碳纖維復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究

竺鋁濤，張 發(fā)

碳纖維復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究

竺鋁濤1，張 發(fā)2

（1.中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海200540；2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620）

為研究復(fù)合材料不同鋪層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，采用碳纖維預(yù)浸料制備了單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層2種不同結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料層壓板，并使用Instron 9250落錘沖擊測(cè)試儀測(cè)試其低速?zèng)_擊性能，得到了載荷-時(shí)間曲線，分析了2種不同鋪層方式的復(fù)合材料層壓板的低速?zèng)_擊加載力學(xué)性能，得到復(fù)合材料層壓板的破壞形態(tài)來(lái)分析其破壞方式。結(jié)果表明：2種鋪層方式產(chǎn)生了不同的破壞模式，正交[0/90]2s的復(fù)合材料層壓板的抗低速?zèng)_擊能力要優(yōu)于單向[0°]8鋪層的。

碳纖維預(yù)浸料；層壓板；低速?zèng)_擊；復(fù)合材料；破壞形式；沖擊響應(yīng)；鋪層

0 引言

碳纖維復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞性能好和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。但是在實(shí)際制造、維修和應(yīng)用中，纖維復(fù)合材料存在著共同的弱點(diǎn)，即對(duì)沖擊載荷引起的損傷比較敏感。特別是外物的低速?zèng)_擊載荷作用在其內(nèi)部形成“不易察覺的各種損傷”，如層間脫層、基體開裂和纖維斷裂等。該損傷范圍大且在材料內(nèi)部不易被發(fā)現(xiàn)，但會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能嚴(yán)重退化[1-6]，強(qiáng)度可削弱35%～40%[7]，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力大大降低。相對(duì)于高速?zèng)_擊所造成的穿透損傷而言，低速?zèng)_擊具有很大的潛在危害性和安全隱患，且此類沖擊在生產(chǎn)、使用過(guò)程中更普遍[8-9]。因此，理解復(fù)合材料層壓板的低速?zèng)_擊損傷及沖擊后的力學(xué)性能對(duì)有效地進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊進(jìn)行研究時(shí)，分析了沖頭直徑和形狀、沖擊角度、沖擊物質(zhì)量和材料、沖擊能量、對(duì)材料的沖擊損傷破壞、以及對(duì)材料不同結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊損傷模式進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[10-15]。

本文利用落錘沖擊裝置對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究[16]，并對(duì)單向[0°]8和正交 [0/90]2s鋪層2種不同鋪層方式的低速?zèng)_擊加載力學(xué)性能和破壞模式進(jìn)行了分析。

1 試樣制備與測(cè)試

1.1 原料

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板試樣采用碳纖維預(yù)浸料制備。該材料采用土耳其AKSA公司的A12碳纖維與環(huán)氧樹脂在預(yù)浸設(shè)備上使用涂膜工藝加工而成，具體材料性能參數(shù)見表1、2。

表1 土耳其AKSA碳纖維性能參數(shù)

表2 碳纖維預(yù)浸料用YPX-3001環(huán)氧樹脂性能參數(shù)

1.2 試樣制備

將碳纖維預(yù)浸料按規(guī)定尺寸裁剪，分別進(jìn)行單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層，然后通過(guò)在烘箱內(nèi)抽真空加熱固化而成，再將所得層壓板進(jìn)行修剪，所得試樣尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為150 mm×28 mm×1 mm。

1.3 沖擊試驗(yàn)

2種不同鋪層方式復(fù)合材料層壓板的低速?zèng)_擊試驗(yàn)在Instron-Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖1所示。該試驗(yàn)的沖頭直徑為12.7 mm的鋼制半球面，沖頭質(zhì)量為11.4 kg，夾持距離為120 mm。試驗(yàn)沖擊能量和沖擊速度可以通過(guò)調(diào)整沖頭的下落高度來(lái)控制，分別采用1、3、10、15 J的沖擊能量。各沖擊能量下至少測(cè)試3個(gè)試樣，在沖擊測(cè)試之后記錄各自的載荷-時(shí)間歷程曲線。

圖1 Instron-Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低速?zèng)_擊性能分析

在不同沖擊能量下，2種不同鋪層方式的復(fù)合材料層壓板的時(shí)間-載荷曲線如圖2所示。從圖2（a）中可見，在1 J的沖擊能量下，正交鋪層在達(dá)到最大承受載荷后，曲線開始下降且比較光滑；當(dāng)沖擊能量達(dá)到3 J以上時(shí)，其在最大載荷附近產(chǎn)生鋸齒狀波動(dòng)，達(dá)到最大載荷后呈直線下降；在接近載荷0時(shí)，又產(chǎn)生了水平鋸齒狀波動(dòng)。經(jīng)比較可知，沖擊能量越大，材料達(dá)到最大載荷的時(shí)間越早，即材料失效的時(shí)間越早。從圖2（b）中可見，單向鋪層與正交鋪層具有相似的破壞趨勢(shì)，但是單向鋪層較少出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)瞬間失效，各層的破壞方式較一致，同時(shí)單向鋪層的失效時(shí)間比正交鋪層的更提前。

圖2 2種不同鋪層方式復(fù)合材料層壓板的時(shí)間-載荷曲線

在不同沖擊能量下2種不同鋪層方式的復(fù)合材料層壓板的最大載荷值見表3。從表中可見，正交鋪層比單向鋪層方式能承受更大的載荷，在10 J的沖擊能量下，承載方式提高了約50%。

表3 在不同沖擊能量下2種不同鋪層方式的復(fù)合材料層壓板的最大載荷值 kN

2.2 破壞形態(tài)分析

在 1、3、10 J沖擊能量下，單向[0°]8鋪層復(fù)合材料層壓板的破壞形態(tài)如圖3所示。從圖中可見，各種沖擊能量作用下的復(fù)合材料都發(fā)生破壞，其破壞模式為沿著纖維方向產(chǎn)生軸向劈裂。由于相鄰層間纖維排列方向一致，裂紋主要以樹脂沿著纖維方向發(fā)生劈裂破壞，最終完全失效，證明纖維沒有起到很好的承載作用。

圖3 在不同沖擊能量下單向鋪層層壓板的破壞形態(tài)

在 1、3、10 J沖擊能量下，正交[0/90]2s鋪層復(fù)合材料層壓板的破壞形態(tài)如圖4所示。從圖中可見，在1 J沖擊能量下，材料沒有被破壞，處于彈性載荷范圍內(nèi)。在3 J沖擊能量下，材料沿寬度方向折斷，這與單向[0°]8復(fù)合材料層壓板的破壞模式完全不同，其形式為基體開裂和纖維斷裂。在10 J沖擊能量下，材料除了發(fā)生橫向斷裂外，在斷裂處還有縱向開裂，為小矩形的破壞形態(tài)?？芍牧蠙M向斷裂使得復(fù)合材料在承受沖擊載荷時(shí)，纖維發(fā)生拉伸斷裂，碳纖維拉伸強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，復(fù)合材料的利用率和能量吸收能力得到大幅提高。

圖4 在不同沖擊能量下正交鋪層層合板的破壞形態(tài)

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)單向[0°]8和正交[0/90]2s鋪層復(fù)合材料層合板在不同能量下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，對(duì)比分析后得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于不同結(jié)構(gòu)，沖擊能量越大，載荷-位移曲線上的沖擊載荷峰值越高，材料失效的時(shí)間越早，沖擊損傷程度越大。

（2）2種鋪層結(jié)構(gòu)具有不同的破壞模式，其中單向鋪層層壓板的破壞模式為材料沿著纖維方向產(chǎn)生軸向劈裂，而正交鋪層層壓板的破壞模式為沿著寬度方向折斷。

（3）正交鋪層結(jié)構(gòu)比單向鋪層結(jié)構(gòu)具有更高的沖擊載荷峰值，抗沖擊能力更強(qiáng)。

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Experimental Investigation of Low-Speed Impact for Carbon Fiber Composite Laminate

ZHU Lv-tao1，ZHANG Fa2
（1.Acrylic Fiber Division,SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.,Shanghai 200540,China;2.Collegesof Textile,Donghua University,Shanghai 201620,China）

In order to study the impact resistance of composite with different layer modes,two kinds of laminates that unidirectional[0°]8and cross ply[0/90]2swere prepared with carbon fiber prepreg.Low-speed impact testing was performed by Instron 9250 drop weight impact testingmachine.Force-timecurveswereobtained toanalyzelow-speed impact with loadingmechanical performanceof two kindsof laminates.Thedamage mode of compositelaminatewasobtained toanalyzeitsdamagingmanners.Theresultsshowthatthetwolayer modeshaveadifferent damagingmanners,thelow-speed impactresistanceofthecrossply[0/90]2slaminateisbetter thanthatof unidirectional[0°]8laminate.

carbon fiber prepreg；laminate； low-speed impact；composite laminates；damaging manner；impact response；lay up

V214.8

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.017

2013-10-23

竺鋁濤（1983），男，從事紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研發(fā)工作；E-mail：taozai23@163.com。

竺鋁濤，張發(fā).碳纖維復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015,41（1）：85-88.ZHULvtao,ZHANGFa.Experimental investigation of low-speed impact for carbon fiber compositelaminate[J].Aeroengine，2015，41（1）：85-88.

（編輯：肖磊）