復合材料層壓板沖擊后壓縮研究

梁鳳飛，崔孝展

(中航西飛民用飛機有限責任公司 工程技術中心，西安 710089)

0 引言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復合材料具有比強度、比剛度高、抗疲勞、耐腐蝕性能好及可設計性強等優(yōu)點，正日益廣泛地被應用于航空航天領域。統(tǒng)計研究表明，復合材料制件在飛機上的應用，可減輕結(jié)構重量20%～30%[1]。此外，復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結(jié)構先進性的重要指標之一[2]。金屬材料結(jié)構以沖擊部位的塑性變形為能量吸收的主要形式，而復合材料層壓板結(jié)構靠彈性變形和損傷破壞來吸收能量[3]由于復合材料本身特有的結(jié)構特征，決定了其層間強度很低，因此，其對外部沖擊載荷作用敏感。在其制造、使用和維修過程中，復合材料層壓板不可避免地會受到外來物的沖擊，從而造成零件的損傷和承載能力的下降。Liu和Malvern等人[4]提出可以根據(jù)沖擊造成的損傷劃分沖擊的類型，外來物對復合材料的沖擊可分為兩類：高速沖擊和低速沖擊。復合材料層壓板受高速沖擊后的主要特征是纖維斷裂，而受低速沖擊后的主要特征是樹脂基體開裂和分層。

高速沖擊往往造成復合材料結(jié)構的明顯變形或穿透，這些損傷在制件的維護過程中容易被檢測并進行修補。對于在飛機結(jié)構中使用的復合材料制件，經(jīng)常會遭受到石子、冰雹、維修中不慎掉落的工具以及工人暴力踩踏等低速沖擊作用。經(jīng)低速沖擊作用后，復合材料表面幾乎看不出損傷及缺陷(Barely Visible Impact Damage，簡稱 BVID)，但內(nèi)部卻會產(chǎn)生大面積的基體開裂、基體與纖維界面脫粘及分層等損傷，特別是在制件受沖擊的背面會出現(xiàn)較大的分層損傷。這些損傷在制件的維護修理過程中難以檢測，卻可造成其結(jié)構的強度削弱達35%～ 40%[5]。尤其是結(jié)構的壓縮強度大幅下降，對飛機結(jié)構安全造成潛在影響，甚至直接導致事故的發(fā)生。因此，研究復合材料層壓板的低速沖擊損傷及沖擊后壓縮強度問題具有重要的理論與實踐意義。本文將采用美國材料與試驗協(xié)會纖維增強聚合物基體復合材料抗落錘撞擊損失測量的標準試驗方法(ASTM D7136/7137)，對一種T800級碳纖維復合材料層壓板，研究其受沖擊損傷后的壓縮性能。

1 試驗過程與方法

1.1 試驗方法

本文按照ASTM D7136(測量纖維增強聚合物基復合材料對落錘沖擊事件的損傷阻抗的標準試驗方法)制造試驗件并引入沖擊損傷，試驗件尺寸如圖1所示。

圖1 試驗件尺寸

*注：1.除特別說明外，所有單位為英寸；2.除特別說明外，所有尺寸公差為±0.010

圖2 沖擊引入及壓縮試驗圖

采用ASTM D7137(含損傷聚合物基復合材料板壓縮剩余強度性能的標準試驗方法)測試受損傷后試驗件的壓縮性能，并采用超聲C掃描的手段檢測研究試驗件內(nèi)部的損傷狀況。試驗中試驗件的支持及加載狀態(tài)如圖2所示。

1.2 試驗件種類描述

本文中層壓板試驗件所采用的材料為T800級碳纖維/環(huán)氧復合材料M21/34%/UD194/IMA-12K，單層厚度為0.184mm。試驗共設計三種鋪層種類，代號分別記為A、B、C，具體鋪層總數(shù)及鋪層順序見表1。每個種類下設計試驗件15件，本文中除特別說明，所列數(shù)據(jù)為統(tǒng)計平均值，試驗的環(huán)境為室溫大氣環(huán)境(23℃±3℃)。

表1 試驗件種類統(tǒng)計

2 結(jié)果分析與討論

2.1 沖擊損傷模式及分析

試驗中，采用不同能量的沖擊作用對試驗件引入沖擊損傷。沖擊能量、損傷區(qū)域與試驗件的對應關系見表2。沖擊后，采用超聲C掃描的手段檢測研究試驗件內(nèi)部的損傷狀況，如圖3所示。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊能量的增加，試樣損傷程度趨于嚴重。另外，隨著沖擊能量的增大，試驗件的損傷區(qū)域不斷增大，這與目視損傷得到的結(jié)果相同。

表2 試驗件沖擊能量與損傷區(qū)域表

圖3沖擊后試驗件C掃描圖

對比相同能量下超聲C 掃描結(jié)果與試樣背面照片可以看出，由超聲C 掃描得到的損傷面積更大，這是因為超聲C 掃描可以探測到試樣目視很難看到的損傷(BVID)。在圖中，超聲C 掃描與所顯示的損傷形貌基本相同并接近圓形，這是由于在低速沖擊下，單向碳纖維樹脂基復合材料各層的損傷形貌應為花生狀且長軸方向與相鄰層的鋪層角度相關[6]，又因為本文中試樣的鋪層方式比較復雜，超聲C 掃描得到的損傷圖像是多層損傷圖形疊加的結(jié)果，因此損傷形貌近似呈圓形。

2.2 壓縮破壞模式及分析

壓縮試驗后，試驗件的破壞模式均為側(cè)向穿過損傷區(qū)中間的壓縮破壞(LDM①)。這是由于在壓縮過程中低速沖擊的裂紋及纖維損傷會繼續(xù)擴展，在較低載荷水平下試驗件的沖擊背面就會出現(xiàn)局部屈曲，因應力集中而發(fā)生分層和纖維斷裂等損傷擴展，導致層壓板最終破壞。

2.3 凹坑深度和沖擊能量的關系

復合材料沖擊損傷尺寸一般采用損傷面積、損傷寬度和凹坑深度等三個參數(shù)來表征[7]。試驗中，選擇不同能量對試驗件進行沖擊作用，測量試驗件被沖擊所產(chǎn)生凹坑深度，如圖4所示。

圖4 凹坑深度-沖擊能量關系圖

在沖擊作用下，層壓板受沖擊表面產(chǎn)生凹坑。隨即測量凹坑深度，得到圖4凹坑深度-沖擊能量關系圖。從圖中可以看出，深度的凹坑深度隨沖擊能量的增加而增大，隨著纖維大面積斷裂, 整個層壓板被壓頭穿透。但沖擊能量與凹坑深度曲線在凹坑深度約為1.0mm處出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點，在轉(zhuǎn)折點之前，凹坑深度隨沖擊能量的增加而緩慢增大；但在轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)以后(即凹坑深度約超過1.0mm后)，凹坑深度隨沖擊能量的增加而迅速增大。沈真[8]等人將這個轉(zhuǎn)折點稱為拐點, 拐點現(xiàn)象的物理意義是復合材料層壓板受沖擊點附近表面層纖維開始斷裂，表明復合材料層壓板對外部沖擊力的抵抗機理發(fā)生了突變，宏觀上表現(xiàn)為沖擊后壓縮強度上不再繼續(xù)下降。

鑒于此，國內(nèi)軍民用飛機復合材料結(jié)構執(zhí)行的BVID標準為：復合材料層壓板在直徑為16mm沖頭的沖擊作用后，立即測量凹坑深度，在凹坑深度為1.0mm處的沖擊損傷，用此處(拐點處)的壓縮破壞強度來表征含損傷復合材料的承載能力。

2.4 凹坑深度和破壞強度/應變的關系

統(tǒng)計試驗后受沖擊試驗件上凹坑深度和壓縮破壞強度/應變的關系，如圖5所示。

從關系曲線中可以看出，當凹坑深度小于1.0mm，層壓板沖擊后壓縮破壞強度和應變隨凹坑深度的增加而顯著降低，但當凹坑深度超過1.0mm后，其沖擊后壓縮破壞強度和應變幾乎不再隨凹坑深度的增加而降低，因此，取凹坑深度在1.0mm附近試件的破壞強度和破壞應變的平均值，即得到該鋪層的沖擊后壓縮強度和破壞應變許用值。由此我們得到：A鋪層方案沖擊后壓縮強度值為221MPa，破壞應變值為3268με；B鋪層方案沖擊后壓縮強度值為227MPa，破壞應變值為2816με；C鋪層方案沖擊后壓縮強度值為218MPa，破壞應變值為3489με。

圖5 凹坑深度-破壞強度/應變關系圖

3 結(jié)語

(1)壓縮試驗完成后，與目視損傷相比，超聲C 掃描得到的損傷面積更大，顯示的損傷形貌基本相同并接近圓形。

(2)三種鋪層類型層壓板在受沖擊后的壓縮破壞模式為側(cè)向穿過損傷區(qū)中間的壓縮破壞(LDM)，且均在凹坑深度為1.0mm附近出現(xiàn)了拐點現(xiàn)象。

(3)在沖擊產(chǎn)生凹坑深度為1.0mm的拐點附近，A鋪層方案沖擊后壓縮強度值為221MPa，破壞應變值為3268με；B鋪層方案沖擊后壓縮強度值為227MPa，破壞應變值為2816με；C鋪層方案沖擊后壓縮強度許用值為218MPa，破壞應變值為3489με。

注釋：

① LDM為沖擊后破壞模式代號，具體見ASTM D7137。