分層缺陷深度對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響

史耀輝,莊 純,王樹宏,盛 濤,劉圖遠(yuǎn)

(1.上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)中心,上海 201112)

隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)于航天用復(fù)合材料的性能要求在不斷提高。復(fù)合材料層合板在制造過程中常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部分層(即分層缺陷)。分層缺陷作為復(fù)合材料的常見損傷形式，影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，直接關(guān)系著復(fù)合材料的使用，因此對(duì)復(fù)合材料層合板分層缺陷的研究至關(guān)重要[1-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料層合板的分層缺陷做了大量研究[6-9]。王雪明等[10]總結(jié)了分層缺陷的種類，并分析了其產(chǎn)生原因，開展了分層缺陷試驗(yàn)?zāi)M方法的研究，發(fā)現(xiàn)埋入防黏紙產(chǎn)生的分層最適宜模擬分層缺陷。ALAYDIN等[11]采用Kirchhoff-Love殼理論與各向異性彈塑性損傷相結(jié)合的方法，模擬了復(fù)合材料各層的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)這些層在界面處連接，可用于表示分層的混合模式內(nèi)聚損傷模型。目前，關(guān)于分層缺陷深度對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能影響的研究較少，為此，筆者選取圓形分層缺陷(直徑為19 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了分層缺陷深度與復(fù)合材料層合板力學(xué)性能之間的關(guān)系，以提高復(fù)合材料產(chǎn)品的合格率。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

《碳纖維復(fù)合材料層合板和層合件通用規(guī)范》要求分層缺陷C級(jí)探傷(一般區(qū)域質(zhì)量等級(jí))的分層區(qū)域不大于19 mm(直徑)，因此選取圓形分層缺陷(直徑為19 mm)進(jìn)行試驗(yàn)。為去除鋪層角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將層合板鋪層設(shè)計(jì)為0°方向14層，板厚為2.5 mm。

層合板為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，拉伸、壓縮試驗(yàn)時(shí)，層合板受力和約束均對(duì)稱，層合板中心對(duì)稱位置的分層缺陷對(duì)拉伸、壓縮試驗(yàn)結(jié)果的影響一致，因此將壓縮及拉伸試樣分為7組，各組試樣的分層缺陷分別位于層合板2～8層相鄰的兩層間；彎曲試驗(yàn)時(shí)，層合板沿對(duì)稱面分為受壓一側(cè)和手拉一側(cè)，試樣兩側(cè)受力狀況不同，不可對(duì)稱簡化，因此彎曲試樣分為14組，各組試樣的分層缺陷分別位于層合板2～13層相鄰的兩層間。壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)的試樣尺寸如圖1所示。

圖1 壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)的試樣尺寸示意

層合板實(shí)際鋪層以及分層缺陷預(yù)置方式如圖2所示，沿板件長邊0°方向?qū)⑻祭w維預(yù)浸料逐層鋪設(shè)于板上，根據(jù)分層缺陷的放置要求，在分層缺陷處放置直徑為19 mm的圓形聚四氟乙烯薄膜，并在鋪層最外側(cè)標(biāo)記分層缺陷的具體位置(見圖2虛線處)。

圖2 層合板實(shí)際鋪層以及分層缺陷預(yù)置方式示意

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的壓力機(jī)可更換不同夾具，以滿足壓縮、拉伸和彎曲的試驗(yàn)條件，壓縮、拉伸和彎曲的試驗(yàn)過程如圖3所示。由圖3可知：壓縮試驗(yàn)時(shí)，為避免偏心壓縮，將上、下壓塊通過導(dǎo)軌連接；拉伸試樣通過氣動(dòng)夾具與試驗(yàn)機(jī)連接，在試樣夾緊后先預(yù)加載，確保無誤后再加載拉力；彎曲試驗(yàn)為3點(diǎn)彎曲。

圖3 壓縮、拉伸和彎曲的試驗(yàn)過程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知：在到達(dá)極限載荷后，壓縮試樣瞬間被壓潰；在破壞時(shí)，拉伸試樣纖維整體崩斷并散開；在接近破壞時(shí)，彎曲試樣受拉一側(cè)的纖維斷裂，持續(xù)加大載荷，試樣的彎曲撓度突然增大，并發(fā)生彎曲破壞。

圖4 壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌

2.2 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：分層缺陷在試樣的2～4層相鄰的兩層間(即分層缺陷深度小于板厚的1/4)時(shí)，分層缺陷的深度是影響層合板抗壓強(qiáng)度的主要因素，層合板抗壓強(qiáng)度隨分層缺陷深度的增加而減??；當(dāng)分層缺陷深度為板厚的1/4(層合板中性面)時(shí)，層合板的抗壓強(qiáng)度最小，約為無分層缺陷層合板(正常試樣)抗壓強(qiáng)度的44%；分層缺陷在試樣的4～7層相鄰的兩層間(即分層缺陷深度大于板厚的1/4)時(shí)，分層缺陷深度對(duì)層合板的抗壓強(qiáng)度影響較小，分層缺陷試樣的抗壓強(qiáng)度不小于正常試樣抗壓強(qiáng)度的75%。

圖5 分層缺陷深度與層合板抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：分層缺陷試樣與正常試樣的抗拉強(qiáng)度比均大于75%，說明分層缺陷深度對(duì)層合板的抗拉強(qiáng)度無明顯影響。

圖6 分層缺陷深度與層合板抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

2.4 對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)分層缺陷位于層合板受拉一側(cè)(正向彎曲)或受壓一側(cè)(反向彎曲)時(shí)，分層缺陷深度對(duì)試樣的抗彎強(qiáng)度影響有著相似的規(guī)律；當(dāng)分層缺陷位于層合板中性面時(shí)，缺陷對(duì)層合板的抗彎強(qiáng)度幾乎無影響；當(dāng)分層缺陷的深度小于板厚的1/4時(shí)，正向彎曲比反向彎曲的抗彎強(qiáng)度大約11%；當(dāng)分層缺陷的深度大于板厚的1/4時(shí)，彎曲狀態(tài)對(duì)層合板的抗彎強(qiáng)度無明顯影響，正向彎曲時(shí)最多可使層合板的抗彎強(qiáng)度減少28%，反向彎曲時(shí)最多可使層合板的抗彎強(qiáng)度減少50%。

圖7 分層缺陷深度與層合板抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

3 綜合分析

當(dāng)分層缺陷靠近層合板的外表面時(shí)，分層缺陷與層合板表面間形成了一個(gè)較薄的板狀結(jié)構(gòu)，層合板易發(fā)生局部屈曲，層合板的有效承載面積減小，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的承壓載荷減小；當(dāng)分層缺陷靠近層合板的中性面時(shí)，分層缺陷與層合板表面間形成的薄板厚度較大，局部屈曲后層合板的整體承載面積減??；隨著分層缺陷與層合板表面間形成的薄板厚度不斷增大，整個(gè)板出現(xiàn)局部屈曲所需的載荷變大，當(dāng)出現(xiàn)局部屈曲所需載荷接近層合板整體破壞的載荷時(shí)，層合板無局部屈曲，直接發(fā)生破壞，此時(shí)分層缺陷試樣的抗壓強(qiáng)度接近正常試樣的抗壓強(qiáng)度。受拉伸載荷時(shí)，層合板全程無局部屈曲現(xiàn)象，因此分層缺陷對(duì)層合板的抗拉強(qiáng)度影響較小。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)分層缺陷區(qū)域直徑為19 mm，且深度大于板厚的1/4時(shí)，分層缺陷對(duì)層合板的力學(xué)性能影響不大。

(2) 當(dāng)分層缺陷區(qū)域直徑為19 mm，且深度小于板厚的1/4時(shí)，層合板應(yīng)避免受到壓縮載荷。