復合材料整體成型過程分層缺陷動態擴展研究

王雪明， 謝富原

(1.中航復合材料有限責任公司 復合材料檢測技術中心，北京 101300；2.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009)

復合材料因具有高比強度、高比模量、可設計性強、耐疲勞等優點而在航空航天等軍用領域和交通、體育、風電等民用領域得到了廣泛應用。復合材料常常在制造過程中因為空氣、揮發份、夾雜以及使用過程中受到的鳥撞、冰雹等各類沖擊而造成層間分層缺陷/損傷。分層缺陷/損傷的存在對復合材料壓縮強度和承載能力帶來極大的影響，常常因為屈曲導致分層擴展發生破壞。因此，關于分層缺陷/損傷的成因、機理及其對力學性能的影響長期以來一直是復合材料領域的研究熱點[1-10]。但已有的研究多數關注于復合材料在使用過程中的分層損傷問題，而對制造過程中分層缺陷研究相對較少。筆者前期研究結果發現分層缺陷是復合材料構件成型過程中出現比例最高的一種缺陷[11-12]，利用概率分析方法和群子理論模型，對不同構形復合材料構件分層缺陷進行了評價[13-15]，并采用4種不同預埋材料模擬分層缺陷[16]。因此，復合材料制造過程中分層缺陷的機理分析、表征方法以及質量控制值得業內關注。

對于復合材料整體化結構，往往根據結構形式和成型質量要求而選擇共固化(兩個或多個元件均未固化，組裝一起后固化成型)、膠接共固化(兩個或多個元件，有的已固化，有的未固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)、二次膠接(兩個或多個元件均已固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)等熱壓罐整體成型工藝以及液體成型工藝。對于復雜的復合材料整體化結構，在熱壓罐膠接共固化和二次膠接工藝中，需要進行多次進罐、固化處理。在這個過程中，有可能因復合材料結構因素和成型過程中的溫度場和壓力場等因素對已固化層板中存在的原有缺陷產生影響使其擴展而導致制件報廢。但目前關于分層缺陷在成型過程中擴展的相關報道較少。因此，研究分層缺陷的擴展問題對復合材料結構尤其是整體化結構至關重要。

筆者前期研究發現隔離紙實驗模擬分層與實際分層缺陷最為類似[16]。本文采用預埋隔離紙模擬分層缺陷，研究其分層擴展行為，對分層擴展的驅動力進行了計算分析，考察了熱循環對T300/QY8911復合材料層合板界面性能的影響，研究了裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴展的影響，研究結果對優化復合材料結構設計和控制復合材料整體成型質量具有指導意義。

1 實驗部分

(1) 實驗材料。

① T300/QY8911熱熔法預浸料，含膠量32wt%，中航復合材料有限責任公司；

② 輔助材料(四氟布、可剝布、A4000、Airpad橡膠、密封膠條、透氣氈)，美國Airtech公司。

(2) 儀器設備。

① 熱失重分析儀，STA 449C，德國耐馳公司；

② Sisc IAS圖像采集系統，北京中科科儀計算技術有限責任公司；

③ CMT5105電子萬能試驗機，最大試驗力10 kN，深圳市新三思計量技術有限公司。

(3) 實驗方法。

① 含分層缺陷層合板預制：層合板固化成型前，鋪疊過程中在特定位置預埋入隔離紙(即預浸料用離型紙)來模擬分層缺陷，鋪層方式為[45/-45[0/90/45/-45]s]s，夾雜材料放置在第7、第8層的+45/-45間，層板大小為：200 mm×150 mm。固化工藝制度為：從室溫升溫并抽真空→105～115 ℃，保溫10min后加壓0.6 MPa→185 ℃，保溫2 h→195 ℃，保溫4 h→70 ℃，降壓并停真空；升溫速率為1.5 ℃/min。

② 層間剪切強度測試：標準GB3357-82進行測試。

2 結果與討論

2.1 分層動態擴展現象分析

從筆者已有研究發現[16-18]，復合材料層合板在整體成型工藝過程中出現的分層擴展與整體成型溫度密切相關，分層擴展隨著整體成型溫度升高而增大；分層擴展到一定程度而停止擴展，提高后處理溫度而繼續擴展，直到擴展到層板邊緣而不再擴展(見圖1)；不同夾雜材料模擬分層與制造分層有所不同，引入隔離紙模擬的分層與制造分層最為類似；分層擴展因分層類型不同而有所不同，隔離紙模擬的分層最易發生擴展。

圖1 夾雜分層擴展路徑

2.2 分層擴展驅動力分析

復合材料層合板受外力沖擊易產生分層損傷，且在外力作用下發生擴展，而復合材料在熱壓罐整體成型過程中原有分層缺陷有時會發生擴展，分層缺陷根據成因又可分為夾雜分層、氣孔分層、脫粘分層、應力分層等。本文從低分子物質膨脹、氣泡壓力、殘余應力三方面對分層缺陷在整體成型過程中擴展的驅動力進行了分析。

2.2.1 低分子物質膨脹

復合材料在人工鋪疊過程中由于夾雜不同材料而形成夾雜分層，其中以夾雜隔離紙和四氟布最為常見，本文對T300/QY8911層合板內這兩種夾雜材料在整體成型工藝中因高溫是否產生小分子物質進行了熱失重分析，結果如圖2所示。

圖2 夾雜材料熱失重結果

由圖2可見，隔離紙與四氟布的熱失重歷程幾乎完全相同，分別在107 ℃和96 ℃產生了拐點，在拐點之前均失重2%左右，之后質量保持率較高且變化不大。隔離紙和四氟布的失重拐點均接近水的沸點，因此可以認為拐點之前的失重均是夾雜材料表面吸附水分失重的結果。由于隔離紙的大部分成份為纖維素，而纖維素在240 ℃下質量的損失較少[19]，因此可以認為隔離紙在240 ℃以下不會因熱降解而產生小分子物質(H2O、CO、CO2)。此外，夾雜材料上吸附的水分通常在層合板成型過程中樹脂凝膠前通過加壓溶于樹脂或通過樹脂流動而消除，所以，層板內所形成的夾雜分層不會因低分子高溫下膨脹而發生擴展。

已制備層合板在存放過程中可能會吸濕，已有缺陷中就會有水分，高溫下水分會轉化成水蒸汽。假設：蒸發熱ΔHV恒定，且蒸汽為理想氣體。根據Clausius-Clapeyron方程，孔穴中水蒸汽的壓力由溫度決定[20]。

(1)

則蒸汽壓力與溫度的關系如下：

(2)

(3)

當整體成型工藝中的最高溫度為473 K時，可得最大蒸汽壓力為1.567 MPa，相對于層合板的界面強度和基體強度小很多，所以復合材料層合板在整體成型過程中的分層擴展不會因低分子物質膨脹而擴展。

2.2.2 氣泡壓力

對于由較大氣孔引起的分層，由孔隙形成理論模型可知[21]，如果某一溫度下樹脂壓力大于氣泡壓力，則氣泡不會產生或已產生的氣泡可以溶解；若樹脂壓力小于氣泡壓力，則氣泡將會產生，并且溫度越高所需的氣泡壓力越大；若氣泡產生后，隨著樹脂的凝膠，樹脂壓力增大，當樹脂壓力與氣泡壓力達到平衡后，氣泡停止生長。對于T300/QY8911體系加壓點(110 ℃)的壓力為0.6 MPa，由于樹脂壓力小于外壓0.6 MPa，所以樹脂凝膠后氣孔內的氣體壓力也小于0.6 MPa。假設氣孔內氣體為理想氣體，初始溫度為20 ℃，氣體壓力為0.6 MPa(實際要小于0.6 MPa)，氣孔體積為V0，當層合板再次升溫加熱到205 ℃時，假設氣體體積不變仍為V0，而此時氣體壓力應為0.98 MPa。可見，氣泡壓力相對于層合板的界面強度和基體強度較小，所以復合材料層合板在整體成型過程中的分層擴展不會因氣泡壓力增大而擴展。

2.2.3 殘余應力

復合材料作為一種由兩種及兩種以上材料組成的材料，在經過高溫固化成型然后降到室溫后，由于樹脂與基體、層合板各層間熱物理特性不匹配，必然會在材料內部形成殘余應力。殘余應力主要是在層合板固化成型過程中形成的，而層合板不均勻受熱后也會對殘余應力產生影響。復合材料的殘余應力可以分為基體與纖維間的細觀殘余應力和層間的宏觀殘余應力[22]。對于含有分層缺陷的層合板，在整體成型工藝中重復經歷熱歷程后，不均勻溫度場或“過熱”均會產生殘余應力，從而有可能在分層缺陷的非連續區產生裂紋引起擴展。復合材料大型整體化結構的殘余應力在熱壓罐成型過程中對成型質量的影響尤為突出，這需要在復合材料結構設計中避免出現非對稱、非等厚、小曲率半徑等結構形式[23]，在成型工藝中降低非均勻溫度場帶來的影響。

2.3 熱循環對T300/QY8911層合板界面性能的影響

分層缺陷在整體成型過程中發生擴展現象除了與層合板殘余應力有關外，還與材料特性密切相關。筆者研究發現，T300/QY8911層合板分層擴展沿著層間開裂，斷面內存在基體斷裂和基體/纖維界面脫粘兩種破壞模式[17]。因此，與分層擴展相關的材料特性主要包括兩方面：① 復合材料臨界的應變能釋放率Gc(Gc的大小與層間斷裂韌性相關)；② 基體與纖維的界面性能。T300/QY8911層合板的層間斷裂韌性在文獻[17]中已系統研究，本文選擇層間剪切強度作為基體/纖維界面性能表征量，研究熱循環對T300/QY8911層合板界面性能的影響。

本文對比了T300/QY8911一次固化成型層合板(見圖3中的a)、固化成型后分別經歷一次185 ℃(見圖3中的b)、205 ℃(見圖3中的c)、220 ℃(見圖3中的d)、235 ℃(見圖3中的e)處理，以及先后經歷4個溫度循環(185 ℃、205 ℃、220 ℃、235 ℃,見圖3中的f)處理后層合板的層間剪切強度，結果如圖3所示。

圖3 熱循環對T300/QY8911層合板層間剪切強度的影響

由圖3可見，與未經歷熱循環的完好層合板相比，經歷一次熱循環后T300/QY8911層合板的層間剪切強度逐步降低，但降低幅度不大，經歷235 ℃處理后層合板(見圖3中的e)的層間剪切強度下降了7.4%；隨著熱循環次數的增多，T300/QY8911層合板的層間剪切強度下降程度加劇，經歷4次不同溫度熱循環后,T300/QY8911層合板(見圖3中的f)的層間剪切強度下降了13.8%。因此，提高熱循環溫度和熱循環次數會增大分層缺陷擴展的概率。

2.4 裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴展的影響

本文采用ABAQUS有限元程序，在含分層缺陷層合板最大應力的層間處加入無厚度的界面單元，計算分析了不同裂紋長度裂紋尖端的能量釋放率Gc，并以不同溫度下發生分層擴展的臨近部位的層間剪切性能來表征裂紋尖端界面性能，以考察裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴展的影響，結果如圖4與圖5所示。

由圖4可見，隨著裂紋長度的增加，裂紋尖端的能量釋放率Gc下降很快，這說明隨著裂紋長度的增加，裂紋擴展的能量釋放率降低，不會出現裂紋的失穩擴展。而圖5表明不同溫度擴展后的層間剪切強度相當。因此可以推斷：在易發生分層擴展的溫度制度下，分層擴展是一個動態過程：在降溫過程中，隨著殘余應力的增大，界面性能的增大，裂紋逐漸擴展，應力得到釋放，能量釋放率降低，當能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時擴展停止；待再提高后處理溫度經歷一次熱歷程后，界面性能繼續降低，則裂紋繼續擴展，直至擴展到邊緣后應力得到徹底釋放而停止。

圖4 裂紋尖端能量釋放率隨裂紋長度的變化圖

圖5 T300/QY8911層合板裂紋尖端層間剪切強度

3 結論

① T300/QY8911復合材料層合板整體成型過程中發生分層缺陷擴展主要與熱殘余應力密切相關，與低分子物質膨脹和氣泡壓力關系不大。

② 增加熱循環次數會顯著降低T300/QY8911層合板的層間剪切強度，經歷4次不同溫度熱循環后，T300/QY8911層合板的層間剪切強度下降了13.8%。提高熱循環溫度和熱循環次數會增大分層缺陷擴展的概率。

③ T300/QY8911復合材料層合板整體成型過程中的分層擴展是一個動態過程：在降溫過程中，隨著殘余應力的增大，裂紋逐漸擴展，應力得到釋放，能量釋放率降低，當能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時擴展停止；待再提高后處理溫度經歷一次熱歷程后，界面性能繼續降低，裂紋繼續擴展，直至擴展到邊緣后應力得到徹底釋放而停止。