碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板沖擊損傷模式的試驗(yàn)研究

劉 明，潘 嶠，高 蒙，駱 晨，湯智慧，孫志華

(北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板沖擊損傷模式的試驗(yàn)研究

劉 明，潘 嶠，高 蒙，駱 晨，湯智慧，孫志華

(北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

針對(duì)兩種典型的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(T300/5405和T700/5428)層壓板進(jìn)行不同能量水平的落錘沖擊試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)沖擊后試樣的外部損傷形態(tài)、內(nèi)部損傷情況等的檢測(cè)以及纖維/樹脂微觀界面剪切強(qiáng)度的檢測(cè)，討論了兩種碳纖維復(fù)合材料層壓板的沖擊損傷模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到一定程度時(shí)：在T300/5405體系中，由于T300纖維拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低，纖維所受作用率先達(dá)到破壞載荷，因而沖擊損傷表現(xiàn)出以穿透性為主的破壞特征；在T700/5428體系中，由于T700纖維拉伸強(qiáng)度較高，盡管其微觀界面剪切強(qiáng)度略高，但是由于沖擊載荷未使纖維達(dá)到破壞載荷時(shí)已使T700/5428界面率先遭到破壞，因此表現(xiàn)出以分層為主的破壞特征。

復(fù)合材料；沖擊；損傷模式

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能好、力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)材料，已在航空、航天等領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用[1-2]。其中，層壓復(fù)合材料具有非均質(zhì)性、各向異性特點(diǎn)，層內(nèi)強(qiáng)度和綜合強(qiáng)度很高，而層間和垂直鋪層方向的強(qiáng)度卻較低，有時(shí)可相差1～2數(shù)量級(jí)[3]，因此，服役環(huán)境中工具、跑道碎石、冰雹等物體的低速?zèng)_擊往往就可造成復(fù)合材料層壓板的損傷，并使得其壓縮強(qiáng)度和設(shè)計(jì)許用應(yīng)變值下降，這引起了研究者們的高度重視[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊損傷的研究主要集中在沖擊損傷的破壞準(zhǔn)則、沖擊損傷阻抗和沖擊損傷容限的試驗(yàn)與表征、沖擊損傷的過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)等方面[6-9]，而對(duì)于損傷產(chǎn)生和擴(kuò)展的機(jī)理還缺乏足夠的關(guān)注[10-11]，因此本研究采用相同鋪層形式的兩種碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行低速?zèng)_擊損傷的破壞模式和機(jī)理研究，旨在分析探討低速?zèng)_擊損傷破壞模式與增強(qiáng)纖維、樹脂基體以及它們的界面之間的關(guān)聯(lián)性，為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板的抗沖擊設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與試樣

試驗(yàn)選用雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹脂基的復(fù)合材料體系T300/5405和T700/5428，增強(qiáng)纖維T300、T700主要力學(xué)性能如表1所示， BMI樹脂5405和5428，力學(xué)性能如表2所示。

表1 T300和T700碳纖維的主要力學(xué)性能[12-13]

表2 5405和5428雙馬來(lái)酰亞胺樹脂澆注體的主要力學(xué)性能[13]

T300/5405和T700/5428兩種復(fù)合材料層壓板鋪層均為[45/0/-45/90]4S，采用熱壓罐標(biāo)準(zhǔn)工藝成型，單層厚度為0.13 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)為(65±2)%。沖擊試驗(yàn)所需試樣的尺寸為150 mm×100 mm×4.16 mm。

1.2 落錘沖擊試驗(yàn)

按照ASTM D7136—2007[14]進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置采用CLC-A型落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，所用沖頭直徑為16 mm，沖頭質(zhì)量為5.5 kg。沖擊試驗(yàn)時(shí)，將試樣通過(guò)夾鉗固定在剛性的支持底座上，支持底座上開有一個(gè)125 mm×75 mm的矩形開口，并以此作為落錘沖擊的邊界條件，然后通過(guò)調(diào)整落錘的提升高度以對(duì)復(fù)合材料層壓板的中心進(jìn)行1.5、4.5、6.7、9.0、17.0等5種能量水平的沖擊，沖擊結(jié)束的瞬間通過(guò)自動(dòng)觸發(fā)的氣缸機(jī)構(gòu)以防止對(duì)試樣的二次沖擊。沖擊試驗(yàn)之后，測(cè)量沖擊損傷的凹坑深度、損傷區(qū)域長(zhǎng)度和寬度等尺寸數(shù)據(jù)，并對(duì)試樣進(jìn)行水浸法脈沖反射式超聲C掃描檢測(cè)，以獲得復(fù)合材料層壓板內(nèi)部的損傷投影圖像，同時(shí)為了進(jìn)一步確定試樣內(nèi)部損傷的具體模式，將兩種層壓板試樣沿沖擊點(diǎn)處剖開，以觀察其凹坑區(qū)域的斷面形貌。

1.3 微脫粘測(cè)試

為了獲得T300/5405和T700/5428兩種體系的微觀界面性能，制備如圖1所示的C型片試樣，采用微脫粘測(cè)試儀(圖2)進(jìn)行單絲界面剪切強(qiáng)度的測(cè)試。

圖1 微脫粘試樣示意

圖2 微脫粘測(cè)試儀

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊損傷的外部形態(tài)

T300/5405層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的外部形態(tài)如圖3所示。經(jīng)1.5 J/mm能量水平?jīng)_擊后的試樣正、反面均無(wú)可見變化，其他試樣則在正面出現(xiàn)了較明顯的凹坑，且隨著沖擊能量水平增大，凹坑深度明顯增大，而經(jīng)6.7 J/mm以上能量水平?jīng)_擊的試樣凹坑區(qū)域附近有明顯的纖維斷裂，其相應(yīng)的背面則出現(xiàn)了較明顯的樹脂開裂和部分纖維斷裂，這反映出在本研究的落錘沖擊試驗(yàn)條件下，T300/5405層壓板經(jīng)6.7 J/mm以上能量水平?jīng)_擊后均出現(xiàn)一定程度的穿透性損傷。

圖3 T300/5405層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的外部形態(tài)

T700/5428層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的外部形態(tài)如圖4所示。經(jīng)1.5 J/mm能量水平?jīng)_擊后的試樣正面無(wú)可見變化，其他試樣的正面則出現(xiàn)了較明顯的凹坑，但是凹坑區(qū)域附近并沒(méi)有纖維斷裂的跡象，除了經(jīng)17.0 J/mm能量水平?jīng)_擊的試樣背面出現(xiàn)輕微的樹脂開裂以外，其他試樣背面均無(wú)明顯變化，這反映出本研究的落錘沖擊試驗(yàn)條件下，T700/5428層壓板經(jīng)17.0 J/mm以下能量水平?jīng)_擊后出現(xiàn)穿透性損傷的可能性并不大。

圖4 T700/5428層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的外部形態(tài)

2.2 沖擊損傷的內(nèi)部破壞

兩種體系的層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的超聲波掃描圖像、斷面圖像如圖5～圖8所示。

對(duì)于T300/5405層壓板，經(jīng)1.5 J/mm能量水平?jīng)_擊后，層壓板內(nèi)部并無(wú)損傷跡象(圖5a、圖6a)，其他試樣的損傷面積隨著沖擊能量的增加并無(wú)顯著增加(圖5b～圖5e)，而由沖擊引起的穿透型損傷和纖維斷裂的情況則隨著沖擊能量的增加而愈加嚴(yán)重(圖6b～圖6e)，沖擊能量主要以層壓板背面纖維樹脂沿45°的破壞來(lái)消耗。

圖5 T300/5405層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的超聲波掃描圖像

圖6 T300/5405層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的凹坑區(qū)域斷面形貌

對(duì)于T700/5428層壓板，經(jīng)9.0 J/mm以上能量水平的沖擊之后，層壓板的內(nèi)部損傷面積出現(xiàn)顯著的擴(kuò)大(圖7d～圖7e)，結(jié)合沖擊點(diǎn)處斷面圖像中出現(xiàn)的層間開裂情況(圖8c～圖8e)，可以推測(cè)，在本研究所述的落錘沖擊試驗(yàn)條件下，經(jīng)9.0 J/mm以上能量水平?jīng)_擊之后，層壓板破壞主要以分層形式出現(xiàn)，沖擊能量主要以層壓板內(nèi)部的分層而耗散；而經(jīng)9.0 J/mm以下能量水平的沖擊之后，層壓板破壞的模式并不明顯。

記錄各試樣沖擊試驗(yàn)后破壞的損傷區(qū)域尺寸，將其以圖9的形式表述。對(duì)比T300/5405和T700/5428兩種纖維樹脂體系，在相同沖擊能量下，雖然T300/5405層壓板表面上出現(xiàn)較大破壞(圖3)，而T700/5428層壓板表面未有明顯破壞(圖4)，但是T300/5405層壓板的內(nèi)部分層面積明顯要小于T700/5428體系。

2.3 沖擊損傷模式與纖維/樹脂界面的關(guān)聯(lián)性分析

利用微脫粘測(cè)試儀器測(cè)試T300/5405和T700/5428兩種體系的微觀界面性能如表3所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]對(duì)碳纖維的SEM觀察，T300碳纖維表面呈現(xiàn)出“溝槽”沿纖維軸向分布，而T700碳纖維表面則比較光滑，因此從纖維樹脂間的物理作用角度分析T300碳纖維的物理作用更強(qiáng)；而對(duì)不同碳纖維的XPS測(cè)試表征[16]也表明：對(duì)于T300碳纖維，其表面活性官能團(tuán)總體含量較少，而T700碳纖維，其表面活性官能團(tuán)種類較多且含量高，從化學(xué)作用上來(lái)看T700碳纖維的化學(xué)作用更強(qiáng)。在這兩種作用的共同影響下，T700/5428體系在微脫粘試驗(yàn)中表現(xiàn)出更大的微觀界面剪切強(qiáng)度，達(dá)到88.93 MPa，見表3。

圖7 T700/5428層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的超聲波掃描圖像

圖8 T700/5428層壓板在不同能量水平?jīng)_擊之后的凹坑區(qū)域斷面形貌

圖9 不同沖擊條件下T300/5405和T700/5428層壓板的損傷區(qū)域尺寸

微觀界面強(qiáng)度較弱的T300/5405體系受到?jīng)_擊后的損傷模式卻以穿透性損傷為主，微觀界面強(qiáng)度較高的T700/5428體系受到?jīng)_擊后的損傷模式卻以分層損傷為主，這主要是因?yàn)閷?duì)于某一纖維樹脂體系，纖維/樹脂的匹配性，即纖維樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度和碳纖維自身性能的匹配性，極大影響該體系復(fù)合材料在受沖擊時(shí)的損傷模式。從表1可見，T300碳纖維的拉伸強(qiáng)度為3 530 MPa，而T700碳纖維的拉伸強(qiáng)度為4 900 MPa，因此，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到一定程度時(shí)，在T300/5405體系中，由于纖維拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低，纖維所受作用率先達(dá)到破壞載荷，卻未能使T300/5405界面發(fā)生剪切破壞， T300/5405體系的沖擊損傷主要表現(xiàn)出穿透性破壞的特征，而在T700/5428體系中，由于纖維拉伸強(qiáng)度較高，盡管其在微脫粘試驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的微觀界面剪切強(qiáng)度，但是當(dāng)沖擊載荷未使纖維達(dá)到破壞載荷時(shí)，隨著沖擊能量的增大，已使T700/5428界面率先遭到破壞，T700/5428體系的沖擊損傷主要表現(xiàn)出分層破壞的特征。

3 結(jié)論

1) 在一定的落錘沖擊試驗(yàn)條件下，T300/5405層壓板經(jīng)6.7 J/mm以上能量水平?jīng)_擊后均出現(xiàn)一定程度的穿透性損傷，T700/5428層壓板經(jīng)17.0 J/mm以下能量水平?jīng)_擊后出現(xiàn)穿透性損傷的可能性并不大。

2) 在一定的落錘沖擊試驗(yàn)條件下，T300/5405層壓板經(jīng)4.5 J/mm以上能量水平?jīng)_擊所引起的穿透型損傷和纖維斷裂的情況隨著沖擊能量的增加而愈加嚴(yán)重，沖擊能量主要以層壓板背面纖維樹脂沿45°的破壞來(lái)消耗；T700/5428層壓板經(jīng)9.0 J/mm以上能量水平?jīng)_擊之后，破壞主要以分層形式出現(xiàn)，沖擊能量主要以層壓板內(nèi)部的分層而耗散。

3) 對(duì)比T300/5405和T700/5428兩種體系的沖擊損傷模式發(fā)現(xiàn)：當(dāng)沖擊載荷達(dá)到一定程度時(shí)，在T300/5405體系中，由于T300纖維拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低，纖維所受作用率先達(dá)到破壞載荷，因而沖擊損傷表現(xiàn)出以穿透性為主的破壞特征，在T700/5428體系中，由于T700纖維拉伸強(qiáng)度較高，盡管其微觀界面剪切強(qiáng)度略高，但是由于沖擊載荷未使纖維達(dá)到破壞載荷時(shí)已使T700/5428界面率先遭到破壞，因此表現(xiàn)出以分層為主的破壞特征。

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Experimental Study on Impact Damage Modes of Carbon Fiber Reinforced Resin Matrix Composite Laminates

LIU Ming，PAN Qiao，GAO Meng，LUO Chen，TANG Zhi-hui，SUN Zhi-hua

(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAdvancedCorrosionandProtectionforAviationMaterial,Beijing100095,China)

Drop-weight impact tests were conducted on two kinds of carbon fiber reinforced composite laminates(T300/5405 and T700/5428) under different impact energy conditions. External damage form, internal damage form and fiber/resin micro-interface shear strength were detected, and the impact damage modes of two kinds of carbon fiber reinforced composite laminates were analyzed. The test results indicate that, when impact load reaches some degree, for T300/5405, the fiber will be broken because of the lower tensile strength of T300, so the damage mode is mainly penetrating; for T700/5428, even though the fiber/resin micro-interface shear strength is higher than that of T300/5405, the interface of T700/5428 is broken in advance of fiber because of the higher tensile strength of T700, so the damage mode is mainly laminating.

composites; impact; damage mode

2016年8月2日

2016年9月30日

國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(H052013A004)

劉明(1977年-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)與表面防護(hù)等方面的研究。

TQ317

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.004

1673-6214(2016)05-0283-06