內(nèi)嵌缺陷對(duì)自動(dòng)鋪絲正交層合板構(gòu)件拉伸性能的影響①

劉思南,楊 濤,杜 宇 ,劉 暢，牛雪娟

(1. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

0 引言

自動(dòng)鋪絲技術(shù)(Automated Fiber Placement，AFP)能獨(dú)立傳送并切斷預(yù)浸絲，利用鋪絲頭的加熱裝置和壓輥軟化預(yù)浸料并將其壓實(shí)，進(jìn)而鋪放出軌跡可控、寬度可變的纖維鋪層，適于制造飛機(jī)機(jī)身和進(jìn)氣道等復(fù)雜型面的復(fù)合材料構(gòu)件[1-4]。

鋪放復(fù)雜型面或變剛度構(gòu)件時(shí)，由于路徑交匯和軌跡偏離，不重合的絲束邊緣會(huì)產(chǎn)生空隙和重疊等內(nèi)嵌缺陷[5-6]。得益于鋪放路徑的優(yōu)化和相應(yīng)CAD-CAM軟件的開(kāi)發(fā)，自動(dòng)鋪絲技術(shù)已能控制鋪放奇異點(diǎn)的位置和尺寸[7]。然而，具有一定寬度的預(yù)浸絲沿垂直于纖維方向被切斷后，不連續(xù)的絲束將產(chǎn)生局部異構(gòu)性，直接影響構(gòu)件的力學(xué)性能[8]。此外，鋪放變厚度構(gòu)件的過(guò)程中，不同厚度的部位之間會(huì)出現(xiàn)坡臺(tái)。例如翼梁結(jié)構(gòu)中的坡臺(tái)區(qū)域，除了外表面和中間的纖維層之外，其余鋪層都會(huì)隨著構(gòu)件厚度的變化而增減[9]，進(jìn)而導(dǎo)致不同纖維方向的絲束中斷或拼接，產(chǎn)生空隙或重疊缺陷。

Croft等圍繞空隙、重疊、絲束扭曲等缺陷展開(kāi)了拉伸、壓縮、層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和開(kāi)孔力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示沿試件長(zhǎng)度方向的缺陷使得構(gòu)件的力學(xué)性能明顯下降[10]。有學(xué)者利用數(shù)值分析方法研究空隙和重疊缺陷對(duì)面內(nèi)剛度和層合板褶皺的影響,指出與削弱材料力學(xué)性能的空隙缺陷相比，重疊現(xiàn)象能提升材料的性能[11-12]。Falco等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用交錯(cuò)原則鋪放，即相鄰鋪層的缺陷偏移一定距離，能明顯改善內(nèi)嵌缺陷對(duì)力學(xué)性能的影響[13]。

此外，復(fù)合材料需要成型固化后方能使用。固化過(guò)程中，溫度和壓力的變化會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂和纖維的流動(dòng)[14]，進(jìn)而影響含有內(nèi)嵌缺陷的復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和質(zhì)量。因此，有必要對(duì)自動(dòng)鋪絲技術(shù)產(chǎn)生的內(nèi)嵌缺陷進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而優(yōu)化自動(dòng)鋪絲構(gòu)件的鋪層設(shè)計(jì)，提高力學(xué)性能和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸試驗(yàn)

1.1 缺陷設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要討論 0°和90°纖維方向的內(nèi)嵌缺陷對(duì)正交層合板構(gòu)件拉伸性能的影響。為分析極端情況下內(nèi)嵌缺陷對(duì)試件力學(xué)性能的影響，在試件中部垂直于拉伸載荷方向放置缺陷，位置如圖1(a)所示。0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件按照[(90°/0°)5/90°]的順序進(jìn)行鋪放，缺陷均位于0°纖維層內(nèi)，如圖1(b)所示；90°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件按照[(0°/90°)5/0°]的順序進(jìn)行鋪放，缺陷均位于90°鋪層內(nèi)，如圖1(c)所示。

圖2為缺陷規(guī)格示意圖，由于所用的預(yù)浸絲寬度為6.35 mm，因此將缺陷寬度a設(shè)計(jì)為3.18 mm，即0.5倍絲寬。缺陷間距b分別為0、1.5、3.18、6.35、9.5、12.7 mm，即分別為絲寬的0、0.25、0.5、1、1.5、2倍。

試件編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的缺陷規(guī)格如表1所示，共計(jì)4組缺陷類(lèi)型，24種缺陷規(guī)格。同時(shí)，對(duì)應(yīng)每組內(nèi)嵌缺陷類(lèi)型制備相應(yīng)的完好試件作為基準(zhǔn)試件，以進(jìn)行拉伸性能對(duì)比。每種規(guī)格各制備3個(gè)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖1 內(nèi)嵌缺陷試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of embedded defects

圖2 缺陷規(guī)格示意圖Fig.2 Diagram of specification of embedded defects

試件編號(hào)缺陷層纖維角度(°)缺陷類(lèi)型缺陷寬度a/mm缺陷間距b/mm試件序號(hào)i0°Gb?i0空隙3．180～12．71～30°Ob?i0重疊3．180～12．71～390°Gb?i90空隙3．180～12．71～390°Ob?i90重疊3．180～12．71～3

1.2 層合板制備

此次試驗(yàn)采用2絲束自動(dòng)鋪絲機(jī)器人鋪放層合板。為確保試樣的均勻性，每組缺陷類(lèi)型及其對(duì)應(yīng)的完好試件均由同一批次的復(fù)合材料層合板制備而成。固化工藝為熱壓罐固化，并采用厚度1.5 mm不銹鋼板作為墊板，放置在層合板的上下表面。墊板能均勻傳遞固化過(guò)程中的溫度與壓力，促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng)，有利于得到更平整的層合板表面。

1.3 測(cè)試條件

試驗(yàn)過(guò)程參照ASTM D3039進(jìn)行。試驗(yàn)平臺(tái)為Shimadzu AGS-X型試驗(yàn)機(jī)，傳感器為50 kN，拉伸速率為2 mm/min。試件的尺寸為250 mm×25 mm×2 mm (長(zhǎng)×寬×厚)。為避免夾頭夾持試件引起的應(yīng)力集中，采用雙組分環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑，將2 mm厚的鋁片粘合到樣品端部。

2 結(jié)果與討論

2.1 0°纖維方向

圖3為0°纖維方向空隙缺陷試件的載荷-位移曲線(xiàn)，編號(hào)“0°G B”表示該組缺陷類(lèi)型對(duì)應(yīng)的完好試件。拉伸載荷隨著夾頭位移的增加而升高，當(dāng)達(dá)到破壞載荷時(shí)，試件發(fā)生斷裂或基體脫粘，喪失承載能力，進(jìn)而導(dǎo)致拉伸載荷斷崖式下降。

(a)b=0

(b)b=9.5圖3 0°纖維方向空隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線(xiàn)Fig.3 Tensile load-displacement curves ofgap defect with fiber angle 0°

0°纖維方向空隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度如圖4所示。拉伸強(qiáng)度由試驗(yàn)的極限載荷與試件橫截面積的比值計(jì)算。每個(gè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)試件結(jié)果的平均值。空隙間距為0時(shí)，拉伸強(qiáng)度僅為 29.36 MPa，隨著空隙間距增至12.7 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度升至293.14 MPa。試件的拉伸性能隨著缺陷間距的增大而顯著提升，但仍然遠(yuǎn)低于完好試件。主要原因是0°纖維鋪層是拉伸試驗(yàn)的主要承載層，絲束中斷區(qū)域?qū)υ嚰膹?qiáng)度和應(yīng)力分布產(chǎn)生了顯著的影響。微小的缺陷在受力情況下，一旦產(chǎn)生裂紋，跨層蔓延生長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的失效。

圖5為0°纖維方向重疊缺陷試件的載荷-位移曲線(xiàn)，其中“0°O B”為該組缺陷類(lèi)型對(duì)應(yīng)的完好試件編號(hào)。該組試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度如圖6所示。可看出，重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度普遍高于空隙缺陷試件，重疊間距為0時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到420.32 MPa。

圖4 0°纖維方向空隙缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of gap defect with fiber angle 0°

(a)b=0

(b)b=9.5圖5 0°纖維方向重疊缺陷試件拉伸載荷-位移曲線(xiàn)Fig.5 Tensile load-displacement curves ofoverlap defect with fiber angle 0°

圖6 0°纖維方向重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of overlap defectwith fiber angle 0°

為分析內(nèi)嵌缺陷對(duì)試件拉伸性能的影響規(guī)律，將同一規(guī)格內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸強(qiáng)度平均值與完好試件拉伸強(qiáng)度平均值的比值定義為拉伸強(qiáng)度比，以量化判定該規(guī)格的缺陷試件能達(dá)到完好試件拉伸強(qiáng)度的百分比。圖7為0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸強(qiáng)度比。當(dāng)空隙間距為0時(shí)，拉伸強(qiáng)度比僅為4%。當(dāng)間距增至9.5、12.7 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度比分別達(dá)到了38.6%、40.1%?？障度毕莸睦鞆?qiáng)度比隨著間距的增加而升高。當(dāng)間距超過(guò)9.5 mm后，拉伸強(qiáng)度比增幅趨緩。而重疊缺陷的拉伸強(qiáng)度比明顯高于空隙缺陷，基本呈現(xiàn)出隨著缺陷間距增大而逐漸下降的趨勢(shì)。重疊間距為0時(shí)，拉伸強(qiáng)度比為最大值48.0%。主要原因是重疊缺陷能夠?qū)⒅袛嗟慕z束搭接，利于載荷傳遞。由于固化過(guò)程中墊板的使用，試件厚度并未隨著缺陷的分布而發(fā)生明顯變化。當(dāng)缺陷間距為0時(shí)，重疊缺陷區(qū)域的預(yù)浸絲集中于一處，單位面積內(nèi)試件的纖維體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，產(chǎn)生局部加強(qiáng)作用，弱化應(yīng)力集中。

圖7 0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件拉伸強(qiáng)度比Fig.7 Tensile strength ratio of embeddeddefects with fiber angle 0°

2.2 90°纖維方向

90°纖維方向空隙缺陷的載荷-位移曲線(xiàn)如圖8所示，其中編號(hào)“90°G B”表示該組缺陷類(lèi)型對(duì)應(yīng)的完好試件。該組試件的拉伸強(qiáng)度變化情況如圖9所示。固化過(guò)程中樹(shù)脂能夠填充空隙區(qū)，形成樹(shù)脂富集區(qū)，樹(shù)脂的流動(dòng)也會(huì)影響90°纖維的分布。因此，隨著空隙間距的變化，試件的拉伸強(qiáng)度并未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。

圖10為90°纖維方向重疊缺陷試件的載荷-位移曲線(xiàn)，該組缺陷對(duì)應(yīng)的完好試件編號(hào)為“90°O B”。相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度變化情況如圖11所示。試件的拉伸強(qiáng)度首先隨著缺陷間距的增加而下降，間距6.35 mm時(shí)達(dá)到最低，拉伸強(qiáng)度為632.31 MPa。隨后，隨著重疊間距的增加而升高，間距12.7 mm時(shí)達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度為814.20 MPa。

(a)b=1.5

(b)b=12.7圖8 90°纖維方向空隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線(xiàn)Fig.8 Tensile load-displacement curves of gapdefect with fiber angle 90°

圖9 90°纖維方向空隙缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength of gap defect with fiber angle 90°

圖12為90°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸強(qiáng)度比?？障度毕莸睦鞆?qiáng)度比維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，并未隨著空隙間距的變化而出現(xiàn)顯著的波動(dòng)，拉伸強(qiáng)度比波動(dòng)不超過(guò)10%。而重疊缺陷的拉伸強(qiáng)度比則隨著缺陷間距的增加呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢(shì)。間距6.35 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度比達(dá)到最低80.3%，間距為1.5、12.7 mm時(shí)的拉伸強(qiáng)度比則分別達(dá)到101.6%和103.4%，略微超過(guò)完好試件。

由于纖維方向垂直于外加載荷方向，含有內(nèi)嵌缺陷的90°纖維層不是拉伸試驗(yàn)的主要承載層，因此與0°纖維方向相比，90°纖維方向的內(nèi)嵌缺陷對(duì)試件拉伸性能的影響并不顯著。此外，與0°纖維缺陷的情況相反，空隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度普遍高于重疊試件。主要原因是預(yù)浸絲疊加導(dǎo)致重疊缺陷區(qū)域的厚度變化，進(jìn)而相鄰的0°纖維鋪層產(chǎn)生面外褶皺。因此，缺陷區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而降低了試件的拉伸強(qiáng)度。

(a)b=1.5

(b)b=12.7圖10 90°纖維方向重疊缺陷試件拉伸載荷-位移曲線(xiàn)Fig.10 Tensile load-displacement curves of overlapdefect with fiber angle 90°

圖11 90°纖維方向重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.11 Tensile strength of overlap defect withfiber angle 90°

圖12 90°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件拉伸強(qiáng)度比Fig.12 Tensile strength ratio of embedded defectswith fiber angle 90°

2.3 破壞形貌分析

0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件的典型破壞形貌如圖13(a)所示。由于試件在內(nèi)嵌缺陷附近斷裂，因此斷裂區(qū)域呈現(xiàn)明顯的階梯狀。此外，試件發(fā)生了明顯的層間損傷和纖維斷裂。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，試件首先在內(nèi)嵌缺陷處產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋在層內(nèi)擴(kuò)展，形成了層間損傷。同時(shí)，裂紋還會(huì)跨層蔓延，直至在內(nèi)嵌缺陷附近產(chǎn)生明顯的纖維斷裂。

圖13(b)為90°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件的典型破壞形貌。由于90°纖維層不是主承載層，斷裂區(qū)域并未完全分布在內(nèi)嵌缺陷處。但在拉伸過(guò)程中，內(nèi)嵌缺陷處可能會(huì)首先產(chǎn)生裂紋，裂紋在層內(nèi)擴(kuò)展形成層間損傷，裂紋跨層生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生纖維斷裂，直至試件失效。

(a)0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷

(b)90°纖維方向內(nèi)嵌缺陷圖13 拉伸試驗(yàn)破壞形貌Fig.13 Damage appearance of specimens withembedded defects

3 結(jié)論

(1)0°纖維方向內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸性能明顯下降?？障度毕菰嚰睦鞆?qiáng)度隨著缺陷間距的增大而顯著提升，空隙間距為0時(shí)的拉伸強(qiáng)度比僅為4%，當(dāng)間距增至12.7 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度比達(dá)到40.1%；重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度明顯高于空隙缺陷試件，呈現(xiàn)隨缺陷間距增大而逐漸下降的趨勢(shì)，重疊間距為0時(shí)的拉伸強(qiáng)度比達(dá)到最大值48.0%。

(2)90°纖維方向上，空隙缺陷對(duì)試件拉伸性能的影響并不顯著，不同缺陷間距的拉伸強(qiáng)度比波動(dòng)范圍不超過(guò)10%；重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度則隨著缺陷間距的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，間距6.35 mm時(shí)的拉伸強(qiáng)度比為最低80.3%，間距1.5、12.7 mm時(shí)的拉伸強(qiáng)度比則分別達(dá)到101.6%、103.4%。

(3)通過(guò)破壞形貌分析，拉伸試驗(yàn)中試件首先在內(nèi)嵌缺陷處產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋在層內(nèi)擴(kuò)展，形成層間損傷。同時(shí)，裂紋還會(huì)跨層蔓延，直至在內(nèi)嵌缺陷附近產(chǎn)生明顯的纖維斷裂，導(dǎo)致試件失效。

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