濕熱環(huán)境對CCF800／環(huán)氧挖補板拉壓性能的影響

張婕，程小全，程羽佳，馮振宇

（1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100083； 2.中國空間技術研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094；3.中國民航大學 適航學院，天津300300）

復合材料憑借比強度高、比模量高、耐腐蝕強、抗疲勞強、可設計性強和熱膨脹率低等優(yōu)勢，在航空航天領域得到廣泛的應用［1-2］。以大型商用飛機B787和A350XWB為例，其復合材料在飛機結構重量中的占比已經達到50%以上。飛機在服役期間會經歷復雜的高溫高濕環(huán)境，所以飛機復合材料結構設計時需要考慮濕熱環(huán)境?？蒲腥藛T已經對濕熱環(huán)境下復合材料層合板力學性能進行了深入的研究。在濕熱環(huán)境下，復合材料內纖維基本不吸濕，而纖維與基體界面和基體的吸濕量較大，使得其容易在界面處產生裂紋，基體性能下降［3］。此外，由于纖維和基體熱/濕膨脹系數(shù)相差很大，會在結構內部產生不可忽略的熱/濕應力［4-8］。因此，濕熱環(huán)境會使得復合材料層合板力學性能下降，這已被很多研究所證明［9-13］。

隨著復合材料結構在航空領域的廣泛應用，其修理問題也日益突出。與其他修理方法相比，挖補修理能保持結構的氣動外形，且修理效率較高，所以經常作為復合材料層合板的表面長期修理方法。與完好層合板相比，挖補修理層合板（以下簡稱挖補板）多了膠層這部分，膠層比復合材料更容易受到濕熱環(huán)境的影響，所以濕熱環(huán)境下挖補板的力學性能需要被關注。但相關研究較少，有些學者研究了挖補板二維簡化結構，也就是斜接接頭在濕熱環(huán)境下的力學性能。Charalambides等［14］測試了層合板、膠黏劑和斜接接頭吸濕后的力學性能，結果表明，層合板和膠黏劑的強度、模量均有一定程度的下降，而斜接接頭強度下降不明顯，但其破壞方式變化顯著。Elaldi等［15］研究了濕熱環(huán)境下斜接接頭的拉伸性能，并對比了熱壓罐和烘箱2種成型工藝，結果表明，濕熱環(huán)境導致斜接接頭的拉伸強度下降可達23%，影響顯著，2種成型工藝的修復效率相差不大。劉淑峰［16］測試了室溫干態(tài)、室溫濕態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)4種濕熱環(huán)境下挖補板的拉伸和壓縮性能，并建立了濕熱環(huán)境下挖補板拉伸和壓縮有限元模型以探索損傷機理和最佳修理參數(shù)，結果表明，濕熱環(huán)境會明顯降低挖補板的力學性能，這主要體現(xiàn)在濕熱應力和材料性能衰減2個方面。高溫環(huán)境下，膠黏劑表現(xiàn)出明顯塑性，濕態(tài)環(huán)境下更容易發(fā)生層合板/膠層膠接界面破壞。綜合考慮濕熱環(huán)境下拉壓性能和工藝因素，推薦修理角度為4°～6°，膠層厚度為0.15～0.2mm。

本文測試了4種濕熱環(huán)境下CCF800/環(huán)氧挖補板的拉伸和壓縮性能，結果表明，濕熱環(huán)境導致挖補板拉伸承載能力增加、壓縮承載能力降低，這與前人研究普遍認為濕熱環(huán)境會造成結構性能降低的結論不一致。為了解釋這種反常現(xiàn)象，本文分別建立了挖補板的濕熱應力有限元模型和濕熱環(huán)境下挖補板的拉伸和壓縮力學模型，深入探索濕熱環(huán)境對CCF800/環(huán)氧挖補板力學性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗件設計和制備

挖補板拉伸和壓縮試驗件構型設計分別基于ASTM D3039/D3039M［17］和ASTM D7137/D7137M［18］，具體構型分別如圖1和圖2所示。補片和母板材料為CCF800/環(huán)氧（預浸料形式），膠黏劑材料為SY14M（膠膜形式），層合板的鋪層參考了實際飛機蒙皮結構中常用的鋪層形式，鋪層為［45/02/-45/90/45/02/-45/0］S，其中，0°鋪層占50%，90°鋪層占10%，45°鋪層占40%。膠層采用一層膠膜，單層名義厚度為0.13mm。

圖1 挖補板拉伸試驗件構型Fig.1 Configuration of scarf-repaired tensile specimens

圖2 挖補板壓縮試驗件構型Fig.2 Configuration of scarf-repaired compressive specimens

考慮4種濕熱環(huán)境狀態(tài)，即室溫干態(tài)（Room Temperature/Dry Condition，RD）、室溫濕態(tài)（Room Temperature/Wet Condition，RW）、高溫干態(tài)（Elevated Temperature/Dry Condition，ED）和高溫濕態(tài)（Elevated Temperature/Wet Condition，EW），其中，高溫指測試溫度95℃，濕態(tài)指平衡吸濕狀態(tài)。拉伸和壓縮試驗件在每種濕熱環(huán)境狀態(tài)下有3件試驗件，共24件試驗件。

1.2 試驗裝置和方法

拉伸和壓縮試驗均在25 t級的Instron8802液壓伺服試驗機配合數(shù)字環(huán)境箱上進行（見圖3），試驗加載速率分別為2mm/m in和1.25mm/min。為了比較不同環(huán)境溫度下復合材料剛度的變化，在拉伸試驗件遠離挖補區(qū)域的地方布置應變片，具體位置如圖1所示。

考慮4種濕熱環(huán)境狀態(tài)，高溫狀態(tài)由環(huán)境箱提供，升溫至95℃后保溫10min，再進行試驗加載。濕態(tài)指平衡吸濕狀態(tài)，吸濕試驗在力學試驗前完成，僅針對RW 和EW 試驗件，設計基于ASTM D5229/D5229M［19］。具體操 作 為：分 別 選取1件拉伸和1件壓縮典型試驗件用于吸濕測量，采用精度為0.001 g的分析天平對這2個試驗件進行初始稱重，再將所有濕態(tài)試驗件放入水槽中。為了加快吸濕速率，水槽中的水溫與高溫測試溫度相同。定期對這2個試驗件進行稱重，稱重時間小于5 m in，記錄試驗件質量。當吸濕量滿足式（1）時，認為達到平衡吸濕，停止吸濕試驗。

圖3 帶有環(huán)境箱的拉伸和壓縮試驗裝置Fig.3 Tensile and compressive experimental setup with conditioning chamber

式中：M ＝（W-Wb）／Wb，Wb為試驗件吸濕前的初始質量，W為當前試驗件質量，M 為吸濕量，下標i代表當前時刻，i-1代表前一次測量時刻。

1.3 試驗結果和分析

由于所有試驗件表面鋪層方向均為45°，可認為不同濕熱環(huán)境下拉伸試驗件上應變片測量出的平均表面剛度可表征對應濕熱環(huán)境下復合材料CCF800/環(huán)氧的模量。平均表面剛度定義為應變片1～應變片3的載荷-應變曲線在線性段斜率的平均值。4種濕熱環(huán)境下拉伸試驗件的平均表面剛度匯總于表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，4種濕熱環(huán)境下挖補板平均表面剛度相差不大，可認為濕熱環(huán)境基本不影響復合材料CCF800/環(huán)氧的模量。

4種濕熱環(huán)境下挖補板的最大拉伸和壓縮載荷對比如圖4和圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，挖補板在4種濕熱環(huán)境下拉伸和壓縮承載能力順序分別為：EW≈RW ＞ED＞RD和RD≈ED＞RW ＞EW，出現(xiàn)了“濕熱環(huán)境導致挖補板拉伸性能增加、壓縮性能降低”的反?，F(xiàn)象。挖補板的承載能力主要取決于母板結構的承載能力，也就是取決于復合材料CCF800/環(huán)氧在4種濕熱環(huán)境下的力學性能，這與以往研究認為“不論濕環(huán)境還是熱環(huán)境均會降低復合材料的力學性能”相悖。因此，采用有限元方法進一步研究濕熱環(huán)境對復合材料CCF800/環(huán)氧強度的影響。

表1 四種濕熱環(huán)境下挖補板平均表面剛度Table 1 Average surface stiffness of scarf-repaired laminates in four hygrothermal environments

圖4 四種濕熱環(huán)境下挖補板最大拉伸載荷Fig.4 Maximum tensile loads of scarf-repaired laminates in four hygrothermal environments

圖5 四種濕熱環(huán)境下挖補板最大壓縮載荷Fig.5 Maximum compressive loads of scarf-repaired laminates in four hygrothermal environments

2 有限元建模

濕熱環(huán)境下挖補板力學有限元模型流程如圖6所示。圖中：M為吸濕量，T為溫度，α為熱膨脹系數(shù)，β為濕膨脹系數(shù)。濕熱環(huán)境對挖補板力學性能的影響主要體現(xiàn)在材料性能衰減和濕熱應力2個方面，下面將首先討論濕熱環(huán)境下材料性能并建立濕熱應力有限元模型，然后在此基礎上建立濕熱環(huán)境下挖補板的力學模型。

圖6 濕熱環(huán)境下挖補板力學有限元模型流程Fig.6 Flowchart of mechanical finite element model of scarf-repaired laminates in hygrothermal environments

2.1 濕熱環(huán)境下材料性能

濕熱環(huán)境下膠黏劑SY14M 的力學性能參數(shù)來自參考文獻［20］。RD 環(huán)境下復合材料CCF800/環(huán)氧力學性能參數(shù)來源于材料提供商，如表2所示。根據(jù)1.3節(jié)研究可知，濕熱環(huán)境基本不影響復合材料CCF800/環(huán)氧的模量，所以認為RW、ED和EW 環(huán)境下復合材料CCF800/環(huán)氧的模量與RD環(huán)境下的相同。至于RW、ED和EW 環(huán)境下復合材料CCF800/環(huán)氧的強度，下文將重點討論。

表2 RD環(huán)境下復合材料CCF800／環(huán)氧力學性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters of composite CCF800／epoxy in RD enviroment

2.2 濕熱應力有限元模型

在建立濕熱應力有限元模型前，需要先建立熱傳遞和濕擴散模型。分別采用ABAQUS中熱傳遞和質量擴散分析模塊進行熱傳遞和濕擴散分析。濕熱環(huán)境試驗中，試驗件處于95℃溫度均勻的環(huán)境箱內保溫10 m in，可認為測試前試驗件溫度均勻，所以在熱傳遞模型中在所有節(jié)點上施加95℃熱載，單元類型為DC3D8。濕擴散模型中載荷為試驗件外表面的飽和濕濃度場，即正則化濃度φ＝1，單元類型為DC3D8，濕擴散模型中需要給出濕擴散率和溶解度，具體值如表3所示［21］。

在此基礎上，采用ABAQUS中的靜力通用分析模塊進行濕熱應力分析。在ABAQUS有限元軟件中，采用隱式求解器可以直接計算由溫度變化量ΔT引起的材料內部熱應力，但是濕應力的計算不能直接求解。由于濕熱膨脹引起內部應力的控制方程一致，采用熱應力求解模塊來計算濕應力。具體步驟為：首先，在濕擴散模型中得到濕濃度場的基礎上，采用*user defined field和子程序USDFLD將濕濃度場導入到結果文件（field-variable.fil）中；然后，對該結果文件中的場變量改寫為溫度場結果文件（temperature.fil）；最后，把得到的溫度場結果文件作為溫度載荷引入到模型中，計算由濕引起的內應力，將溫度和吸濕引起的內應力進行疊加，得到濕熱共同作用下的內部濕熱應力。濕熱應力有限元模型中需要給出熱膨脹系數(shù)和濕膨脹系數(shù)，具體值如表3所示。除了膠接界面周圍的單元類型為C3D6，其余位置的單元類型為C3D8R。

表3 膠黏劑SY14M 和復合材料CCF800／環(huán)氧濕熱材料參數(shù)［21］Table 3 Hygrothermal material parameters of adhesive SY14M and composite CCF800／epoxy［21］

2.3 濕熱環(huán)境下力學模型

2.3.1 漸進損傷模型

漸進損傷模型是通過ABAQUS中子程序USDFLD來模擬的。挖補板模型由膠層和復合材料層合板（母板和補片）組成。采用Mises準則和突然退化模型分別作為膠層的損傷判據(jù)和材料退化準則，具體公式分別如下：

式中：σ1、σ2、σ3分別為膠層3個主應力；σc為膠層臨界等效應力，可認為等于膠黏劑拉伸強度［20］，這 里 等 于66 MPa；Ed為 膠 層 損 傷 后 的剛度。

復合材料考慮4種破壞模式，即纖維拉伸/壓縮破壞、基體拉伸/壓縮破壞、纖維基體剪切破壞和拉伸/壓縮致分層破壞。對于損傷判據(jù)，前2種采用Hashin準則［22］，纖維基體剪切破壞采用Lessard判據(jù)［23］，拉伸/壓縮致分層破壞采用Ye分層失效判據(jù)［24］。對于材料退化準則，前3種破壞形式采用Chang退化準則［25］，拉伸/壓縮致分層破壞采用Tserpes退化準則［26］。

2.3.2 模型細節(jié)

在濕熱應力有限元模型基礎上建立濕熱環(huán)境下的力學模型，即在有限元軟件ABAQUS中靜力通用分析模塊中引入濕熱應力作為預定義場，再進行力學分析。

挖補板拉伸和壓縮有限元模型中，母板和補片厚度方向上均劃分為20層單元以模擬每個鋪層（［45/02/-45/90/45/02/-45/0］S），膠層在厚度方向上僅布置一層單元。除了膠接界面周圍的單元類型為 C3D6，其余位置的單元類型為C3D8R，具體網格分布和邊界條件如圖7所示。

圖7 挖補板拉伸和壓縮有限元模型Fig.7 Tensile and compressive finite element models of scarf-repaired laminates

3 有限元結果與分析

3.1 濕熱應力分析

由于在拉伸和壓縮試驗件中由濕熱環(huán)境引起的內應力基本相同，所以僅介紹挖補板拉伸載荷下的濕熱情況。膠層、補片和母板內最大濕應力、熱應力及濕熱應力對比如圖8所示?？梢?，濕熱應力不是簡單的濕應力與熱應力疊加，膠層內濕熱應力小于濕應力和熱應力，這是因為在EW環(huán)境下膠層的剛度很小。母板內最大濕應力、熱應力及濕熱應力均略大于補片，這是因為無論濕膨脹還是熱膨脹均是向外變形，補片剛度和母板相同，膠層剛度降低，所以補片膨脹變形通過膠層傳遞到母板上，使得母板受到膨脹擠壓的程度更大。

圖8 膠層、補片和母板內最大濕應力、熱應力及濕熱應力對比Fig.8 Comparison of maximum moisture，thermal and hygrothermal stresses inside adhesives，patches and parent laminate

圖9 挖補板拉伸模型內濕熱應力Fig.9 Hygrothermal stress inside tensile model of scarf-repaired laminates

膠層、補片和母板應力分布云圖如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，3種濕熱環(huán)境下的應力分布基本相同，即膠層內應力較小且較為均勻，母板和補片內應力較近且存在應力集中現(xiàn)象，在90°層的應力最大，0°層的應力最小，這可能是因為0°層含量最多，90°層含量最小，90°層變形受0°層制約。

3.2 濕熱環(huán)境下力學分析

3.2.1 常溫干態(tài)

RD環(huán)境下挖補板試驗和有限元的最大拉伸和壓縮載荷對比如表4所示，其破壞模式對比如圖10和圖11所示。圖中：紅色代表破壞，藍色代表未損傷，灰度較深的為破壞，灰度較淺的為未損傷。可見，無論最大載荷還是破壞模式，有限元都可以較好地預測試驗結果，所以認為RD環(huán)境下挖補板拉伸和壓縮有限元模型有效。

表4 RD環(huán)境下挖補板試驗和有限元的最大拉伸和壓縮載荷對比Table 4 Comparison of maximum tensile and compressive loads of scarf-repaired laminates in RD enviroment between experiment and finite element method

圖10 RD環(huán)境下挖補板試驗和有限元拉伸破壞模式對比Fig.10 Comparison of tensile failure profiles of scarfrepaired laminates in RD enviroment between experiment and finite element method

3.2.2 其他環(huán)境

假設濕熱環(huán)境不影響復合材料CCF800/環(huán)氧的強度參數(shù)，建立RW、ED和EW 環(huán)境下的挖補板拉伸和壓縮有限元模型，則得到的最大拉伸和壓縮載荷與試驗值對比如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，這3種濕熱環(huán)境下有限元計算出的挖補板最大拉伸載荷小于試驗值，但壓縮載荷都大于試驗值。

加之對該材料層合板金相圖（見圖13）的觀察，可見纖維存在明顯的彎曲現(xiàn)象。基于此，假設濕熱環(huán)境下纖維和基體間界面性能降低使得纖維更容易被拉直和彎曲，從而使得復合材料CCF800/環(huán)氧在濕熱環(huán)境下拉伸強度增大，壓縮強度降低，進而影響挖補板在濕熱環(huán)境下的承載能力。

為驗證該假設，引入修正參數(shù)f1、f2和f3，修正與纖維性能相關性較大的參數(shù)XT、S12、S13和XC，即濕熱環(huán)境下新的材料參數(shù)為f1XT、f2S12、f2S13、f3XC，其余參數(shù)認為不變。因為XT和XC基本只與纖維有關，所以基于該假設，推論得到在3種濕熱環(huán)境下f1與f3的值不變。通過調整這3個參數(shù)，使得濕熱環(huán)境下挖補板拉伸和壓縮載荷與試驗值對應上，將其匯總于表5。

通過分析3種濕熱環(huán)境下修正參數(shù)f1、f2和f3的變化來檢驗假設的有效性。首先推論認為在3種濕熱環(huán)境下f1與f3的值不變，但從表5中可發(fā)現(xiàn)EW 環(huán)境下f1顯著大于RW 和ED環(huán)境，這是因為CCF800/環(huán)氧材料自身性能參數(shù)分散性較大。

圖11 RD環(huán)境下挖補板試驗和有限元壓縮破壞模式對比Fig.11 Comparison of compressive failure profiles of scarf-repaired laminates in RD enviroment between experiment and finite element method

圖12 四種濕熱環(huán)境下挖補板試驗和有限元最大拉伸與壓縮載荷對比（濕熱環(huán)境下復合材料強度不變）Fig.12 Comparison of maximum tensile and compressive loads of scarf-repaired laminates in four bygrothermal environments between experiment and finite element method（when composite strengths do not change in hygrothermal environments）

圖13 復合材料CCF800/環(huán)氧層合板內纖維彎曲Fig.13 Fiber misalignment in composite CCF800/epoxy laminate

表5 RW、ED和EW 環(huán)境下復合材料CCF800／環(huán)氧修正參數(shù)Table 5 Corrective parameters of composite CCF800／epoxy in RW，ED and EW enviroments

根據(jù)材料提供商提供的性能參數(shù)來看，RD環(huán)境下，XT范圍為2252～3170MPa（建模中選取2 390MPa），XC范圍為1 079～1 432MPa（建模中選取1 342 MPa），S1（S13）范圍為72.0～84.8MPa（建模中選取77 MPa），參數(shù)范圍為多批測量結果匯總，建模中使用的參數(shù)為一批參數(shù)測量的平均值。可見，該材料性能分散性較大，尤其是XT，最大值比最小值高40.8%，這也體現(xiàn)在挖補板最大拉伸載荷范圍為95.2～118.7 MPa（最大值比最小值高24.7%）。在本節(jié)建模中，XT選取為2 252～3170MPa范圍內較小值，當XT選取3170MPa時，EW 環(huán)境下f1＝1.5，與RW 和ED環(huán)境下f1相同。所以推論具有一定的合理性。

此外，濕熱環(huán)境下性能參數(shù)修正的幅度是XT增加50%，XC降低30%，而XT實際幅度范圍最大值比建模中所選值大32.6%，XC實際幅度范圍最小值比建模中所選值小19.6%，修正參數(shù)變化范圍大于CCF800/環(huán)氧材料參數(shù)的分散性，所以可認為假設具有一定的合理性，即濕熱環(huán)境下纖維和基體間界面性能降低確實導致了復合材料CCF800/環(huán)氧拉伸強度增加，壓縮強度降低。

4 結 論

本文采用試驗和有限元2種方法研究了CCF800/環(huán)氧挖補板在濕熱環(huán)境下的拉、壓力學性能。得到如下結論：

1）挖補板內濕應力、熱應力和濕熱應力的分布基本相同，即膠層內應力較小且較均勻，母板和補片內應力值較近且存在應力集中現(xiàn)象，在90°層的應力最大，0°層的應力最小。由于濕熱環(huán)境會影響材料模量，所以濕熱應力不是簡單的濕應力與熱應力疊加。膠層內濕熱應力小于濕應力和熱應力之和，母板內最大濕應力、熱應力及濕熱應力均略大于補片。

2）濕熱環(huán)境下CCF800/環(huán)氧挖補板的承壓能力降低，而承拉能力提高，這是一種反?，F(xiàn)象。導致該現(xiàn)象的原因是：挖補板承載能力主要取決于母板材料，而該鋪層中纖維不直，在濕環(huán)境、熱環(huán)境及濕熱環(huán)境下纖維更容易被拉直和壓縮失穩(wěn)，進而導致拉伸強度增大和壓縮強度降低。

為了挖掘國產纖維CCF800增強復合材料力學性能的潛力，在制備CCF800復合材料時，一定要提高纖維的準直度。如果基于現(xiàn)有的工藝，則在使用中，確定該復合材料的許用值或設計值時，須要特別注意其濕熱環(huán)境下的力學性能。