內(nèi)嵌褶皺對自動鋪絲層合板構(gòu)件拉伸性能的影響①

李韋清，楊 濤，楊冠俠，劉思南，杜 宇，劉 暢

(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

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕性等許多優(yōu)異特性，近年來在航空航天、汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1-3]，而限制其使用的一個(gè)關(guān)鍵性因素就是鋪放成型工藝中產(chǎn)生的各種缺陷。這些缺陷通常會成為復(fù)合材料鋪層失效的起始點(diǎn)，降低部件的承載能力。面外屈曲或者“起皺”現(xiàn)象是一種典型的缺陷，褶皺是由于纖維在復(fù)合材料層中的不一致而導(dǎo)致局部產(chǎn)生的富樹脂區(qū)域。復(fù)合材料的褶皺是指復(fù)合材料內(nèi)部的一層或多層纖維在復(fù)合材料的表面或內(nèi)部形成折痕、皺紋或彎曲變形。這種褶皺是由纖維的彎曲、扭曲以及纖維層間的偏移所造成的一種狀態(tài)。產(chǎn)生褶皺的原因很多，比如復(fù)合材料儲存時(shí)，非貼膜面的纖維層由于受壓不勻，易產(chǎn)生層間扭曲變形，從而產(chǎn)生褶皺[4]，或者在自動鋪絲技術(shù)(AFP)中，當(dāng)鋪放復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，鋪絲頭在鋪放到小曲率位置，會產(chǎn)生纖維面外屈曲[5]，這些缺陷都會直接影響構(gòu)件的力學(xué)性能[6]。層合板固化成型時(shí)，真空袋受壓不均而產(chǎn)生纖維層變形，同樣會產(chǎn)生褶皺。復(fù)合材料褶皺缺陷將導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)拉伸、壓縮強(qiáng)度以及疲勞壽命等性能大幅度下降，使復(fù)合材料性能大幅偏離預(yù)期設(shè)計(jì)值。因此，對褶皺的研究具有很大的意義。

Fish J等[7]建立了復(fù)合材料厚截面壓縮成型工藝過程中的褶皺模型。Alexander C 等[8]研究了管道褶皺對管道完整性和壽命的影響。卓鵬等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料褶皺對試件開孔強(qiáng)度的影響。國外研究人員對包含褶皺的復(fù)合材料層合板進(jìn)行了拉伸破壞實(shí)驗(yàn)[10-12]，El-Hajjar等采用不同直徑的鋼棒[10]在單向和多方向的碳環(huán)氧實(shí)驗(yàn)中制造層合板中的內(nèi)嵌褶皺，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部分層引起了載荷拉伸斷裂之前的下降。蘇小虎等[13]使用在鋪層中預(yù)設(shè)銅絲的方法制造褶皺，他們指出，含褶皺復(fù)合材料層合板隨褶皺的高度增大，試件的拉伸強(qiáng)度會逐漸降低。因此，在復(fù)合材料生產(chǎn)工藝中，應(yīng)盡量避免褶皺的產(chǎn)生。

本文主要利用通過預(yù)設(shè)90°纖維來模擬褶皺，相比之前在鋪層中預(yù)設(shè)銅絲或鋼棒，成型后再填充樹脂產(chǎn)生褶皺的方法，能避免在鋪層或者褶皺接口處引入其他外來物質(zhì)，最大限度地減小了在接口處產(chǎn)生分層的可能性。同時(shí)，文中對褶皺的寬度、高度、角度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了研究，對內(nèi)嵌不同褶皺參數(shù)的實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，反映出內(nèi)嵌褶皺對自動鋪絲層合板構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

1 內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸試驗(yàn)

1.1 褶皺定義

圖1為內(nèi)含褶皺的復(fù)合材料構(gòu)件微觀圖。

圖1 內(nèi)涵褶皺的復(fù)合材料構(gòu)件微觀圖

如圖2所示，典型褶皺的幾何形狀可由參數(shù)λ、h、θ定義，分別代表褶皺寬度、褶皺高度、褶皺角度。面外褶皺是一種典型的缺陷，通常是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的樹脂堆積區(qū)域中發(fā)現(xiàn)。圖3為鋪放成型試件中的參數(shù)。

圖2 與褶皺相關(guān)的幾何參數(shù)

圖3 褶皺參數(shù)定義圖

1.2 缺陷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中為形成不同程度的褶皺，且為能更簡便精確地得到褶皺的寬度、高度、角度3種參數(shù)的數(shù)據(jù)，僅考慮簡單因素簡化影響分析，實(shí)驗(yàn)中通過預(yù)設(shè)90°纖維絲束來制造褶皺。

本次試驗(yàn)主要通過在90°鋪層上鋪放不同寬度和不同層數(shù)的90°纖維絲束來預(yù)設(shè)成型各種不同規(guī)格的褶皺，90°的纖維絲束設(shè)置位置如圖4所示，層合板按照[(0°/90°)2]s的順序鋪層。由于所用的預(yù)浸絲寬度為6.35 mm，因此將放置的90°纖維絲束的寬度設(shè)計(jì)為3.18、6.35、12.7 mm，即分別為絲寬的0.5、1、2倍。

圖4 內(nèi)嵌缺陷試件示意圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的面外褶皺主要是由內(nèi)嵌的90°纖維絲束引起的，在褶皺形成的過程中，通常是樹脂填充了褶皺周圍的空隙，形成富樹脂區(qū)域，在人為設(shè)計(jì)內(nèi)嵌褶皺的時(shí)候很難完全重現(xiàn)這個(gè)過程，在拉伸實(shí)驗(yàn)中，樹脂不受力，在實(shí)際中可用90°纖維絲束來代替樹脂，設(shè)置的90°纖維絲束正交于拉伸載荷方向。因此，可最大限度地減少對試件整體的負(fù)載位移響應(yīng)的影響。

試件編號及其對應(yīng)的缺陷規(guī)格如表1所示，共計(jì)6種缺陷規(guī)格。同時(shí)，對應(yīng)每組內(nèi)嵌缺陷類型制備相應(yīng)的完好試件作為基準(zhǔn)試件，以進(jìn)行拉伸性能對比。每種規(guī)格各制備3個(gè)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1.3 層合板制備

此次試驗(yàn)采用2絲束自動鋪絲機(jī)器人鋪放層合板。為確保試樣的均勻性，每組缺陷類型及其對應(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1.5 mm厚不銹鋼板作為墊板，放置在層合板的上下表面。墊板能夠均勻傳遞固化過程中的溫度與壓力，促進(jìn)樹脂流動，利于得到更平整的層合板表面。

表1 缺陷規(guī)格

1.4 測試條件

拉伸試驗(yàn)：拉伸力學(xué)性能是復(fù)合材料主要力學(xué)性能之一。通過材料拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫讲牧系目估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)。針對設(shè)計(jì)后鋪放成型的試件，通過拉伸實(shí)驗(yàn)來研究內(nèi)嵌褶皺對層合板力學(xué)性能的影響。

試驗(yàn)過程參照ASTM D3039進(jìn)行。試驗(yàn)平臺為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×1.5 mm (長×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 褶皺寬度

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，缺陷寬度即嵌入的90°絲束的寬度，是影響褶皺寬度的唯一因素，圖5為相同嵌入層數(shù)但不同缺陷寬度的內(nèi)嵌褶皺試件的載荷-位移曲線圖。拉伸實(shí)驗(yàn)中，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)生了分層損傷或者斷裂，喪失了承載能力，拉伸載荷隨之呈現(xiàn)斷崖式下降。

不同缺陷寬度試件的拉伸強(qiáng)度如圖6和表2所示，拉伸強(qiáng)度是通過試件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。當(dāng)缺陷寬度為3.18 mm時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度為930.57 MPa，隨著缺陷寬度增加到12.7 mm時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度升至1051.9 MPa，拉伸強(qiáng)度提升了12.04%，內(nèi)含褶皺缺陷試件的拉伸強(qiáng)度隨著內(nèi)嵌褶皺的寬度的增加而加大。其原因是隨著寬度的增加，褶皺趨于平緩，褶皺對試件拉伸強(qiáng)度的影響越小。但缺陷寬度為6.35 mm與12.7 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度差距并不明顯。

2.2 褶皺高度

褶皺高度是由鋪層設(shè)計(jì)中內(nèi)置的90°纖維絲束層數(shù)來決定的，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的褶皺高度，因此設(shè)置的90°纖維絲束層數(shù)為2、4層2種。圖7為缺陷寬度為12.7 mm時(shí)，不同缺陷層試件的載荷-位移曲線圖。在對比各組數(shù)據(jù)后，可得出在相同的缺陷寬度即褶皺寬度下，當(dāng)褶皺高度增加時(shí)，試件的極限載荷減小。

圖5 不同缺陷寬度試件拉伸載荷-位移曲線

圖6 不同缺陷寬度試件拉伸強(qiáng)度

試件極限載荷/kN拉伸強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)偏差/MPa提高率/%134 896.43930.5715.6—239 332.831048.8718.312.7339 446.331051.915.213.04

該組實(shí)驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度如圖8和表3所示，在缺陷寬度為3.18 mm的試件中，90°纖維絲束層數(shù)為2層時(shí)，拉伸強(qiáng)度為930.57 MPa，4層時(shí)拉伸強(qiáng)度則降為721.55 MPa，相比2層時(shí)降低了22.46%；在缺陷寬度為6.35 mm的試件中，缺陷層數(shù)2層時(shí)拉伸強(qiáng)度為1048.87 MPa，4層缺陷時(shí)拉伸強(qiáng)度為877.17 MPa，相比2層時(shí)降低了16.37%；同樣，在缺陷寬度12.7 mm的試件中，2層缺陷時(shí)試件拉伸強(qiáng)度為1051.9 MPa，4層缺陷時(shí)拉伸強(qiáng)度為917.59 MPa，相比2層時(shí)降低了12.77%?？傻贸鲈趦?nèi)嵌的90°纖維絲束層數(shù)增加時(shí)，褶皺的高度增加，從而試件的拉伸強(qiáng)度下降，導(dǎo)致試件拉伸性能變差。

圖7 不同層數(shù)試件的載荷-位移曲線

圖8 不同缺陷層數(shù)試件拉伸強(qiáng)度

缺陷寬度/mm試件拉伸強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)偏差/MPa減小率/%3.1812930.57721.5515.610.6—22.56.35121048.87877.1718.2622—16.412.7121051.9917.5915.2316.5—12.8

2.3 褶皺角度

在分析褶皺寬度和褶皺高度對試件拉伸性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨缺陷寬度增加試件拉伸性能增強(qiáng)，隨缺陷高度增加時(shí)試件拉伸性能降低，雖然這兩個(gè)因素對試件的拉伸性能都會產(chǎn)生影響，但影響效果并不明顯。因此，在實(shí)驗(yàn)中又引入褶皺角度這一變量。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋪層和固化過程中樹脂由高處流向低處的特性，得到了樹脂富集區(qū)即褶皺區(qū)域，經(jīng)多組試件的測量并求平均值，得到了4°、7°、10°三種不同角度的褶皺，如圖9所示。

(a)θ=4°

b)θ=7°

(c)θ=10°

圖10為不同褶皺角度試件的載荷-位移曲線。相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度如圖11和表4所示。褶皺角度為4°時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大為1057.13 MPa，拉伸強(qiáng)度隨著褶皺角度的增加而增大，在褶皺角度為10°時(shí)，拉伸強(qiáng)度降為了721.55 MPa，相較褶皺角度為4°時(shí)，拉伸強(qiáng)度降低了31.74%。

隨著褶皺角度增加，試件拉伸強(qiáng)度降低，且效果明顯。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，褶皺角度是對試件拉伸性能影響最大的因素。

表4 不同褶皺角度試件極限載荷和拉伸強(qiáng)度

(a)θ=4°

(b)θ=7°

(c)θ=10°

圖11 不同褶皺角度試件拉伸強(qiáng)度

2.4 破壞形貌分析

經(jīng)分析褶皺角度為主要影響內(nèi)嵌褶皺試件拉伸性能的因素。內(nèi)嵌褶皺角度為4°的試件的典型破壞形貌如圖12(a)所示，褶皺程度較小，但在試件側(cè)面可看到沿著褶皺方向產(chǎn)生的斷裂裂痕，拉伸試驗(yàn)過程中，內(nèi)嵌缺陷處首先產(chǎn)生裂紋，裂紋在層內(nèi)拓展形成了層間損傷，導(dǎo)致試件失效。

褶皺角度為7°和10°的試件的典型破壞形貌如圖12(b)、(c)所示，試件中內(nèi)嵌褶皺角度較大，褶皺程度較為明顯，試件在內(nèi)嵌缺陷附近發(fā)生斷裂，在試驗(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，形成了層間損傷。同時(shí)，裂紋還會跨層蔓延，直至在內(nèi)嵌缺陷附近產(chǎn)生明顯的纖維斷裂。

由試件斷裂形貌可看出，試件斷裂失效方式均為沿著內(nèi)嵌褶皺的方向，然后沿著褶皺方向向四周延展，且褶皺角度越大，試件的斷裂程度越嚴(yán)重。

(a)θ=4°

(b)θ=7°

(c)θ=10°

3 結(jié)論

(1)通過研究褶皺寬度、褶皺高度、褶皺角度3個(gè)因素對內(nèi)嵌褶皺試件拉伸性能的影響分析，褶皺角度是影響試件拉伸性能最主要的因素，而且褶皺寬度與高度的變化會引起褶皺角度的變化。因此，褶皺角度是衡量褶皺對層合板拉伸性能影響的最主要因素。

(2)由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋪層得到了4°、7°、10°3種褶皺角度，通過對含不同褶皺角度試件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行分析，褶皺角度4°的試件拉伸強(qiáng)度為1057.13 MPa，褶皺角度7°的試件拉伸強(qiáng)度為877.16 MPa，褶皺角度為10°的試件拉伸強(qiáng)度最低為721.55 MPa，褶皺角度為10°的試件拉伸強(qiáng)度比褶皺角度為4°試件拉伸強(qiáng)度降低31.74%，即隨著褶皺角度的增加，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，拉伸性能逐漸減弱。

(3)通過破壞形貌分析，拉伸試驗(yàn)中試件的斷裂程度隨著褶皺角度的逐漸增加而加大，且試件首先在內(nèi)嵌缺陷處產(chǎn)生裂紋；隨后，裂紋沿著缺陷方向在層內(nèi)擴(kuò)展，形成層間損傷。同時(shí)，裂紋還會跨層蔓延，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。