鋪層方向?qū)μ祭w維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響

丁一寧，佟 剛，楊 麗，楊 康，王 鋒，張子傲

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽 110136；2.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心 制造檢查室，沈陽 110043;3.遼寧通用航空研究院 設(shè)計部，沈陽 110136)

碳纖維復(fù)合材料有巨大的潛在價值，是航空航天材料輕量化發(fā)展的重要方向。飛行器的主要承力件均涉及低速沖擊問題，所以抗沖擊能力是航空材料設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能差，等體積下相較于其他材料剛度低[1-2]；傳統(tǒng)金屬材料密度大，具有更大的質(zhì)量，需要更強(qiáng)大的推進(jìn)能力。同時金屬材料制備工藝冗長且成本更大，具有較弱的抗腐蝕性，很難滿足嚴(yán)苛飛行條件下的設(shè)計要求。相較于碳纖維復(fù)合材料，碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在抗沖擊應(yīng)用中顯示出更優(yōu)的比剛度和比強(qiáng)度，且能有效地減輕質(zhì)量，成為飛行器輕量化設(shè)計的良好選擇。

傳統(tǒng)的碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)金屬材料更敏感，在受到低速沖擊后，夾芯結(jié)構(gòu)存在層間強(qiáng)度低、易分層、基體開裂和面芯界面脫粘等問題，其在受到?jīng)_擊后壓縮強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的整體性和夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。因此，如何提高碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的抗低速沖擊能力已成為復(fù)合材料界關(guān)注的熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)、仿真對泡沫夾芯復(fù)合材料的抗低速沖擊性能進(jìn)行了大量的研究。曹海建等[4]、Davies等[5]及孫子恒等[6]通過低速沖擊的方法對不同復(fù)合材料抗沖擊性能進(jìn)行研究。Tomasz等[7]比較不同沖擊能量對缺陷層合板造成的損傷，分析了鋪層順序?qū)p傷形式的影響。Abrate等[8]通過研究發(fā)現(xiàn),由于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯材吸收了大部分沖擊能量，比復(fù)合材料層合板表現(xiàn)出更顯著的抗沖擊性能。Crupi等[9-11]制備多種復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，并利用落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低速沖擊試驗(yàn)，利用三維計算機(jī)斷層掃描等方法對試驗(yàn)件的損傷情況進(jìn)行研究。王遙等[12]研究了不同能量沖擊后復(fù)合材料的抗壓縮能力及失效形式，測定單螺栓對層合板抗壓縮能力的修復(fù)能力。

國內(nèi)外的相關(guān)研究取得一定進(jìn)展，但有關(guān)不同鋪層方向?qū)ε菽瓓A芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的測試研究鮮有報道。本文通過制備不同鋪層順序的碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行不同沖擊能量落錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后對沖擊損傷區(qū)域進(jìn)行超聲C掃分析，最終得出沖擊能量和鋪層順序?qū)ε菽瓓A芯結(jié)構(gòu)沖擊損傷的影響，為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)件的制備

本次試驗(yàn)的試件為碳纖維復(fù)合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，碳纖維編織布牌號W-3021FF，泡沫材料編號H60的試驗(yàn)件均采用手糊真空袋壓工藝。該泡沫夾芯板增強(qiáng)纖維材料的鋪層、泡沫厚度情況如表1所示，成型后的復(fù)合材料夾芯試驗(yàn)件采用水切割機(jī)切割成150 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件(如圖1所示)，試件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 試件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同泡沫夾層板的鋪層方式

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸及沖擊位置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)為ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，采用落錘沖擊損傷，如圖3a所示。試件支撐窗口尺寸為125 mm×75 mm，沖擊物為鋼質(zhì)半球型沖頭，沖頭直徑為20 mm，錘頭質(zhì)量5.5 kg，使用不同的沖擊能量，試驗(yàn)環(huán)境溫度/濕度為25 ℃/40%RH。用夾頭夾住試件邊緣，試驗(yàn)中沖擊能量設(shè)置為10.58、21.17、31.75、42.34J。為提高試驗(yàn)可靠性，每組測試的多個試件結(jié)果都要取平均值。沖擊損傷檢測采用超聲C掃描的方法表征沖擊后的損傷特征，如圖3b所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備和過程

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊能量的影響

試件沖擊損傷典型圖如圖4所示。由圖4可知，隨著沖擊能量的提高，試件受沖擊區(qū)域表面出現(xiàn)損傷情況越明顯。當(dāng)沖擊能量為10.58J時，試件表面出現(xiàn)輕微的凹痕，在42.34J時，B02、B03、B04組試件被完全穿透，觀察被沖擊壓碎的泡沫，上面板產(chǎn)生了X形破壞痕跡;B01組試件上面板也出現(xiàn)了少量的纖維斷裂，未完全失效。所有試件的被沖擊處均可觀察到沿45°方向的纖維裂紋。

圖4 試驗(yàn)件B03在不同能量下沖擊損傷典型圖

在完成低速沖擊試驗(yàn)后，采用超聲C掃描對試樣損傷的深度和直徑進(jìn)行測試。圖5、圖6是B03在不同能量下沖擊損傷深度和損傷面直徑的超聲C掃結(jié)果，表2、表3 分別為各組試件在不通沖擊能量下沖擊損傷區(qū)域深度和表面損傷直徑的數(shù)據(jù)，可知各組試驗(yàn)件在不同沖擊能量下沖擊損傷區(qū)域深度與面積的變化規(guī)律相同，隨著沖擊能量的增大，試驗(yàn)件沖擊損傷區(qū)域深度與損傷直徑均逐漸增大。

圖5 試件B03在不同沖擊能量的深度電鏡C掃典型圖

圖6 試件B03在不同沖擊能量下面直徑損傷的電鏡C掃典型圖

2.2 鋪層順序的影響

圖7、圖8分別為沖擊能量對不同鋪層順序試件沖擊深度和表面直徑的影響，由表2和圖7的試驗(yàn)結(jié)果可知，在沖擊能量相同的情況下，B02和B03組的受沖擊深度最大，在21.17J時分別為3.04、3.72 mm，B01、B04組試樣的受沖擊深度最小，在21.17J時分別為1.51、1.57 mm。隨著沖擊能量的增加，B03、B02、B04相繼完成貫穿，B01增長相對緩慢，在42.34J時為2.21 mm。由表3、圖8的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)受到能量較低的沖擊時，B02組試樣損傷面直徑最大，在10.58J時為10 800 μm，是B01、B03、B04組試件的1.5倍以上。隨著沖擊能量的增加，B01、B02增長速度較快，B03、B04增長速度緩慢，在42.34J時B01、B02直徑損傷較大，分別為14 800、16 801 μm；B03、B04較小，分別為12 302、11 300 μm，可以發(fā)現(xiàn)鋪層順序?qū)υ嚰箾_擊能力有很大的影響。

表2 各個試件的深度損傷

表3 各個試件的表面的直徑損傷

對比圖7、圖8中B03和B04發(fā)現(xiàn)，在相同沖擊能量下B04的損傷更??；在沖擊能量不超過21.71J時，兩種鋪層順序的夾芯試驗(yàn)件沒有出現(xiàn)明顯的損傷；當(dāng)沖擊能量達(dá)到31.75J之后，B03的鋪層結(jié)構(gòu)夾芯試驗(yàn)件抗沖擊載荷能力明顯下降，B04的抗沖擊性更好；研究發(fā)現(xiàn)，增加±45°層數(shù)比例的鋪層結(jié)構(gòu)可以提高夾芯試件的抗沖擊性能。在碳纖維編織布層數(shù)不同的情況下，對比試件B01與試件B03、B04，在相同沖擊能量下B01的深度損傷更小，在42.34J時仍未穿透，但損傷面的損傷直徑為三者最大，為14 800 μm。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同沖擊能量下，夾芯試驗(yàn)件碳纖維布排布層數(shù)越多，深度損傷程度越大，損傷面直徑越小。這是因?yàn)榫幙棽间亴拥脑嚇用恳粚拥睦w維相互交織排布，存在交織點(diǎn)，所以抗分層能力隨纖維排布增多而增強(qiáng)。當(dāng)沖擊能量增大到42.34J時，B03、B04深度損傷程度較大，試件被完全穿透，但由于更多纖維互相交錯，有效地抑制了裂紋向更大范圍擴(kuò)展，沖擊能量集中在沖擊點(diǎn)附近，深度方向造成嚴(yán)重的局部損傷，所以損傷面的直徑比B01小得多。與之相比B01缺少更多的纖維排布，損傷的形式主要是分層，沿厚度方向的纖維斷裂較少[13-16]。

圖7 沖擊能量對不同鋪層順序試件沖擊深度的影響

圖8 沖擊能量對不同鋪層順序試件表面直徑損傷的影響

對比B02與B01、B03、B04表面的直徑損傷數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試件B02表面損傷形狀不規(guī)則，其他對稱鋪層的試件表面損傷形狀更趨近于圓形。在受到不同能量沖擊后，B01、B03、B04組試樣損傷面積均小于B02組。因此采用對稱鋪層的面板結(jié)構(gòu)設(shè)計會提高泡沫夾芯的抗沖擊能力。因?yàn)榉菍ΨQ鋪層在固化過程中，層壓板層間熱膨脹系數(shù)不匹配，在熱應(yīng)力的作用下，矩形的夾芯板會變形為拱形[17]，試件表面的直徑損傷會更嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文通過對不同鋪層的碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯試件的抗低速沖擊性能研究，在4種沖擊能量下進(jìn)行沖擊，并結(jié)合超聲C掃描對沖擊損傷區(qū)域的掃描結(jié)果得到如下結(jié)論：

(1)泡沫芯夾芯結(jié)構(gòu)損傷面直徑和深度隨沖擊能量的增加而增加，但沖擊達(dá)到一定程度后會趨于飽和；

(2)在碳纖維編織布層數(shù)相同的情況下，在鋪層結(jié)構(gòu)中增加±45°鋪層比例，能夠提高夾芯試驗(yàn)件的抗沖擊性；

(3)在相同能量下，夾芯試驗(yàn)件碳纖維布排布層數(shù)越多，深度損傷程度越大，損傷面直徑越小，試驗(yàn)件的抗分層能力隨纖維排布增多而增強(qiáng)；

(4)夾芯試驗(yàn)件在非對稱鋪層順序下會大大降低抗沖擊性能。