碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管開裂失效分析

萬 蕾，孫 璐，李 晶，楊耀東

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

0 引言

碳/環(huán)氧復(fù)合材料相比于金屬材料密度小、比強度和比剛度高，并且在真空條件下質(zhì)損率低、熱膨脹系數(shù)小，更加符合現(xiàn)代航天器的要求，被廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域中的衛(wèi)星天線、衛(wèi)星本體、太陽電池陣基板結(jié)構(gòu)等航天器重要組成部分［1］。目前國內(nèi)外對碳/環(huán)氧復(fù)合材料的研究集中在對其制備成型工藝、缺陷的無損檢測方法(主要為聲發(fā)射、超聲波C 掃檢測)，以及孔隙、分層等缺陷對其性能影響的研究，在航天領(lǐng)域，主要針對碳/環(huán)氧復(fù)合材料的應(yīng)用以及與空間環(huán)境的交互作用等進行了相關(guān)研究［2-8］。但針對具體復(fù)材構(gòu)件中的孔隙率等缺陷的控制標(biāo)準(zhǔn)的研究尚不夠深入。

衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)為驗證其展開功能和承載能力，在其研制過程中需經(jīng)歷多次展開、收攏和力學(xué)試驗，使其承受循環(huán)載荷、壓彎組合變形、振動等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境。該天線結(jié)構(gòu)在完成收攏狀態(tài)力學(xué)振動試驗后，進行第60 次展開試驗的過程中，其重要組件橫管發(fā)生了折損。該橫管為碳/環(huán)氧復(fù)合材料，橫管長1 492.7 mm、壁厚0.6 mm、內(nèi)徑(24±0.05)mm，該橫管采用7 層鋪層結(jié)構(gòu)，5 層纏繞層(±15°層和90°層)和2 層鋪覆層(0°層)。纏繞層采用M40JB-6K 碳纖維絲束浸漬環(huán)氧樹脂通過纏繞工藝制備。

本研究通過失效件與比對件的彎曲試驗、宏觀觀察、微觀觀察、金相分析，確定橫管的失效模式，并對其失效原因進行分析，同時提出后續(xù)解決措施建議。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 失效橫管宏觀觀察

對分解下來的失效橫管進行目視觀察，其宏觀形貌如圖1 所示。橫管發(fā)生了向下彎曲變形開裂，彎曲角度約25°，圓管變形呈扁平狀，斷裂處的裂紋沿鋪層方向擴展，彎曲部位內(nèi)側(cè)表面約3/4 周范圍存在斷裂及層間開裂現(xiàn)象(圖1b)，斷裂處附近沿軸向長約40 mm(彎裂處兩側(cè)各約20 mm)的范圍內(nèi)可見不同程度的層間開裂現(xiàn)象，斷裂處纖維束參差不齊，部分呈翹起、錯位狀態(tài);而斷裂處彎曲外側(cè)表面1/4 周范圍未見明顯裂紋及層間開裂現(xiàn)象。此外，橫管分解下來后在卸載狀態(tài)下極易恢復(fù)原有狀態(tài)，以上宏觀形貌特征表明橫管具有典型的彎曲破壞特征。采用游標(biāo)卡尺對失效橫管壁厚進行測試，結(jié)果為0.61～0.70 mm，符合設(shè)計要求。

圖1 失效橫管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure transverse pipe

1.2 三點彎曲試驗

由于失效部位主要是受到彎矩作用而發(fā)生的破壞，為了考核失效橫管其他部位的彎曲性能，在失效橫管未開裂區(qū)域和比對橫管(同種加工工藝，未使用橫管)上分別截取部分試件進行三點彎曲性能試驗，加載后試件發(fā)生彎曲變形，卸載后試樣彎曲破壞位置趨向恢復(fù)原態(tài)。對試驗后的2個三點彎曲試件分別進行宏觀形貌觀察，可見，其宏觀形貌基本一致，且與失效件破壞特征基本相同。2 個彎曲試樣的彎曲性能測試結(jié)果如表1 所示，結(jié)果表明失效橫管未開裂區(qū)域與比對橫管三點彎曲破壞載荷相當(dāng)，未見明顯差異。

表1 三點彎曲試驗結(jié)果Table 1 Results of three-point bending test

1.3 斷口微觀觀察

1)彎曲試驗件裂紋斷面。

分別對2 個彎曲試驗件(失效橫管未開裂區(qū)域和比對橫管)裂紋斷面進行微觀形貌觀察。2件彎曲試驗件裂紋斷面的微觀形貌較相似，未見明顯的氣孔、貧膠區(qū)等原始材料缺陷，樹脂聚集區(qū)為脆性斷裂特征，樹脂基本連續(xù)且呈臺階、波紋輻射狀及鋸齒斷裂形貌，邊緣棱角分明，樹脂與纖維的結(jié)合界面區(qū)域未見明顯異常，纖維間的樹脂較充盈，呈臺階及鋸齒狀，棱角分明(圖2)。

2)失效件裂紋斷面。

失效橫管裂紋斷面分為源區(qū)、源區(qū)附近緩慢擴展區(qū)及失穩(wěn)快速擴展區(qū)3 部分，其微觀形貌如圖3 所示。其中失穩(wěn)快速擴展區(qū)的斷裂形貌與彎曲試驗件裂紋斷面形貌相似，源區(qū)及附近緩慢擴展區(qū)形貌則存在顯著差異，主要表現(xiàn)在:樹脂富集區(qū)斷面由于受到多次往復(fù)彎曲、磨損變得更為平滑，原來的臺階、鋸齒狀斷面呈現(xiàn)彎曲、磨損形貌，斷面變窄，邊緣變得較為圓滑;纖維間樹脂大面積缺失，殘留的樹脂呈斷續(xù)狀，原始的臺階及鋸齒狀消失，斷面變得非常圓滑。

1.4 金相分析

在失效橫管及比對橫管上分別取樣制備成金相試樣進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果表明2 個試樣橫截面上均可見7 層明顯鋪層、纖維分布較均勻，未見明顯分層及層間開裂現(xiàn)象，但均存在少量孔隙(圖4、圖5 中黑色區(qū)域)。

圖2 彎曲試驗件開裂面微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture surface

圖3 失效橫管裂紋斷面微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface (Failure transverse pipe)

圖4 比對橫管的截面形貌Fig.4 Transversal morphology of comparison specimen

圖5 失效橫管的截面形貌Fig.5 Transversal morphology of failure pipe

采用圖像分析儀對2 個試樣纖維體積含量及孔隙率分別進行測試(表2)，結(jié)果表明，2 個試樣的纖維體積含量均符合設(shè)計要求(≥55%)。此外，軍品用樹脂基復(fù)合材料的孔隙率要求一般小于2%，失效件與比對件的孔隙率均在此范圍內(nèi)，但失效件胡孔隙率較比對件明顯偏高，且圖5 顯示出個別的孔隙較大。

表2 纖維體積含量及孔隙率測試結(jié)果Table 2 Results of fiber volume fraction and porosity percentage

2 分析與討論

通過以上測試結(jié)果表明:1)失效橫管和比對橫管結(jié)構(gòu)未見明顯差異，均為7 層鋪層結(jié)構(gòu)，纖維體積含量、孔隙率、壁厚均符合要求，但失效件的孔隙率明顯高于比對件;2)失效橫管與比對橫管的三點彎曲破壞載荷大致相同。

宏觀破壞形貌觀察結(jié)果表明:失效橫管與三點彎曲試驗件的宏觀破壞形貌相似，均具有典型的彎曲破壞特征。內(nèi)側(cè)受壓面發(fā)生層間開裂和局部斷裂現(xiàn)象，彎曲外側(cè)受拉面未見明顯層間開裂及斷裂現(xiàn)象。

破壞部位的微觀觀察結(jié)果表明:失效橫管失穩(wěn)快速擴展區(qū)的斷裂特征與比對件三點彎曲斷口特征較一致，而與源區(qū)及附近擴展區(qū)的形貌存在明顯差異，具體表現(xiàn)在樹脂富集區(qū)和纖維間樹脂的斷裂特征:1)快速擴展區(qū)的樹脂富集區(qū)樹脂基本連續(xù)，且呈臺階、波紋輻射狀及鋸齒斷裂形貌，邊緣棱角分明;而源區(qū)及附近區(qū)域的樹脂富集區(qū)斷面由于受到多次反復(fù)彎曲作用及磨損，斷面變得更為平滑，原來的臺階、鋸齒狀斷面呈現(xiàn)彎曲、磨損及脫落形貌，斷面寬度變窄，邊緣變得較為圓滑，部分界面不清晰;2)快速擴展區(qū)纖維間的樹脂較充盈、連續(xù)，呈臺階及鋸齒狀，棱角分明;而源區(qū)及附近區(qū)域樹脂大面積缺失，殘留的樹脂呈斷續(xù)狀，原始的臺階及鋸齒狀消失，斷面變得非常圓滑。

上述結(jié)果表明，橫管在第60 次試驗之前已經(jīng)發(fā)生鋪層層間損傷及局部開裂或斷裂。由于經(jīng)過了多次反復(fù)的應(yīng)力作用，源區(qū)狀態(tài)已發(fā)生變化，已無法判定源區(qū)是否有原始缺陷存在。但碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管在制備過程中不可避免會存在一定的氣孔缺陷，且失效件明顯高于比對件。當(dāng)其在后續(xù)進行收攏態(tài)振動及反復(fù)展開、收攏試驗的過程中，橫管承受循環(huán)載荷、壓彎組合變形、振動等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，在應(yīng)力作用下開始萌生裂紋并逐步發(fā)生擴展，尤其是在反復(fù)展開、收攏的試驗過程中，橫管在反復(fù)加載的軸向壓縮-彎曲載荷的作用下發(fā)生彎曲變形，在變形集中區(qū)缺陷發(fā)生擴展并逐步形成分層開裂損傷，使局部區(qū)域剛度下降，在后續(xù)使用中分層開裂損傷進一步加劇，導(dǎo)致橫管的整體剛度逐漸下降，最終在第60 次展開試驗中發(fā)生彎曲失穩(wěn)破壞［9-14］。橫管在未使用時以及試驗過程中均采用接觸式脈沖超聲無損檢測方法對其可能存在的分層缺陷、脫粘、開裂、彌散性缺陷等進行檢測，但由于碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管為薄壁、大曲率結(jié)構(gòu)，對缺陷敏感性高，準(zhǔn)確檢測難度較大，現(xiàn)有的孔隙率控制標(biāo)準(zhǔn)是否適用值得研究。因此，建議今后開展對碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管無損檢測方法的研究，提高檢測靈敏度的同時建立適合碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管的缺陷評價規(guī)范，有效識別出碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管在使用過程中的安全隱患。

3 結(jié)論與建議

1)失效件的破壞模式為彎曲破壞，失效件在第60 次試驗之前已經(jīng)發(fā)生鋪層層間損傷及局部開裂或斷裂。

2)收攏、展開過程中橫管在反復(fù)加載的軸向壓縮-彎曲載荷的作用下發(fā)生彎曲變形，在變形集中區(qū)缺陷發(fā)生擴展并逐步形成分層開裂損傷，使局部區(qū)域剛度下降，在后續(xù)使用中分層開裂損傷進一步加劇，導(dǎo)致橫管的整體剛度逐漸下降，最終在第60 次展開試驗中發(fā)生彎曲失穩(wěn)破壞。

3)失效件的孔隙率明顯高于比對件，建議今后開展對碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管無損檢測方法的研究，提高檢測靈敏度的同時，建立研究并建立適合碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管的缺陷評價規(guī)范，有效識別出碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫管在使用過程中的安全隱患。

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