沖擊能量對(duì)EW200／E51 復(fù)合材料層合板損傷的影響

衛(wèi)新亮，張智敏，劉毅，溫偉，李穩(wěn)，任廣銀

(陸軍航空兵學(xué)院，北京 101123)

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、易于加工成形、耐腐蝕、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。該類復(fù)合材料構(gòu)件在制造、安裝和使用過程中，外殼時(shí)常會(huì)遭受各種類型的沖擊，造成的損傷直接影響結(jié)構(gòu)完整性[2–3]。由于復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)特殊性，其在宏觀上呈各向異性，微觀上表現(xiàn)為各向非均質(zhì)性，因此其損傷模式與各向同性材料完全不同[4]。

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件在使用過程中的損傷產(chǎn)生是無規(guī)則的，因沖擊而誘發(fā)損傷的問題被越來越多的復(fù)合材料工作者重視。在低速?zèng)_擊過程中，因沖擊能量的差異，會(huì)產(chǎn)生不同的破壞形式，如基體開裂、纖維斷裂和分層等現(xiàn)象。關(guān)于復(fù)合材料層合板的損傷機(jī)理，前人做了大量的研究。隨著沖擊能量的增加，層合板的外觀損傷狀態(tài)也不同，可分為無損傷狀態(tài)、目視不可見狀態(tài)、目視可見損傷狀態(tài)、穿透損傷狀態(tài)等形態(tài)。丁明聰?shù)萚5]等通過實(shí)驗(yàn)建立了單向?qū)雍习搴投嘞驅(qū)雍习宓臎_擊點(diǎn)凹坑深度與沖擊能量的關(guān)系。崔海坡等[6]通過研究T300／BMP–316 復(fù)合材料層合板的沖擊損傷，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板存在可使其剩余強(qiáng)度急劇下降的沖擊能量門檻值，同時(shí)不同鋪層參數(shù)對(duì)層合板沖擊后凹坑深度有顯著的影響。R. C. Batra 等[7]采用數(shù)值模擬的方法分析了纖維增強(qiáng)樹脂層合板結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的損傷開始、損傷拓展和失效過程的層合板損傷變化。沈真等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板的沖擊凹坑深度隨沖擊能量增加，但在達(dá)到拐點(diǎn)值后的沖擊部位出現(xiàn)纖維斷裂。以往研究更多關(guān)注了復(fù)合材料層合板的內(nèi)部損傷及其擴(kuò)展過程，但實(shí)際應(yīng)用中的很多情況是外部載荷明顯超過層合板的承載力，導(dǎo)致受到的沖擊損傷已經(jīng)難以進(jìn)行定性、定量的描述。

為更好地促進(jìn)玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板的工程應(yīng)用，筆者通過分析不同沖擊能量與損傷形態(tài)的關(guān)系，完成對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊過程的損傷評(píng)價(jià)，為該類復(fù)合材料的制造、應(yīng)用和修復(fù)工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要材料

平紋玻璃纖維布：EW200，廣東音谷建材有限公司；

環(huán)氧E51 樹脂膠、W93 固化劑：昆山久力美電子材料有限公司；

玻璃纖維：選擇常用的E 系列無堿玻璃纖維布作為增強(qiáng)體，該種玻璃纖維布具有堿含量低、吸濕低、與樹脂粘結(jié)性良好等優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)氧樹脂是目前航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣的樹脂體系，選擇E51 樹脂膠和W93 固化劑，二者的質(zhì)量混合比例為100 ∶30。

1．2 主要設(shè)備及儀器

落錘試驗(yàn)機(jī)：9250HV 型，美國Instron 公司。

1．3 EW200／E51 復(fù)合材料的制備方法

采用真空輔助模壓工藝制備復(fù)合材料，其原理是將單層玻璃纖維平紋布裁剪后刷涂環(huán)氧樹脂膠，按需鋪疊成坯料，進(jìn)行真空袋式密封，再放入模具中，在真空狀態(tài)和外加壓力下完成固化的過程。在這一過程中可確保玻璃纖維布被壓實(shí)，同時(shí)既能保證最大限度的排出空氣和揮發(fā)物，又可以減少構(gòu)件中的氣泡。

具體步驟如下：先將EW200 玻璃纖維布剪裁成長寬為310 mm×310 mm 的方片備用；然后把E51 環(huán)氧樹脂和W93 固化劑按照質(zhì)量比100 ∶30配成固化混合溶液，攪拌5 min，將配制好的固化混合溶液均勻涂抹在玻璃纖維布上，然后把涂抹過固化混合溶液的玻璃纖維布鋪層依次疊放至10 層并進(jìn)行真空袋式密封，留出抽真空接口；最后將密封后的玻璃纖維布放置在模具中，一邊抽真空一邊進(jìn)行機(jī)械加壓，保持12 h，固化完成后去除多余輔助材料得到玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料層合板，工藝過程如圖1 所示。

圖1 真空輔助模壓工藝過程

1．4 測(cè)試與表征

測(cè)試參考 ASTMD 7136–2007，將 EW200／E51復(fù)合材料板加工成150 mm×100 mm×2 mm 試樣，用落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過調(diào)節(jié)沖擊高度來設(shè)置不同能量沖擊值對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行沖擊。實(shí)驗(yàn)采用鋼制沖擊頭，直徑16 mm，沖頭沿導(dǎo)軌進(jìn)行自由落體，利用重力產(chǎn)生撞擊速度沖擊試件。為探究EW200／E51 復(fù)合材料層合板的沖擊損傷特征，設(shè)置了 9，11，13，15 J 四種沖擊能量值。

2 結(jié)果與討論

2．1 不同沖擊能量下的層合板響應(yīng)分析

復(fù)合材料層合板的瞬時(shí)沖擊響應(yīng)主要包括載荷、能量關(guān)于時(shí)間的響應(yīng)。落錘試驗(yàn)機(jī)連接的計(jì)算機(jī)可直接記錄沖擊實(shí)驗(yàn)過程中各沖擊參數(shù)之間的關(guān)系曲線，所有的試樣均為一次沖擊。不同沖擊能量下的EW200／E51 復(fù)合材料層合板載荷–時(shí)間響應(yīng)曲線如圖2 所示。

圖2 不同沖擊能量下的沖擊載荷–時(shí)間曲線

從圖2 可以看出，不同沖擊能量下的響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出同一趨勢(shì)，沖擊載荷初始階段以平穩(wěn)上升為主，沖擊載荷達(dá)到最大后出現(xiàn)波動(dòng)，然后迅速下降為一條平直線。層合板損傷的產(chǎn)生和擴(kuò)展使得材料的剛度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致應(yīng)力下降且伴隨波動(dòng)，這是因?yàn)槠郊y布織物結(jié)構(gòu)中的玻璃纖維束之間相互垂直分布，經(jīng)緯向的纖維之間交織，當(dāng)沖擊頭與試樣接觸時(shí)，沖擊點(diǎn)周圍各個(gè)方向的玻璃纖維都會(huì)參與受力，呈現(xiàn)出較好的抗沖擊能力[9–11]。

沖擊能量衰減–時(shí)間變化曲線如圖3 所示。

圖3 不同沖擊能量下的能量衰減–時(shí)間曲線

當(dāng)沖擊能量小于13 J 時(shí)，曲線呈現(xiàn)出類似的形態(tài)，能量吸收保持了相同的趨勢(shì)，能量吸收值穩(wěn)定在8 J 附近。在15 J 沖擊能量時(shí)，能量吸收效果有限，吸收值僅有3 J，這是因?yàn)檩^大的沖擊力直接造成試件破壞，層合板因嚴(yán)重?fù)p傷而失去承載能力[12]。上述情況說明，對(duì)于EW200／E51 復(fù)合材料層合板體系，存在著一個(gè)抗沖擊損傷的門檻值。

2．2 沖擊能量對(duì)正面損傷面積的影響

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在承受低速?zèng)_擊載荷時(shí)，主要有基體裂紋、層間分層和纖維斷裂三種損傷形式[13]。沖擊實(shí)驗(yàn)后，試件表面出現(xiàn)了不同程度的損傷區(qū)域，樹脂基體產(chǎn)生了明顯的白色裂紋。不同沖擊能量對(duì)應(yīng)的正面損傷區(qū)域如圖4 所示。

圖4 不同沖擊能量的正面損傷區(qū)域

隨著沖擊能量的增加，沖擊點(diǎn)正面的損傷區(qū)域逐步變大，從35 mm 寬度直接擴(kuò)大到貫穿性裂紋。在7～13 J 的沖擊能量下，試件表面發(fā)生了明顯的纖維脫粘，但分層現(xiàn)象不明顯且凹陷變形量小，展現(xiàn)了良好的抗沖擊載荷能力和整體承載效果，這是因?yàn)槠郊y布的編織結(jié)構(gòu)以纖維束的經(jīng)緯向交叉為主分布，各個(gè)方向的纖維在沖擊過程中均承受載荷[14-15]。在15 J 時(shí)，損傷區(qū)域發(fā)生了劇烈變化，邊界區(qū)域出現(xiàn)了貫穿性裂紋損傷。

2．3 沖擊能量對(duì)背面沖擊損傷的影響

不同沖擊能量下的層合板背面損傷如圖5 所示。

圖5 不同沖擊能量的背面損傷區(qū)域

沖擊的背面損傷均表現(xiàn)為集中在沖擊中心區(qū)域，損傷面積相對(duì)較小，同時(shí)發(fā)生了部分玻璃纖維斷裂。在9 J 的沖擊能量下，試件表面發(fā)生樹脂裂紋，沖擊背面產(chǎn)生不明顯的凸起，以分層損傷和樹脂基體的裂紋為主，沒有大面積損傷。沖擊能量在11 J以上時(shí)，凸起的程度逐漸明顯，沖擊損傷區(qū)域面積逐步增大，呈現(xiàn)出沿厚度方向的玻璃纖維斷裂和樹脂開裂，并產(chǎn)生了粉末狀的樹脂碎渣[16]。

對(duì)采用真空輔助模壓制備的EW200／E51 復(fù)合材料層合板，沖擊實(shí)驗(yàn)造成的損傷明顯，樹脂基體損傷是最早出現(xiàn)的損傷形式，以樹脂開裂和分層為主，玻璃纖維的損傷以斷裂為主，有部分的層間分離。

3 結(jié)論

(1)不同沖擊能量下的EW200／E51 沖擊載荷–位移曲線顯示，該類復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的沖擊載荷急劇變化至最大值、載荷–時(shí)間非線性區(qū)、載荷回降等三個(gè)階段，且保持了相同的趨勢(shì)。

(2)在9～13 J 的沖擊能量下，沖擊損傷區(qū)域形狀均為橢圓形。隨著沖擊能量的增加，正面的損傷面積和背面的凸起程度均呈現(xiàn)上升，沖擊能量為15 J 時(shí)，發(fā)生了貫穿性裂紋損傷。