沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料層壓板典型力學(xué)性能的影響

管清宇

（1．上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 功能結(jié)構(gòu)部，上海 201210；2．南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016）

玻璃纖維具有高強(qiáng)度與低成本的特性，為聚合物基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的主要材料之一[1]，在滑翔機(jī)和飛機(jī)整流裝置等次要結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。由于其適當(dāng)?shù)慕殡娦阅?，玻纖復(fù)合材料還被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)罩和天線罩[2-3]。使用情況下復(fù)合材料難免會(huì)遭受外來(lái)物沖擊，尤其是低速?zèng)_擊[4]往往造成表面不可檢或不易檢的損傷，而這些損傷的內(nèi)部卻通常有較大的分層，使復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壽命明顯降低[5-7]。另外，復(fù)合材料在制造中不可避免的出現(xiàn)孔隙，使用過(guò)程中也常常會(huì)產(chǎn)生劃痕等缺陷，含這類缺陷的復(fù)合材料力學(xué)性能通常用含開(kāi)孔的試件進(jìn)行表征。這些材料缺陷往往會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度急劇下降[8-9]，因此，研究玻纖復(fù)合材料沖擊損傷和開(kāi)孔后的力學(xué)性能有重要意義。

對(duì)于玻纖復(fù)合材料在沖擊后的損傷狀態(tài)和力學(xué)性能變化，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。丁明聰?shù)萚10]對(duì)玻纖環(huán)氧樹(shù)脂層合板低速?zèng)_擊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出了沖擊能量與凹坑深度的關(guān)系。蔡奕霖等[11]用透光描影及熱揭層方法對(duì)二維編織玻纖復(fù)合材料的沖擊損傷進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)沖擊損傷為橢圓形，損傷寬度與沖擊能量基本成線性關(guān)系，并討論了損傷寬度、面積與沖擊能量對(duì)剩余強(qiáng)度的影響。張丹丹等[12]對(duì)玻纖增強(qiáng)環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂復(fù)合材料的多軸向鋪層設(shè)計(jì)試件進(jìn)行低速?zèng)_擊、彎曲和剪切破壞性力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分析了不同鋪層方式的玻纖復(fù)合材料沖擊、彎曲和剪切載荷作用下產(chǎn)生的損傷及失效模式。Joshi等[13]對(duì)玻纖復(fù)材層壓板的沖擊損傷進(jìn)行了研究，對(duì)損傷產(chǎn)生的過(guò)程進(jìn)行了分析。Hou等[14]建立了預(yù)計(jì)復(fù)合材料的沖擊損傷的方法。Delbrey等[15]對(duì)玻纖織物復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并得出了該材料的沖擊后壓縮性能值。還有一些學(xué)者[16-19]研究了玻纖樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖擊損傷過(guò)程及剩余強(qiáng)度等問(wèn)題，但缺乏在各種典型的濕熱環(huán)境情況下對(duì)沖擊損傷對(duì)層壓板壓縮強(qiáng)度的影響進(jìn)行全面地研究。

李明等[20]研究了開(kāi)孔直徑和形狀對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，開(kāi)孔直徑越大強(qiáng)度下降幅度越大；圓形孔比其他形狀的開(kāi)口強(qiáng)度下降幅度更小。邱家波等[21]研究了開(kāi)孔玻纖乙烯基酯樹(shù)脂復(fù)合材料織物的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨開(kāi)孔增大層合板的強(qiáng)度減小，破壞模式主要為纖維斷裂。李冬梅等[22]基于剪滯理論建立了有限元模型，對(duì)帶缺口的玻璃纖維復(fù)合材料拉伸破壞行為進(jìn)行了研究，預(yù)估其破壞規(guī)律。Adams等[23]研究了缺口對(duì)玻纖復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，Chang等[24]通過(guò)研究指出了玻纖復(fù)合材料在拉伸載荷下考慮開(kāi)孔的必要性。然而，以上研究沒(méi)有全面地對(duì)比玻纖環(huán)氧復(fù)合材料在各類典型的濕熱環(huán)境下開(kāi)孔前后的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的變化。

本工作測(cè)試CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料層壓板在CTD，RTD和ETW情況下無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度、開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度、無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度、開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度和沖擊后壓縮強(qiáng)度，研究沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)該材料的拉伸和壓縮力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料與固化工藝

采用CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧織物預(yù)浸料鋪貼試板，隨后在熱壓罐中中溫固化，固化壓力約為3個(gè)大氣壓。

1.2 鋪層

表1給出了試件的鋪層代碼、鋪層數(shù)量、鋪層角度和鋪層名義厚度。試件共有4種鋪層，包括2種鋪層角度和2種鋪層厚度的組合。

表 1 試件鋪層參數(shù)Table 1 Test specimen layup definition

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

分別測(cè)試復(fù)合材料層壓板經(jīng)向和緯向在CTD，RTD和ETW三種溫度和濕度組合下的無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度、開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度、無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度、開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度和沖擊后壓縮強(qiáng)度等性能。測(cè)試方法見(jiàn)表2。

表 2 CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能測(cè)試矩陣Table 2 Test matrix of mechanical property of CYCOM 7701/7781 composite

試件吸濕方法依據(jù)FAA的研究報(bào)告[25]進(jìn)行。即將需吸濕處理的試件放入沖擊損傷和開(kāi)孔箱進(jìn)行濕態(tài)調(diào)節(jié)，使試件在70 ℃，85%相對(duì)濕度的條件下達(dá)到吸濕平衡。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

為了得出沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料層壓板典型力學(xué)性能的影響，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行正則化處理[17]，以排除局部材料纖維體積含量變化引起的性能差異。正則化處理方法如下：

式中：Vnormalized代表正則化力學(xué)性能值；Vm代表測(cè)量的力學(xué)性能值；Tm代表測(cè)量的試件的平均單層厚度；Tnominal代表材料固化后單層名義厚度。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理還包括：（1）剔除破壞模式不符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算同一力學(xué)性能數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。對(duì)拉伸或壓縮強(qiáng)度，以相應(yīng)的RTD、無(wú)缺口情況的強(qiáng)度平均值為基準(zhǔn)，分別計(jì)算另外兩種環(huán)境下無(wú)缺口強(qiáng)度和開(kāi)孔強(qiáng)度的強(qiáng)度百分比。

2.2 沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)典型力學(xué)性能的影響

2.2.1 開(kāi)孔對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

圖1分別表示在CTD，RTD和ETW三種不同環(huán)境下CYCOM 7701/7781復(fù)合材料經(jīng)向（圖1（a））和緯向（圖1（b））開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度和無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度的強(qiáng)度百分比。其中，在CTD情況下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相比無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度分別下降了48%和45%；在RTD情況下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相比無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度分別下降了51%和52%；在ETW情況下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相比無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度分別下降了55%和52%?？梢钥闯?，在CTD，RTD和ETW三種環(huán)境情況下，開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料平均拉伸強(qiáng)度均有十分不利的影響。而開(kāi)孔復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變異系數(shù)卻明顯降低。在CTD情況下，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為3.0%（無(wú)缺口材料為4.0%）和5.4%（無(wú)缺口材料為9.7%）；在RTD情況下，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為4.0%（無(wú)缺口材料為8.8%）和4.9%（無(wú)缺口材料為7.7%）；在ETW環(huán)境下，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為4.9%（無(wú)缺口材料為10%）和3.0%（無(wú)缺口材料為7.2%）。說(shuō)明在CTD，RTD和ETW三種環(huán)境下開(kāi)孔使CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分散性明顯降低。

邱家波等[21]對(duì)玻纖復(fù)合材料含開(kāi)孔大小對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，得出了開(kāi)孔越大剩余拉伸強(qiáng)度越低的結(jié)論。一些研究[20,22]也得出了拉伸方向和橫向的剛度相差越大應(yīng)力集中系數(shù)越大的結(jié)論。因此在名義應(yīng)力不變的情況下，局部的應(yīng)力集中導(dǎo)致了材料強(qiáng)度的下降。

無(wú)缺口復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度具有較高的分散性，是因?yàn)槔w維及纖維與基體界面的黏結(jié)本身具有一定的分散性，試件既有可能首先發(fā)生纖維斷裂又有可能發(fā)生界面破壞，這導(dǎo)致了試件破壞的部位及初始破壞模式不盡相同。而開(kāi)孔試件的破壞位置和破壞模式單一，為開(kāi)孔區(qū)域的應(yīng)力集中破壞。因此開(kāi)孔降低了拉伸強(qiáng)度的變異系數(shù)。

2.2.2 沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響

圖2分別為在CTD，RTD和ETW三種不同環(huán)境下CYCOM 7701/7781復(fù)合材料經(jīng)向（圖2（a））和緯向（圖2（b））開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度、沖擊后壓縮強(qiáng)度和無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度的強(qiáng)度百分比。其中，在CTD情況下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了51%和48%；在RTD情況下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了51%和45%；在ETW環(huán)境下，經(jīng)向和緯向開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了44%和47%?？梢钥闯?，在CTD，RTD和ETW三種環(huán)境下，開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料平均壓縮強(qiáng)度均有十分不利的影響。

開(kāi)孔對(duì)復(fù)合材料平均壓縮強(qiáng)度的影響與拉伸情況相似，也主要有凈截面損失和應(yīng)力集中兩個(gè)因素構(gòu)成。因?yàn)榻孛鎿p失率與拉伸強(qiáng)度試件一致，而且理論上應(yīng)力集中系數(shù)與拉伸情況也相同，因此開(kāi)孔對(duì)玻纖復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響結(jié)果與拉伸情況也非常接近，均在50%左右。另外，開(kāi)孔對(duì)不同濕熱環(huán)境情況下的壓縮強(qiáng)度影響較為一致，也可以看出玻纖環(huán)氧的壓縮強(qiáng)度主要由玻纖主導(dǎo)。

而在CTD情況下，經(jīng)向和緯向沖擊后壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了62%和50%；在RTD情況下，經(jīng)向和緯向沖擊后壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了55%和41%；在ETW情況下，經(jīng)向和緯向沖擊后壓縮強(qiáng)度相比無(wú)缺口壓縮強(qiáng)度分別下降了35%和25%?？梢钥闯?，在CTD，RTD和ETW三種環(huán)境下，沖擊損傷對(duì)CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料平均壓縮強(qiáng)度也均有十分不利的影響。

圖 2 三種典型環(huán)境情況下沖擊損傷和開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響 （a）徑向;（b）緯向Fig. 2 Effect impact damage and open hole on compressive strength of CYCOM 7701/7781 composite in three typical environment conditions （a）warp direction;（b）fill direction

Joshi等[13]研究了復(fù)合材料層壓板低能量沖擊情況，指出試件受壓時(shí)分層進(jìn)一步擴(kuò)展，直至完全開(kāi)裂。關(guān)志東等[19]研究表明，復(fù)合材料件受壓時(shí)分層區(qū)域會(huì)發(fā)生屈曲，促使分層進(jìn)一步擴(kuò)展，使試件提前發(fā)生破壞。因此不難理解玻纖復(fù)合材料在沖擊后壓縮強(qiáng)度明顯下降。

另外，由于在高溫濕態(tài)情況下水分子侵入樹(shù)脂基體，導(dǎo)致樹(shù)脂和纖維/基體界面性能退化[26-28]。水分子的侵入也會(huì)一定程度上降低纖維表面能，而且從聚合物中溶出的組分可能是纖維表面形成酸性的或堿性的狀態(tài)[9]。同時(shí)，溫度升高還會(huì)直接破壞樹(shù)脂基體的分子鏈[29]，使基體與纖維的黏結(jié)能力下降，從而降低復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度。除此以外，溫度升高和水分侵入分別造成了纖維和基體的不均勻膨脹，而玻璃纖維和樹(shù)脂基體的熱膨脹和濕膨脹的差異引起了復(fù)合材料的內(nèi)應(yīng)力。沖擊后壓縮強(qiáng)度的失效模式與無(wú)缺口的失效模式不同，主要由分層處的屈曲引起并進(jìn)一步擴(kuò)展使試件最終斷裂，而局部的屈曲由復(fù)合材料的剛度決定，復(fù)合材料的剛度在高溫濕熱環(huán)境下的下降不明顯，因此沖擊后壓縮強(qiáng)度的下降也不明顯。這一點(diǎn)可以解釋在ETW情況下無(wú)缺口試件和開(kāi)孔試件壓縮強(qiáng)度下降明顯，而沖擊后壓縮強(qiáng)度反而下降不十分明顯。

此外，由圖2還可以看出開(kāi)孔復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度變異系數(shù)也有所降低。在CTD情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為4.9%（無(wú)缺口材料為5.8%）和4.2%（無(wú)缺口材料為6.4%）；在RTD情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為4.7%（無(wú)缺口材料為6.1%）和3.2%（無(wú)缺口材料為5.8%）；在ETW情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度變異系數(shù)分別降為6.6%（無(wú)缺口材料為8.8%）和6.1%（無(wú)缺口材料為6.9%）。說(shuō)明在CTD，RTD和ETW三種環(huán)境下開(kāi)孔使CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度分散性明顯降低。沖擊后復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度變異系數(shù)也沒(méi)有明顯改善，甚至反而比無(wú)缺口試件的分散性更大。

開(kāi)口降低玻纖復(fù)合材料的變異系數(shù)的原因與拉伸情況相似，也是由于破壞位置與破壞模式一致，減少了破壞模式引入分散性。而沖擊后試件的分層情況復(fù)雜，纖維的斷裂和基體開(kāi)裂的情況也不盡相同，從而為壓縮強(qiáng)度引入了額外的分散性。

3 結(jié)論

（1）開(kāi)孔使CYCOM 7701/7781復(fù)合材料層壓板的平均拉伸強(qiáng)度下降和分散性降低。其中在CTD，RTD和ETW情況下，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度均降低了50%左右。

（2）開(kāi)孔使CYCOM 7701/7781復(fù)合材料層壓板的平均壓縮強(qiáng)度下降和分散性降低。在CTD，RTD和ETW環(huán)境下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度降低了44%～51%，其中CTD情況下的影響比RTD和ETW情況稍微嚴(yán)重一些。

（3）沖擊損傷使CYCOM 7701/7781復(fù)合材料層壓板的平均壓縮強(qiáng)度下降和分散性降低。在CTD情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度降低了62%和50%。在RTD情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度降低了55%和41%。在ETW情況下，經(jīng)向和緯向壓縮強(qiáng)度降低了35%和25%。

（4）在ETW情況下，開(kāi)孔對(duì)CYCOM 7701/7781復(fù)合材料層壓板的壓縮強(qiáng)度影響超過(guò)沖擊損傷對(duì)其影響。即在ETW情況下，CYCOM 7701/7781復(fù)合材料層壓板的壓縮強(qiáng)度由開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度控制，而不是由沖擊后壓縮強(qiáng)度控制。