復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊損傷研究

魏程 王威力 吳偉萍 賈雪 羅世文

摘? 要? 對玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速沖擊試驗，通過掃描電鏡（SEM）和超聲無損探傷等方法對損傷情況進(jìn)行了檢測，并對損傷機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)在受到低速沖擊時，沖擊能量使樹脂基體中出現(xiàn)大量孔洞，凹陷變形量大。玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時，沖擊能量首先對纖維和樹脂的界面造成破壞，沖擊能量在纖維脫出過程中被吸收，樹脂中形成的孔洞數(shù)量相對較少，材料凹陷變形量小。

關(guān)鍵詞? 碳纖維；玻璃纖維；復(fù)合材料；夾層結(jié)構(gòu)；低速沖擊

ABSTRACT? The low-speed impact test was conducted on high-performance glass / carbon composite / foam structure and carbon composite / foam structure. Then damage mechanism which was analyzed by the results of SEM and ultrasonic NDT shows that impact energy on carbon composite is absorbed by resin， then fiber is damaged ，and large deformation amount is formed while foam provides deformation space during low-speed impact. Impact energy on glass/carbon composite affects the interface of fiber and resin while fiber is taken out， while compactness of resin shapes small deformation amount of composite.

KEYWORDS? carbon fiber; fiberglass; composites; laminated structures; low-speed impact

1 引言

高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空航天、軌道交通、電子機(jī)械等領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用[1-3]，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料/硬質(zhì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)是一種較常見的形式[4]。在夾層結(jié)構(gòu)的使用過程中，材料可能受到冰雹、意外撞擊等動態(tài)荷載沖擊，當(dāng)沖擊能量值超出材料彈性形變所能吸收的閾值時，復(fù)合材料會產(chǎn)生層間分層、基體開裂、纖維脫出及纖維斷裂等損傷，對局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響[5-7]。因此，國內(nèi)外已大量開展關(guān)于沖擊損傷對復(fù)合材料性能影響的研究。孫宇杰等研究了泡沫鋁夾芯板在低速沖擊過程中的損傷情況，并利用ABAQUS軟件建立了低速沖擊過程的數(shù)值模型 [8]。徐崢等采用超聲C掃描檢測了碳纖維復(fù)合材料層板的沖擊損傷情況，并確定損傷尺寸是描述損傷狀態(tài)的最佳參數(shù)[9]。田媛、劉星宇等分別對復(fù)合材料的沖擊損傷進(jìn)行了有限元分析[10，11]。張超、李念、Can Cui等分別對復(fù)合材料的損傷機(jī)理進(jìn)行了分析[12-14]。

從微觀結(jié)構(gòu)變化方面著手，對復(fù)合材料/泡沫夾層結(jié)構(gòu)沖擊后的材料損傷情況及損傷機(jī)理進(jìn)行分析，可為復(fù)合材料沖擊損傷的損傷容限研究提供依據(jù)。

2 試件制備

2.1 原材料

玻璃纖維：SC-1200，中材科技股份有限公司；碳纖維：SYT49S，中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司；硬質(zhì)泡沫：聚氨酯，宇達(dá)聚氨酯制品有限公司。

2.2 試件結(jié)構(gòu)和尺寸

試件為復(fù)合材料層合板和聚氨酯硬質(zhì)泡沫雙層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料層合板以碳纖維（CF）和高強(qiáng)玻璃纖維（GF）為增強(qiáng)項，按照表1所示鋪層順序，鋪放固化后，將復(fù)合材料層合板與聚氨酯硬質(zhì)泡沫平板粘接，形成尺寸為50mm×100mm×54mm的夾層結(jié)構(gòu)。

3 試驗過程

低速沖擊試驗參照《GB/T14153-1993 硬質(zhì)塑料落錘沖擊試驗方法》進(jìn)行，落錘為鋼制錐形結(jié)構(gòu)，錘頭直徑10mm，沖擊能量值為8J，16J和24J，不同的沖擊能量值通過調(diào)節(jié)錘頭高度進(jìn)行設(shè)定。沖擊后，采用380N型超聲掃描儀對沖擊點進(jìn)行超聲探測，采用phenom ProX飛納掃描電鏡（SEM）分析沖擊點的微觀形貌。

4試驗結(jié)果

4.1外觀目測分析

進(jìn)行沖擊試驗時，沖擊方向朝向復(fù)合材料層合板一側(cè)。復(fù)合材料/硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾層結(jié)構(gòu)在受到低速沖擊后，復(fù)合材料層合板表面首先變形，而后，能量通過復(fù)合材料層傳遞至泡沫中，泡沫損傷，具體情況如表2所示。

由表2可知，復(fù)合材料/泡沫夾層結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時，復(fù)合材料板內(nèi)部離散成為若干微層的疊合區(qū)，吸收一部分沖擊能量，剩余能量傳遞至泡沫中，使泡沫發(fā)生分子鍵斷裂，形成凹陷甚至破碎。

4.2微觀表面狀態(tài)分析

受到不同強(qiáng)度的沖擊后，目測層板的外觀除凹陷程度不同外，其余差別不大，因此，采用SEM法進(jìn)一步觀察層板表面的微觀形貌，如圖1～圖4所示。

由圖1～圖4可知，受到8J沖擊后，1#板的樹脂孔洞增加，2#板的纖維和樹脂之間的界面受到損傷，纖維局部裸露，但損傷程度較輕微。受到16J沖擊后，1#板樹脂出現(xiàn)大量孔洞，2#板樹脂出現(xiàn)少量孔洞，纖維局部脫出。受到24J沖擊后，1#、2#板都出現(xiàn)明顯損傷，1#板主要的損傷形式是樹脂基體破碎，2#板主要的損傷形式是纖維脫出。

4.3 超聲探傷

對1#板、2#板沖擊變形處進(jìn)行探傷，8J、16J和24J沖擊后的層板均無超聲回波。超聲探傷為反射法，超聲無回波說明層板內(nèi)部存在大量樹脂斷裂或界面脫粘形成的微孔缺陷，導(dǎo)致超聲聲波散射耗散，探測儀接受不到回波。

5沖擊損傷機(jī)理分析

試驗中涉及的各種材料的近程結(jié)構(gòu)特征，由化學(xué)鍵表征，如表3所示。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)特征，如表4所示。

由表3和表4可知，與樹脂中大量的C、N、O之間的單鍵相比，碳纖維中的主要官能團(tuán)為六元環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成PI鍵后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；玻璃纖維中Si-O鍵、B-O鍵、Ca-O鍵、Na-O鍵等鍵能較高。從化學(xué)鍵穩(wěn)定性的角度可知，在吸收沖擊能量時，先斷裂的是樹脂基體中鍵能較低的C、N、O之間的單鍵，后斷裂的是纖維中的各種鍵能較高的化學(xué)鍵。此外，受到?jīng)_擊時，碳纖維和玻璃纖維的微觀結(jié)構(gòu)基團(tuán)出現(xiàn)軸向位錯滑移，消耗部分能量。而樹脂和泡沫中由于高分子立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在，位阻較大，不能通過基團(tuán)的位移消耗掉外來的能量，因此當(dāng)沖擊能量在樹脂中傳遞時，樹脂和泡沫需要斷裂化學(xué)鍵來消耗沖擊能量。

結(jié)合電鏡和超聲探傷的結(jié)果可知，碳纖維是含碳量高于90%的石墨層狀結(jié)構(gòu)交錯形成的，具有較多的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，與樹脂基體的界面性能好，樹脂與纖維之間不易脫粘，因此，沖擊能量主要由樹脂基體吸收，形成大量微小孔洞，樹脂基體的疏松使得材料的變形量更大。而玻璃纖維中的微觀空隙結(jié)構(gòu)較少，與樹脂之間的界面性能主要靠硅烷偶聯(lián)劑改善，但仍低于碳纖維的界面性能。受到?jīng)_擊時，沖擊能量一部分消耗在纖維和樹脂界面的破壞過程中，纖維脫出，一部分能量由樹脂基體吸收，形成孔洞。因此，含玻璃纖維層板的變型量在宏觀上小于碳纖維層板。

6結(jié)語

綜合測試結(jié)果和機(jī)理分析，得到的如下結(jié)論：

（1）樹脂和泡沫中化學(xué)鍵鍵能較低，且高分子立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)位阻較大，不能產(chǎn)生纖維微觀結(jié)構(gòu)基團(tuán)的軸向位錯滑移，受到?jīng)_擊時只能靠化學(xué)鍵斷裂來消耗沖擊能量，在沖擊能量值較低時即產(chǎn)生孔洞或破裂。

（2）碳纖維與樹脂基體的界面性能好，沖擊能量主要由樹脂基體吸收形成微小孔洞，材料宏觀形變量大，泡沫也提供了可變形的空間。

（3）玻璃纖維復(fù)合材料受到的沖擊能量一部分由樹脂基體吸收，形成孔洞，一部分由界面處吸收，纖維脫出，材料宏觀形變量較碳纖維復(fù)合材料小。

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