2.5維機(jī)織復(fù)合材料沖擊剩余強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王柱成，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

為有效地減輕飛機(jī)質(zhì)量和降低燃料成本,復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)的高科技部件。2.5維機(jī)織復(fù)合材料是一種新型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，在制造、搬運(yùn)、使用、維修過程中不可避免地會(huì)受到各種低速?zèng)_擊，復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)損傷。雖然沖擊損傷面積小，但是復(fù)合材料沖擊后的承載能力卻大不如前。同時(shí)隨著溫度的提升，樹脂的力學(xué)性能下降，導(dǎo)致了樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著溫度的提高而下降[1-3]。在溫度環(huán)境下受到?jīng)_擊后，2.5維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的衰退更加顯著。因此，開展溫度環(huán)境下2.5維機(jī)織復(fù)合材料沖擊后剩余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究具有重要的工程意義。

對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料的試驗(yàn)研究主要集中在室溫下靜載力學(xué)試驗(yàn)。鄭君[4]通過對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究其力學(xué)性能及失效模式。試驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)向靜拉伸時(shí)2.5維編織復(fù)合材料的失效模式主要是經(jīng)紗斷裂和緯紗基體開裂，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性趨勢(shì)。緯向拉伸時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性，緯紗斷裂和經(jīng)紗基體開裂是主要的失效模式。宋健[5]在溫度環(huán)境下對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損靜拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明2.5維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸時(shí)主要由經(jīng)紗束承載，斷口在經(jīng)紗和緯紗的交匯處，緯向拉伸時(shí)主要由平直的緯紗承載。

本文在20℃、140℃下分別對(duì)受到3 J、5 J能量沖擊后的2.5維機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行經(jīng)向拉伸試驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)獲得的經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度，研究溫度和沖擊能量對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文2.5維機(jī)織復(fù)合材料采用T300碳纖維為增強(qiáng)體，雙馬來(lái)酰亞胺QY8911-IV為樹脂基體。材料為淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)，見圖1。經(jīng)紗排列密度為10根/cm，緯紗排列密度為3.5根/cm，緯紗層數(shù)為6層。委托天津工業(yè)大學(xué)織造，并由北京航空制造工程研究所經(jīng)高溫RTM成型，試件尺寸如圖1所示。

本文的試驗(yàn)在MTS809液壓伺服試驗(yàn)機(jī)(力傳感器最大量程為250 kN)上完成。該設(shè)備自帶高溫加熱爐和水冷系統(tǒng)。試驗(yàn)儀器如圖2所示。

由于目前尚沒有為T300/QY8911-IV樹脂基復(fù)合材料靜拉伸試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以本文參考試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039(《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》)[6]對(duì)試驗(yàn)作如下規(guī)定：

對(duì)于室溫靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，按1mm/min加載速率拉伸至試驗(yàn)件斷裂；對(duì)于高溫環(huán)境下靜態(tài)試驗(yàn)，將試驗(yàn)件一端置于試驗(yàn)機(jī)上夾頭夾緊(下端懸空以保證試件在升溫過程中可自由膨脹)后按10℃/min溫升速率，將加熱爐溫度從室溫升至目標(biāo)溫度，保溫30 min，使試驗(yàn)件溫度均勻。在此狀態(tài)下開始采集數(shù)據(jù)并按1mm/min加載速率拉伸至試驗(yàn)件斷裂。

圖1 2.5維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖及試件尺寸圖

圖2 MTS809液壓伺服試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 20 ℃下經(jīng)向剩余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3為20℃下不同能量沖擊后試驗(yàn)件的經(jīng)向拉伸斷口正面照片。從照片中可以看出，試驗(yàn)件在沖擊凹坑的垂直方向斷裂，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象。斷口集中在經(jīng)、緯紗交匯處，大面積經(jīng)紗束出現(xiàn)縱向斷裂，斷口比較齊整。圖4為20℃下受到不同沖擊能量的試驗(yàn)件在靜拉伸過程中的載荷-位移曲線。從圖中可以看出，不同的沖擊能量沖擊后2.5維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸載荷-位移曲線呈現(xiàn)擬線性變化。

圖3 20 ℃不同沖擊能量沖擊后剩余強(qiáng)度試驗(yàn)件

表1為20℃時(shí)，在不同沖擊能量沖擊后的2.5維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸平均剩余強(qiáng)度。2.5維機(jī)織復(fù)合材料受到3J能量沖擊后的平均經(jīng)向剩余強(qiáng)度為220.04MPa，受到5 J能量沖擊后剩余強(qiáng)度為181.55MPa。20℃時(shí)試驗(yàn)件的經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度隨著沖擊能量的增加而不斷降低。

圖4 試件受不同能量沖擊、20 ℃下的 經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線

表1 不同沖擊能量沖擊、20 ℃下經(jīng)向拉伸平均剩余強(qiáng)度

2.2 140 ℃下經(jīng)向剩余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了140℃下受到3種沖擊能量后的2.5維機(jī)織復(fù)合材料試驗(yàn)件的拉伸載荷-位移曲線。受到2種沖擊能量試件的載荷-位移曲線都大致呈弱線性趨勢(shì)，與常溫時(shí)含初始損傷的 2.5維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸破壞過程相似。

140℃時(shí)，在不同沖擊能量沖擊后的2.5維機(jī)織復(fù)合材料試驗(yàn)件的經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度見表2。2.5維機(jī)織復(fù)合材料受到3J能量沖擊后的平均經(jīng)向剩余強(qiáng)度為213.74MPa，受到5 J能量沖擊后剩余強(qiáng)度為167.89MPa。經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度隨著沖擊能量的增加而不斷降低，這個(gè)規(guī)律與環(huán)境溫度為20℃時(shí)的結(jié)果一致。

圖5 試件受不同能量沖擊、140 ℃下的 經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線

表2 不同沖擊能量沖擊、140 ℃下經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度

以同樣溫度下3J能量沖擊后經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度為基準(zhǔn)，表3給出了20℃、140℃下5J能量沖擊后2.5維復(fù)合材料經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度降低率。20℃時(shí)，與3J能量對(duì)比，5J能量沖擊后拉伸剩余強(qiáng)度下降了17.50%；140℃時(shí)，與3J能量對(duì)比，5J能量沖擊后拉伸剩余強(qiáng)度分別下降了21.45%。由此可見同樣溫度下，沖擊損傷對(duì)材料經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度的影響較大。表4給出了140℃下不同沖擊能量沖擊后材料經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度降低率。相對(duì)20℃，受3J能量后 140℃環(huán)境下拉伸剩余強(qiáng)度下降了2.86%。所以溫度的上升使拉伸剩余強(qiáng)度下降。

表3 不同能量沖擊后經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度降低率

表4 不同溫度下經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度降低率

3 結(jié)語(yǔ)

本文試驗(yàn)方法研究沖擊能量、環(huán)境溫度對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料沖擊后剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 溫度一定時(shí)，沖擊能量越大，經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度越小；

2) 沖擊能量一定時(shí)，經(jīng)向拉伸剩余強(qiáng)度隨著溫度上升而降低；

3) 經(jīng)向拉伸斷口集中在經(jīng)、緯紗交匯處，大面積經(jīng)紗束出現(xiàn)縱向斷裂，斷口比較齊整；由于沖擊凹坑的存在，使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以斷口位置處于沖擊凹坑的垂直方向。