復(fù)合材料整體成型過程分層缺陷動(dòng)態(tài)擴(kuò)展研究

王雪明， 謝富原

(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 復(fù)合材料檢測技術(shù)中心，北京 101300；2.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)而在航空航天等軍用領(lǐng)域和交通、體育、風(fēng)電等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料常常在制造過程中因?yàn)榭諝?、揮發(fā)份、夾雜以及使用過程中受到的鳥撞、冰雹等各類沖擊而造成層間分層缺陷/損傷。分層缺陷/損傷的存在對復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度和承載能力帶來極大的影響，常常因?yàn)榍鷮?dǎo)致分層擴(kuò)展發(fā)生破壞。因此，關(guān)于分層缺陷/損傷的成因、機(jī)理及其對力學(xué)性能的影響長期以來一直是復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-10]。但已有的研究多數(shù)關(guān)注于復(fù)合材料在使用過程中的分層損傷問題，而對制造過程中分層缺陷研究相對較少。筆者前期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)分層缺陷是復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中出現(xiàn)比例最高的一種缺陷[11-12]，利用概率分析方法和群子理論模型，對不同構(gòu)形復(fù)合材料構(gòu)件分層缺陷進(jìn)行了評價(jià)[13-15]，并采用4種不同預(yù)埋材料模擬分層缺陷[16]。因此，復(fù)合材料制造過程中分層缺陷的機(jī)理分析、表征方法以及質(zhì)量控制值得業(yè)內(nèi)關(guān)注。

對于復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)，往往根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和成型質(zhì)量要求而選擇共固化(兩個(gè)或多個(gè)元件均未固化，組裝一起后固化成型)、膠接共固化(兩個(gè)或多個(gè)元件，有的已固化，有的未固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)、二次膠接(兩個(gè)或多個(gè)元件均已固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)等熱壓罐整體成型工藝以及液體成型工藝。對于復(fù)雜的復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)，在熱壓罐膠接共固化和二次膠接工藝中，需要進(jìn)行多次進(jìn)罐、固化處理。在這個(gè)過程中，有可能因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因素和成型過程中的溫度場和壓力場等因素對已固化層板中存在的原有缺陷產(chǎn)生影響使其擴(kuò)展而導(dǎo)致制件報(bào)廢。但目前關(guān)于分層缺陷在成型過程中擴(kuò)展的相關(guān)報(bào)道較少。因此，研究分層缺陷的擴(kuò)展問題對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尤其是整體化結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

筆者前期研究發(fā)現(xiàn)隔離紙實(shí)驗(yàn)?zāi)M分層與實(shí)際分層缺陷最為類似[16]。本文采用預(yù)埋隔離紙模擬分層缺陷，研究其分層擴(kuò)展行為，對分層擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，考察了熱循環(huán)對T300/QY8911復(fù)合材料層合板界面性能的影響，研究了裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴(kuò)展的影響，研究結(jié)果對優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制復(fù)合材料整體成型質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1) 實(shí)驗(yàn)材料。

① T300/QY8911熱熔法預(yù)浸料，含膠量32wt%，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；

② 輔助材料(四氟布、可剝布、A4000、Airpad橡膠、密封膠條、透氣氈)，美國Airtech公司。

(2) 儀器設(shè)備。

① 熱失重分析儀，STA 449C，德國耐馳公司；

② Sisc IAS圖像采集系統(tǒng)，北京中科科儀計(jì)算技術(shù)有限責(zé)任公司；

③ CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力10 kN，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司。

(3) 實(shí)驗(yàn)方法。

① 含分層缺陷層合板預(yù)制：層合板固化成型前，鋪疊過程中在特定位置預(yù)埋入隔離紙(即預(yù)浸料用離型紙)來模擬分層缺陷，鋪層方式為[45/-45[0/90/45/-45]s]s，夾雜材料放置在第7、第8層的+45/-45間，層板大小為：200 mm×150 mm。固化工藝制度為：從室溫升溫并抽真空→105～115 ℃，保溫10min后加壓0.6 MPa→185 ℃，保溫2 h→195 ℃，保溫4 h→70 ℃，降壓并停真空；升溫速率為1.5 ℃/min。

② 層間剪切強(qiáng)度測試：標(biāo)準(zhǔn)GB3357-82進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 分層動(dòng)態(tài)擴(kuò)展現(xiàn)象分析

從筆者已有研究發(fā)現(xiàn)[16-18]，復(fù)合材料層合板在整體成型工藝過程中出現(xiàn)的分層擴(kuò)展與整體成型溫度密切相關(guān)，分層擴(kuò)展隨著整體成型溫度升高而增大；分層擴(kuò)展到一定程度而停止擴(kuò)展，提高后處理溫度而繼續(xù)擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到層板邊緣而不再擴(kuò)展(見圖1)；不同夾雜材料模擬分層與制造分層有所不同，引入隔離紙模擬的分層與制造分層最為類似；分層擴(kuò)展因分層類型不同而有所不同，隔離紙模擬的分層最易發(fā)生擴(kuò)展。

圖1 夾雜分層擴(kuò)展路徑

2.2 分層擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

復(fù)合材料層合板受外力沖擊易產(chǎn)生分層損傷，且在外力作用下發(fā)生擴(kuò)展，而復(fù)合材料在熱壓罐整體成型過程中原有分層缺陷有時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，分層缺陷根據(jù)成因又可分為夾雜分層、氣孔分層、脫粘分層、應(yīng)力分層等。本文從低分子物質(zhì)膨脹、氣泡壓力、殘余應(yīng)力三方面對分層缺陷在整體成型過程中擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。

2.2.1 低分子物質(zhì)膨脹

復(fù)合材料在人工鋪疊過程中由于夾雜不同材料而形成夾雜分層，其中以夾雜隔離紙和四氟布最為常見，本文對T300/QY8911層合板內(nèi)這兩種夾雜材料在整體成型工藝中因高溫是否產(chǎn)生小分子物質(zhì)進(jìn)行了熱失重分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 夾雜材料熱失重結(jié)果

由圖2可見，隔離紙與四氟布的熱失重歷程幾乎完全相同，分別在107 ℃和96 ℃產(chǎn)生了拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前均失重2%左右，之后質(zhì)量保持率較高且變化不大。隔離紙和四氟布的失重拐點(diǎn)均接近水的沸點(diǎn)，因此可以認(rèn)為拐點(diǎn)之前的失重均是夾雜材料表面吸附水分失重的結(jié)果。由于隔離紙的大部分成份為纖維素，而纖維素在240 ℃下質(zhì)量的損失較少[19]，因此可以認(rèn)為隔離紙?jiān)?40 ℃以下不會(huì)因熱降解而產(chǎn)生小分子物質(zhì)(H2O、CO、CO2)。此外，夾雜材料上吸附的水分通常在層合板成型過程中樹脂凝膠前通過加壓溶于樹脂或通過樹脂流動(dòng)而消除，所以，層板內(nèi)所形成的夾雜分層不會(huì)因低分子高溫下膨脹而發(fā)生擴(kuò)展。

已制備層合板在存放過程中可能會(huì)吸濕，已有缺陷中就會(huì)有水分，高溫下水分會(huì)轉(zhuǎn)化成水蒸汽。假設(shè)：蒸發(fā)熱ΔHV恒定，且蒸汽為理想氣體。根據(jù)Clausius-Clapeyron方程，孔穴中水蒸汽的壓力由溫度決定[20]。

(1)

則蒸汽壓力與溫度的關(guān)系如下：

(2)

(3)

當(dāng)整體成型工藝中的最高溫度為473 K時(shí)，可得最大蒸汽壓力為1.567 MPa，相對于層合板的界面強(qiáng)度和基體強(qiáng)度小很多，所以復(fù)合材料層合板在整體成型過程中的分層擴(kuò)展不會(huì)因低分子物質(zhì)膨脹而擴(kuò)展。

2.2.2 氣泡壓力

對于由較大氣孔引起的分層，由孔隙形成理論模型可知[21]，如果某一溫度下樹脂壓力大于氣泡壓力，則氣泡不會(huì)產(chǎn)生或已產(chǎn)生的氣泡可以溶解；若樹脂壓力小于氣泡壓力，則氣泡將會(huì)產(chǎn)生，并且溫度越高所需的氣泡壓力越大；若氣泡產(chǎn)生后，隨著樹脂的凝膠，樹脂壓力增大，當(dāng)樹脂壓力與氣泡壓力達(dá)到平衡后，氣泡停止生長。對于T300/QY8911體系加壓點(diǎn)(110 ℃)的壓力為0.6 MPa，由于樹脂壓力小于外壓0.6 MPa，所以樹脂凝膠后氣孔內(nèi)的氣體壓力也小于0.6 MPa。假設(shè)氣孔內(nèi)氣體為理想氣體，初始溫度為20 ℃，氣體壓力為0.6 MPa(實(shí)際要小于0.6 MPa)，氣孔體積為V0，當(dāng)層合板再次升溫加熱到205 ℃時(shí)，假設(shè)氣體體積不變?nèi)詾閂0，而此時(shí)氣體壓力應(yīng)為0.98 MPa?？梢?，氣泡壓力相對于層合板的界面強(qiáng)度和基體強(qiáng)度較小，所以復(fù)合材料層合板在整體成型過程中的分層擴(kuò)展不會(huì)因氣泡壓力增大而擴(kuò)展。

2.2.3 殘余應(yīng)力

復(fù)合材料作為一種由兩種及兩種以上材料組成的材料，在經(jīng)過高溫固化成型然后降到室溫后，由于樹脂與基體、層合板各層間熱物理特性不匹配，必然會(huì)在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力主要是在層合板固化成型過程中形成的，而層合板不均勻受熱后也會(huì)對殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。復(fù)合材料的殘余應(yīng)力可以分為基體與纖維間的細(xì)觀殘余應(yīng)力和層間的宏觀殘余應(yīng)力[22]。對于含有分層缺陷的層合板，在整體成型工藝中重復(fù)經(jīng)歷熱歷程后，不均勻溫度場或“過熱”均會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而有可能在分層缺陷的非連續(xù)區(qū)產(chǎn)生裂紋引起擴(kuò)展。復(fù)合材料大型整體化結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力在熱壓罐成型過程中對成型質(zhì)量的影響尤為突出，這需要在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免出現(xiàn)非對稱、非等厚、小曲率半徑等結(jié)構(gòu)形式[23]，在成型工藝中降低非均勻溫度場帶來的影響。

2.3 熱循環(huán)對T300/QY8911層合板界面性能的影響

分層缺陷在整體成型過程中發(fā)生擴(kuò)展現(xiàn)象除了與層合板殘余應(yīng)力有關(guān)外，還與材料特性密切相關(guān)。筆者研究發(fā)現(xiàn)，T300/QY8911層合板分層擴(kuò)展沿著層間開裂，斷面內(nèi)存在基體斷裂和基體/纖維界面脫粘兩種破壞模式[17]。因此，與分層擴(kuò)展相關(guān)的材料特性主要包括兩方面：① 復(fù)合材料臨界的應(yīng)變能釋放率Gc(Gc的大小與層間斷裂韌性相關(guān))；② 基體與纖維的界面性能。T300/QY8911層合板的層間斷裂韌性在文獻(xiàn)[17]中已系統(tǒng)研究，本文選擇層間剪切強(qiáng)度作為基體/纖維界面性能表征量，研究熱循環(huán)對T300/QY8911層合板界面性能的影響。

本文對比了T300/QY8911一次固化成型層合板(見圖3中的a)、固化成型后分別經(jīng)歷一次185 ℃(見圖3中的b)、205 ℃(見圖3中的c)、220 ℃(見圖3中的d)、235 ℃(見圖3中的e)處理，以及先后經(jīng)歷4個(gè)溫度循環(huán)(185 ℃、205 ℃、220 ℃、235 ℃,見圖3中的f)處理后層合板的層間剪切強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱循環(huán)對T300/QY8911層合板層間剪切強(qiáng)度的影響

由圖3可見，與未經(jīng)歷熱循環(huán)的完好層合板相比，經(jīng)歷一次熱循環(huán)后T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度逐步降低，但降低幅度不大，經(jīng)歷235 ℃處理后層合板(見圖3中的e)的層間剪切強(qiáng)度下降了7.4%；隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多，T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度下降程度加劇，經(jīng)歷4次不同溫度熱循環(huán)后,T300/QY8911層合板(見圖3中的f)的層間剪切強(qiáng)度下降了13.8%。因此，提高熱循環(huán)溫度和熱循環(huán)次數(shù)會(huì)增大分層缺陷擴(kuò)展的概率。

2.4 裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴(kuò)展的影響

本文采用ABAQUS有限元程序，在含分層缺陷層合板最大應(yīng)力的層間處加入無厚度的界面單元，計(jì)算分析了不同裂紋長度裂紋尖端的能量釋放率Gc，并以不同溫度下發(fā)生分層擴(kuò)展的臨近部位的層間剪切性能來表征裂紋尖端界面性能，以考察裂紋尖端能量釋放率與界面性能對分層擴(kuò)展的影響，結(jié)果如圖4與圖5所示。

由圖4可見，隨著裂紋長度的增加，裂紋尖端的能量釋放率Gc下降很快，這說明隨著裂紋長度的增加，裂紋擴(kuò)展的能量釋放率降低，不會(huì)出現(xiàn)裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。而圖5表明不同溫度擴(kuò)展后的層間剪切強(qiáng)度相當(dāng)。因此可以推斷：在易發(fā)生分層擴(kuò)展的溫度制度下，分層擴(kuò)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程：在降溫過程中，隨著殘余應(yīng)力的增大，界面性能的增大，裂紋逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力得到釋放，能量釋放率降低，當(dāng)能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時(shí)擴(kuò)展停止；待再提高后處理溫度經(jīng)歷一次熱歷程后，界面性能繼續(xù)降低，則裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到邊緣后應(yīng)力得到徹底釋放而停止。

圖4 裂紋尖端能量釋放率隨裂紋長度的變化圖

圖5 T300/QY8911層合板裂紋尖端層間剪切強(qiáng)度

3 結(jié)論

① T300/QY8911復(fù)合材料層合板整體成型過程中發(fā)生分層缺陷擴(kuò)展主要與熱殘余應(yīng)力密切相關(guān)，與低分子物質(zhì)膨脹和氣泡壓力關(guān)系不大。

② 增加熱循環(huán)次數(shù)會(huì)顯著降低T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度，經(jīng)歷4次不同溫度熱循環(huán)后，T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度下降了13.8%。提高熱循環(huán)溫度和熱循環(huán)次數(shù)會(huì)增大分層缺陷擴(kuò)展的概率。

③ T300/QY8911復(fù)合材料層合板整體成型過程中的分層擴(kuò)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程：在降溫過程中，隨著殘余應(yīng)力的增大，裂紋逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力得到釋放，能量釋放率降低，當(dāng)能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時(shí)擴(kuò)展停止；待再提高后處理溫度經(jīng)歷一次熱歷程后，界面性能繼續(xù)降低，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到邊緣后應(yīng)力得到徹底釋放而停止。