復(fù)合材料層合板低速沖擊損傷試驗技術(shù)研究

周翔

航空工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所/高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實驗室 山東濟(jì)南 250023

復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬合金材料相比，具有更高的比剛度和強(qiáng)度，但復(fù)合材料容易受到低速沖擊，特別是對于層合復(fù)合材料。與各向同性材料不同，層合復(fù)合材料在橫向載荷作用下容易產(chǎn)生幾乎看不見的沖擊損傷（BVID），其程度從表面上看不清楚，但會導(dǎo)致內(nèi)部損傷。如果沖擊速度較低，沖擊損傷通常由樹脂或基體的性能決定，而不會導(dǎo)致纖維失效。在層間剪切的驅(qū)動下，層間發(fā)生分層，在面內(nèi)壓縮載荷作用下容易擴(kuò)展，最終導(dǎo)致復(fù)合材料整體失效。因此，開展復(fù)合材料低速沖擊下的損傷行為研究具有重要意義[1-5]。

1 試驗

本試驗采用ASTM D7136試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用的試驗測試設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求執(zhí)行；試驗件的制造和加工也是按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求執(zhí)行。

1.1 試驗件

試驗件材料為單向石英纖維氰酸酯樹脂復(fù)合材料層合板。試驗件鋪層定義：[(45/0)(-45)/90]，層合板單層厚度：0.13mm。

1.2 試驗設(shè)備

沖擊試驗設(shè)備由美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)制造，設(shè)備型號為ZCJ9302。

2 分析與討論

2.1 層合板沖擊損傷目視檢測分析

6J能量沖擊后，受沖擊面有很小凹坑，未受沖擊面有微小凸起。12J能量沖擊后層合板損傷凹坑略有增大，未受沖擊面有較小凸起。18J能量沖擊后，受沖擊面有明顯凹坑，未受沖擊面凸起也較為明顯。24J能量沖擊后，受沖擊面凹坑較大，未受沖擊面凸起較大。30J能量沖擊后，受沖擊面凹坑明顯可見，未受沖擊面出現(xiàn)了基體的裂紋。

2.2 沖擊后試驗件凹坑深度分析

將沖擊后凹坑深度與沖擊能量建立聯(lián)系，繪制試驗數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

圖1 凹坑深度與沖擊能量關(guān)系圖

由圖1可以看出，凹坑深度隨沖擊能量的增大而增大。

2.3 超聲C掃描檢測結(jié)果與分析

層合板沖擊后C掃描檢測的損傷面積和沖擊能量的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出，沖擊能量與損傷C掃分層投影面積成正比，即沖擊能量越大，分層投影面積也隨之增大。

圖2 分層投影面積與沖擊能量的關(guān)系

通過試驗我們可以看出，隨著沖擊能量的不斷增大，復(fù)合材料層合板的凹坑損傷深度也是呈逐漸增大趨勢，層合板的分層損傷面積也是呈逐漸增大的趨勢，均與沖擊能量成正比關(guān)系。

3 結(jié)語

通過試驗得出，復(fù)合材料層合板的沖擊損傷凹坑深度、沖擊損傷面積、沖擊力均與沖擊能量成正比。試驗表明，復(fù)合材料層合板受沖擊后會表現(xiàn)出脆性，內(nèi)部會產(chǎn)生損傷，損傷包括層內(nèi)損傷和層間損傷。特別是在低能量沖擊下，層合板沖擊表面上只留下很小的可見損傷，但在層合板的內(nèi)部已產(chǎn)生了分層和基體開裂。