濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板力學(xué)性能影響預(yù)測(cè)

賈少澎 紀(jì)乾 秦嘉徐* 鄒田春

(1. 中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司,上海,200126;2. 中國民航大學(xué),民航民用航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300300)

近年來,碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)廣泛應(yīng)用于軍用及民用飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、雷達(dá)罩等結(jié)構(gòu),成為不可或缺的新型航空材料。盡管CFRP材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、疲勞壽命長(zhǎng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)良性能,但CFRP材料在濕熱環(huán)境中的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重退化,導(dǎo)致承力結(jié)構(gòu)的破壞甚至失效,對(duì)航空安全造成威脅[1]。因此有必要對(duì)CFRP在濕熱環(huán)境中的力學(xué)性能退化行為及退化機(jī)理開展研究,為航空結(jié)構(gòu)的適航審定提供技術(shù)支持。

下面研究了CFRP T700/3228層板經(jīng)不同濕熱環(huán)境處理后的力學(xué)性能退化情況,通過對(duì)不同濕熱環(huán)境處理后CFRP層板的力學(xué)性能分析,建立濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板力學(xué)性能影響的預(yù)測(cè)方法,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試樣為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層板,牌號(hào)為T700/3228,由北京百慕航材高科技股份有限公司進(jìn)行制造,手工鋪層,熱壓罐固化。試樣類型為0°拉伸，鋪層方式為[0]16,長(zhǎng)×寬為230 mm×15 mm。

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 加速吸濕試驗(yàn)

根據(jù)HB 7104—1996選取不同的加速吸濕條件,使CFRP層板在工程能接受的較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到其長(zhǎng)期使用環(huán)境中可能達(dá)到的吸濕量,并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。為更加全面地測(cè)試不同濕熱環(huán)境(包括一些極端環(huán)境)下材料的力學(xué)性能,試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的70 ℃烘干、70 ℃/85%RH(相對(duì)濕度)、70 ℃水浴3種條件外,增加了25 ℃烘干、85 ℃烘干、25 ℃/85%RH、85 ℃/85%RH 4種條件。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3354—1999試驗(yàn)要求,采用CSS44300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)CFRP層板進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),加載速度3 mm/min。根據(jù)GB/T 3856—2005試驗(yàn)要求對(duì)CFRP層板進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn),加載速度為1 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板力學(xué)性能的影響

2.1.1 濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板拉伸性能的影響

鋪層方式為[0]16的CFRP層板經(jīng)濕熱環(huán)境處理后進(jìn)行拉伸試驗(yàn),隨著載荷的增大,可以清晰的聽到纖維崩斷的聲音,試件破壞時(shí)發(fā)出巨大響聲。試樣主要有兩種斷裂形式,多數(shù)試樣縱向劈裂,少數(shù)試樣橫向斷裂,如圖1所示。兩種斷裂形式所對(duì)應(yīng)的載荷-位移曲線如圖2所示,拉伸強(qiáng)度均值如表1所示。

圖1 0°層板拉伸試樣的典型斷裂示意

圖2 0°層板典型拉伸載荷與位移關(guān)系

組別環(huán)境條件拉伸強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)差離散系數(shù)/% T0-1室溫干燥2 150.733161.087.52 T0-270 ℃烘干2 091.143202.669.69 T0-385℃烘干2 099.460204.679.75 T0-425℃/85%RH1 837.86754.872.98 T0-570 ℃/85%RH1 785.294136.717.66 T0-685 ℃/85%RH1 752.623118.256.75 T0-770 ℃水浴1 685.651108.526.44

從表1可以看到,干燥環(huán)境下,0°層板的拉伸強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高基本不發(fā)生變化;85%RH下,0°層板的拉伸強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的升高而下降;70 ℃水浴下,0°層板的拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步下降。

2.1.2 濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板壓縮性能的影響

鋪層方式為[0]16的CFRP層板經(jīng)不同濕熱環(huán)境處理后進(jìn)行壓縮試驗(yàn),試樣主要有兩種斷裂形式,一種為在工作段沿45°夾角斷裂;另一種為沿厚度方向斷裂,斷口基本垂直于纖維方向,如圖3所示。0°層板進(jìn)行壓縮試驗(yàn)所得的典型載荷-位移曲線如圖4所示,壓縮強(qiáng)度均值如表2所示。

圖3 0°層板壓縮試樣的沿厚度方向斷口示意

圖4 0°層板壓縮試樣的典型載荷與位移關(guān)系

組別環(huán)境條件壓縮強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)差離散系數(shù)/% C0-1室溫干燥660.9534.875.28 C0-270 ℃烘干655.6045.907.00 C0-385 ℃烘干669.3840.766.09 C0-425 ℃/85%RH650.6541.916.44 C0-570 ℃/85%RH635.6253.398.40 C0-685 ℃/85%RH628.8437.255.92

從表2可以看到,干燥環(huán)境下,0°層板的壓縮強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高基本不發(fā)生變化;85%RH下,0°層板的壓縮強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的升高而下降。

2.2 濕熱環(huán)境對(duì)CFRP層板力學(xué)性能影響的預(yù)測(cè)

2.2.1 預(yù)測(cè)方法的提出

CFRP層板在濕熱環(huán)境中的力學(xué)性能變化機(jī)理復(fù)雜,國內(nèi)外眾多學(xué)者們提出了一些簡(jiǎn)化的半經(jīng)驗(yàn)公式或模型對(duì)復(fù)合材料在環(huán)境因素影響下的性能變化進(jìn)行說明。其中,古尼耶夫中值老化公式(1)獲得了較為廣泛的認(rèn)可。

S=S0+η(1-e-λt1)-βln(1+θt1)

(1)

式(1)中,S為材料剩余強(qiáng)度;S0為材料初始強(qiáng)度;η,λ為材料的固化參數(shù);β為材料的抗裂紋擴(kuò)展參數(shù)(對(duì)于一定的材料為常數(shù));θ為影響狀態(tài)參數(shù);t1為材料老化時(shí)間。

張穎軍[2]等對(duì)古尼耶夫中值老化公式進(jìn)行改進(jìn),提出了聚合物基復(fù)合材料在環(huán)境因素處理后剩余強(qiáng)度的估算公式:

S=S′-∑Ailn[1+BiT(xi)](i=1,2,…) (2)

式(2)中,S′為材料經(jīng)后固化增強(qiáng)后的強(qiáng)度;xi為環(huán)境因素;Ai為環(huán)境因素xi對(duì)材料性能影響的顯著性參數(shù),對(duì)于同一種復(fù)合材料性能,該參數(shù)為常數(shù);Bi為材料性能對(duì)抗環(huán)境因素xi的能力,對(duì)于同一種組成成分及加工工藝的復(fù)合材料,該參數(shù)為常數(shù);T(xi)為環(huán)境因素xi的等效作用時(shí)間。T(xi)表達(dá)式如下:

(3)

式(3)中，S(xi)為環(huán)境因素xi的強(qiáng)度指數(shù)；t(xi)為環(huán)境因素xi作用時(shí)間；B(xi)為xi基準(zhǔn)指數(shù)。

該強(qiáng)度估算公式考慮了兩種以上的環(huán)境因素,并考慮了環(huán)境條件與環(huán)境處理時(shí)間對(duì)聚合物基復(fù)合材料性能的疊加影響,但該公式用S′統(tǒng)一代表后固化對(duì)聚合物基復(fù)合材料的后固化作用,并對(duì)包括溫度在內(nèi)的環(huán)境因素對(duì)材料性能影響的顯著性參數(shù)Ai施加了大于零的約束條件,忽略了后固化對(duì)材料產(chǎn)生的增強(qiáng)作用同樣隨著溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)。

為了避免經(jīng)驗(yàn)公式中的不足之處,將CFRP層板在高溫下發(fā)生后固化增強(qiáng)作用與高溫對(duì)纖維-基體界面產(chǎn)生的削弱作用進(jìn)行合并,并考慮溫度與濕度兩種環(huán)境因素與時(shí)間對(duì)材料性能的疊加影響,在上述兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上提出了預(yù)測(cè)濕熱環(huán)境下CFRP層板性能的改進(jìn)強(qiáng)度估算公式:

S=S0-A1ln(1+B1T)-A2ln(1+B2H)

(4)

式(4)中,T為環(huán)境溫度的等效作用時(shí)間;H為環(huán)境濕度的等效作用時(shí)間。表達(dá)式分別見式(5)和式(6)，其中，ti為環(huán)境溫度；t2為環(huán)境溫度作用時(shí)間；hi為環(huán)境濕度；t3為環(huán)境濕度的作用時(shí)間。

(5)

(6)

2.2.2 參數(shù)確定及試驗(yàn)驗(yàn)證

按照式(5)及式(6)計(jì)算出的CFRP層板的環(huán)境等效作用時(shí)間如表3所示,其中,水浴環(huán)境的相對(duì)濕度等同于100%RH。

表3 CFRP層板的環(huán)境等效作用時(shí)間 h

將25℃干燥下層板的拉伸強(qiáng)度作為初始強(qiáng)度值S0,且考慮到溫度對(duì)CFRP層板強(qiáng)度的增強(qiáng)與削弱作用共同存在,故將約束條件設(shè)定為A2>0,B1>0,B2>0。

用最小二乘法計(jì)算A1，A2，B1，B2數(shù)值解,建立判據(jù):

Q=∑[S0-A1ln(1+B1Ti)-

A2ln(1+B2Hi)-Si]2

(7)

帶入70 ℃烘干、85 ℃烘干、25 ℃/85%RH、70 ℃/85%RH、85 ℃/85%RH下CFRP層板的強(qiáng)度均值及表3中所示的溫度等效作用時(shí)間、濕度等效作用時(shí)間進(jìn)行擬合。建立方程組如下:

表4 顯著性參數(shù)數(shù)值解

0°層板的拉伸強(qiáng)度估算公式為:

S=2 150.733-72.690 2ln(1+0.005 1T)-

17.436 9ln(1+1.521×106H)

(12)

0°層板的壓縮強(qiáng)度估算公式為:

S=660.95+0.077ln(1+9.78×105T)-

11.105 1ln(1+0.080 4H)

(13)

從式(12)與(13)可以看出,0°層板的壓縮強(qiáng)度估算公式中的A1值為負(fù)值,這說明溫度對(duì)于0°層板的壓縮強(qiáng)度造成的增強(qiáng)作用大于削弱作用。0°層板的拉伸強(qiáng)度估算公式中的A1值均為正值,這說明溫度對(duì)于0°層板的拉伸強(qiáng)度造成的削弱作用大于增強(qiáng)作用。

為驗(yàn)證強(qiáng)度估算公式的擬合精度,將力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與按照強(qiáng)度估算公式計(jì)算所得的強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。從表5中可以看出,該強(qiáng)度估算公式的擬合誤差總體較小,擬合精度較高,對(duì)于濕熱環(huán)境下層板拉伸和壓縮強(qiáng)度的擬合誤差較小,在-1.2%～2.5%。

為驗(yàn)證強(qiáng)度估算公式對(duì)其他環(huán)境條件下CFRP層板性能的預(yù)測(cè)能力,將70 ℃水浴下的H值與T值帶入強(qiáng)度估算公式,計(jì)算得到70 ℃水浴下0°層板的拉伸強(qiáng)度。將0°層板試驗(yàn)值、預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,可得預(yù)測(cè)誤差值為3.37%,可見該強(qiáng)度估算公式的預(yù)測(cè)誤差較小。

3 結(jié)論

a) 在干燥環(huán)境下,0°層板的拉伸強(qiáng)度隨環(huán)境溫度增加基本不發(fā)生變化;85%RH下,0°層板的拉伸性能隨環(huán)境溫度的升高而下降,在70 ℃水浴環(huán)境下,0°層板的拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步下降。

b) 在干燥環(huán)境下,0°層板的壓縮強(qiáng)度隨環(huán)境溫度增加基本不發(fā)生變化;85%RH下,0°層板的壓縮性能隨環(huán)境溫度的升高而下降。

c) 建立了適用于經(jīng)濕熱環(huán)境處理后的CFRP層板強(qiáng)度估算公式。對(duì)70 ℃水浴下的0°層板拉伸強(qiáng)度的預(yù)測(cè)誤差較小。