M21/T800復(fù)合材料層壓板擠壓性能研究

陸鵬鵬 王新年 金迪

摘要：采用ASTM D 5961標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對M21/T800復(fù)合材料擠壓性能進(jìn)行研究。對不同層壓板厚度、不同環(huán)境以及不同緊固件類型下的層壓板擠壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，對層壓板擠壓強(qiáng)度和破壞模式進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，由于層壓板的厚度和孔形式不同，單釘單搭接的極限擠壓強(qiáng)度在433.6-856MPa間，即最低值和最高值分別為433.6MPa和856MPa，差值接近一倍;M21/T800復(fù)合材料的擠壓強(qiáng)度受環(huán)境影響不大;常溫和濕熱環(huán)境擠壓強(qiáng)度相當(dāng);板厚較小的層壓板擠壓強(qiáng)度受釘類型的影響比較大，最大擠壓強(qiáng)度差值為174.01MPa。

關(guān)鍵詞：T800纖維;M21增韌樹脂;緊固件;復(fù)合材料層壓板;擠壓性能

中圖分類號：V258文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 章編號：文001-5922（2019）04-0037-05

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連接設(shè)計(jì)不同于金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料連接部位孔邊應(yīng)力分布較復(fù)雜，應(yīng)力集中較嚴(yán)重，載荷分布更不均勻，連接部位通常是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，所以對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，連接設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且有必要的試驗(yàn)作為技術(shù)支撐。復(fù)合材料層壓板釘孔擠壓強(qiáng)度是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，賈普榮等人通過對碳纖維復(fù)合材料層壓板不同鋪層方向的試件進(jìn)行打孔擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出影響擠壓強(qiáng)度的主要因素。魏景超等研究了單面螺紋抽釘干涉配合對復(fù)合材料連接件擠壓強(qiáng)度的影響。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料是目前航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料，在目前新研制的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)成為首選的結(jié)構(gòu)材料，M21是第3代增韌環(huán)氧樹脂，T800是高模高強(qiáng)碳纖維，M21/T800復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用在民用客機(jī)上，本文主要進(jìn)行復(fù)合材料緊固件擠壓試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論，為在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的連接設(shè)計(jì)提供參考，對發(fā)揮M21/T800復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用復(fù)合材料預(yù)浸料是美國Hexcel公司的高溫固化碳纖增韌環(huán)氧樹脂碳帶預(yù)浸料M21，所用緊固件是美國鎂鋁公司的鈦合金抗拉型100°沉頭高鎖螺栓以及單面連接螺紋緊固件。復(fù)合材料層壓板是采用預(yù)浸料鋪貼后熱壓罐成型的方法進(jìn)行固化的，由中航工業(yè)西飛公司制造。

1.2試驗(yàn)件

緊固件擠壓試驗(yàn)件分為單釘擠壓試驗(yàn)和雙釘擠壓試驗(yàn)兩大類型，每種類型有17種構(gòu)型，其中每種構(gòu)型的單釘擠壓試驗(yàn)有2組試驗(yàn)件，一組為常溫環(huán)境試驗(yàn)，另一組為濕熱環(huán)境試驗(yàn)，雙釘擠壓只有常溫環(huán)境試驗(yàn)。因此，單釘、雙釘擠壓試驗(yàn)件共有17×3=51組，每組6件，共計(jì)51×6=306件。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.3試驗(yàn)方法

緊固件擠壓試驗(yàn)件是板條形狀（見圖1），有的是復(fù)材板與復(fù)材板搭接，有的是復(fù)材板和金屬板搭接，采用ASTM D5961方法B。試驗(yàn)時(shí)直接把試驗(yàn)件2端加持在試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭中，施加拉伸載荷。試驗(yàn)過程中記錄載荷一位移曲線，在曲線上確定0.2%割線載荷和變形，也可以確定最大擠壓載荷，并得到相應(yīng)的擠壓應(yīng)力。

由于緊固件一端為沉頭，一端為直孔螺帽，還有一些試驗(yàn)件是兩種厚度，受力后試驗(yàn)件2面變形不一致，因此，把引伸計(jì)安裝在試驗(yàn)件側(cè)面，擠壓試驗(yàn)照片如圖2所示。

2結(jié)果與討論

從單釘擠壓試驗(yàn)平均值可以得到，由于層合板的厚度和孔形式不同，單釘單搭接的極限擠壓強(qiáng)度在433.6～856MPa間，如表1所示，即最低值和最高值分別為433.6MPa和856MPa，差值接近1倍，而且層合板厚度小的擠壓強(qiáng)度高于層壓板厚的擠壓強(qiáng)度;同時(shí)對于相同板厚的層壓板，平頭孔的擠壓強(qiáng)度高于沉頭孔的擠壓強(qiáng)度，高出約20%。

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

1）不同環(huán)境試樣的試驗(yàn)結(jié)果對比分析

對于同一種構(gòu)型，不同環(huán)境下的試樣，濕熱試驗(yàn)擠壓應(yīng)力結(jié)果與常溫試驗(yàn)結(jié)果比較差異不大，如圖3所示，除了7050和7150類誤差為7%、7.25%外，其它類誤差均在5%以內(nèi)，而有9類濕熱值高于常溫值，表明濕熱變形可能使釘孔配合更為緊密。

2）不同層合板厚度試樣的試驗(yàn)結(jié)果對比分析

對比常溫下4種不同層合板厚度的試樣：φ4mm高鎖螺栓的7070，7140以及φ5mm高鎖螺栓的7010，7030，結(jié)果如表2所示。

不同層合板厚度試樣的擠壓應(yīng)力情況如圖4所示，相同釘直徑的試樣，試樣的擠壓應(yīng)力隨著不同層合板厚度的增加而降低，且對于釘直徑小的試樣，擠壓應(yīng)力隨著不同層合板厚度的增加下降明顯。

3）不同釘類型試樣的試驗(yàn)結(jié)果對比分析

對比常溫下6組不同板厚的試樣：采用高鎖連接7030，7050，7070，7090，7120，7140以及采用抽釘連接的7040，7060，7080，7110，7130以及7150，結(jié)果如表3所示。

對于釘?shù)念愋蛠碚f，列出了同等條件下的6組數(shù)據(jù)，高鎖螺栓的擠壓強(qiáng)度高于抽釘，且釘類型的影響對于薄板擠壓強(qiáng)度影響比較大，如圖5所示，層合板厚度為1.84mm的7070與7080試樣，擠壓強(qiáng)度差值最大。對于厚板的影響相對較小。

2.2試驗(yàn)件失效模式

與緊固件擠壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5961給出的5種失效模式（如圖6所示）對照，本次擠壓試驗(yàn)有3種失效模式，第1種是釘孔擠壓失效模式，這種失效模式主要出現(xiàn)在單釘單搭接、雙釘單搭接、雙釘雙搭接試驗(yàn)件中，典型的失效狀態(tài)如圖7（a）、（b）、（C）所示。由于極限載荷的需要，緊固件產(chǎn)生了很大的偏轉(zhuǎn)使孔出現(xiàn)嚴(yán)重的擠壓破壞;第2種失效模式是剪出失效，主要發(fā)生在復(fù)合材料層壓板與金屬板的單釘雙搭試驗(yàn)件中，這種連接形式層壓板不承受偏心力矩作用，孔擠壓強(qiáng)度高，使層壓板端部被剪出，典型失效模式如圖7（d）所示;第3種失效模式是孔擠壓損傷伴隨著緊固件軸向斷裂，這種現(xiàn)象主要發(fā)生在厚板的單釘單搭接試驗(yàn)件中，是由于偏心力矩使緊固件繞兩板搭接面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使螺帽與層壓板之間產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，并隨著拉伸載荷的增加而增大，側(cè)向擠壓力在緊固件中又形成了軸向偏心拉伸載荷，由于螺紋根部存在較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致緊固件在螺紋位置發(fā)生軸向斷裂，典型失效模式如圖7（e）所示。

3結(jié)論

1）對比濕熱環(huán)境與常溫環(huán)境下的擠壓破壞強(qiáng)度可知，對于擠壓試驗(yàn)，環(huán)境對試驗(yàn)結(jié)果的影響不大;

2）相同釘直徑的試樣，試樣的擠壓應(yīng)力隨著層合板厚度的增加而降低，且對于釘直徑小的試樣，擠壓應(yīng)力隨著層合板厚度的增加下降明顯;

3）對于釘?shù)念愋蛠碚f，高鎖螺栓的擠壓強(qiáng)度高于抽釘，且釘類型的影響對于層合板厚度較小的試樣影響比較大，對于層合板厚度較大的試樣影響相對較小。

4）對于相同層合板厚度、相同緊固件的試驗(yàn)件，雙剪形式的擠壓強(qiáng)度要明顯高于單剪形式的擠壓強(qiáng)度。