℃下的10J沖擊試件，其正面產(chǎn)生的凹坑大小差別并不明顯，且背面基體開裂的長度和寬度差別也不是很大，單純依靠目視檢測(cè)表面損傷，并不能有效地判斷出其損傷程度。故采用超聲水浸C掃設(shè)備對(duì)損傷后的層板進(jìn)行損傷檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 層板沖擊后C掃探傷圖

C掃結(jié)果顯示，對(duì)于20℃下的6J沖擊試件和180℃下的10J沖擊試件，沿寬度方向的損傷都已經(jīng)擴(kuò)展到了約束邊界，而且在沿試件的長度方向；20℃下6J沖擊試件的損傷長度為34mm左右，180℃下10J沖擊試件的損傷長度則達(dá)到了50mm。雖然目視檢查表面損傷較小且差別不明顯，但層合板內(nèi)部的損傷面積已經(jīng)很大，且隨著溫度升高和沖擊能量增大，其內(nèi)部損傷也在變大。

2.2 拉伸剩余強(qiáng)度與結(jié)果分析

表1為沖擊后層板拉伸剩余強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，載荷-位移曲線近似呈線性關(guān)系。整個(gè)拉伸過程，試件的伸長率并不高，故其拉伸剩余強(qiáng)度可通過破壞載荷除以層板的橫截面積獲得。在試件拉伸的過程中，會(huì)先聽到基體斷裂的聲音，此時(shí)層板承載能力基本不受影響，隨著位移增加，載荷隨之繼續(xù)增大，當(dāng)纖維斷裂后，其載荷迅速降低。試驗(yàn)件的斷口均位于沖擊位置附近，這是由于沖擊位置處有損傷的存在，強(qiáng)度和剛度降低，應(yīng)力較為集中，各層斷口基本為纖維垂直的方向。

表1 層板沖擊后拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，沖擊能量越大，沖擊后層板的剩余強(qiáng)度越低(圖6)；在相同沖擊能量下，環(huán)境溫度越高，沖擊后層板的剩余強(qiáng)度也越低(圖7)。

溫度從20℃上升到130℃時(shí)，在6J、8J、10J沖擊能量下，剩余強(qiáng)度分別下降了3.7%、4.6%、6.8%，而溫度從130℃上升到180℃時(shí)，剩余強(qiáng)度分別下降了9.0%、8.4%、16.6%。由此可見，隨著溫度升高，溫度對(duì)試件沖擊損傷及剩余強(qiáng)度的影響會(huì)越大。

這是由于復(fù)合材料是各向異性材料，熱膨脹率在各個(gè)方向上并不相同，當(dāng)溫度升高時(shí)，除了材料性能有所下降外，由于層板內(nèi)部各層鋪設(shè)角度不同，其熱膨脹也會(huì)受到相鄰鋪層的限制，因而各層之間有熱應(yīng)力的存在，且各層之間熱應(yīng)力的大小也隨著鋪層角度的變化而變化，溫度越高，層板內(nèi)部的熱應(yīng)力越大，對(duì)強(qiáng)度的影響也越明顯。

圖6 剩余強(qiáng)度隨沖擊能量變化曲線

圖7 剩余強(qiáng)度隨溫度變化曲線

3 結(jié)語

1) 低速?zèng)_擊在復(fù)合材料層板表面造成損傷較小，但會(huì)在層板內(nèi)部造成基體開裂、纖維斷裂和大面積的分層損傷，且沖擊能量越大，損傷面積越大，層板的剩余強(qiáng)度越低。

2)復(fù)合材料層板內(nèi)部鋪層方向不同，在受熱時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且隨著溫度升高，材料性能會(huì)有下降，在承受相同沖擊能量時(shí)，溫度越高，層板損傷程度越嚴(yán)重，剩余強(qiáng)度越低。