熱壓罐成型典型制造缺陷對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響研究*

戎笑遠，潘利劍，岳廣全，劉 佳，劉衛(wèi)平，，王安威

（1. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；2. 東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 201620；3. 中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料 （Carbon fibre reinforced plastics， CFRP）由于具有優(yōu)秀的綜合性能[1–2]，不僅在風(fēng)電葉片、汽車結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用，還受到了航空制造業(yè)的青睞[3–5]。在諸多CFRP 成型工藝中，熱壓罐成型是一種發(fā)展較為成熟、工藝較為完善的方法。然而在鋪貼和熱壓罐成型過程中，很容易將褶皺、分層等缺陷帶入到CFRP 復(fù)合材料預(yù)浸料中，有很多學(xué)者曾對缺陷的影響展開研究。

張韜[6]研究了褶皺高寬比對CFRP 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著褶皺數(shù)量和高寬比的增加，CFRP復(fù)合材料的壓縮性能會顯著下降；Xie 等[7]通過表征缺陷尺寸的各個參數(shù)來預(yù)測平坦的預(yù)浸料層合板的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)褶皺會對復(fù)合材料的壓縮性能產(chǎn)生較大的影響，在加載方向上起皺角的大小是其壓縮強度的主要影響因素；張婷等[8]制備了具有不同褶皺角和褶皺層數(shù)的試驗件，使用光學(xué)顯微鏡對褶皺件的起皺角進行測量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板的拉伸強度和壓縮強度都會隨著褶皺角的增大而產(chǎn)生明顯下降，且壓縮強度下降的幅度更大；Thor 等[9]利用數(shù)字圖像相關(guān)法 （DIC）來分析每個試驗階段的應(yīng)變等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著層壓板厚度的增加，帶有面外褶皺的復(fù)合材料的失效形式由分層轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g剪切失效，且面外褶皺的振幅和層合板的厚度都會對其力學(xué)性能造成非常大的影響；Nie 等[10]通過使用高速X 射線相對比成像方法記錄在拉伸加載過程中材料中的分層和隨后的擴展，并發(fā)現(xiàn)在縱向樣品上具有剪切斷裂和軸向分裂的現(xiàn)象，而在橫向樣品上發(fā)現(xiàn)了基體和纖維的脫黏現(xiàn)象；Short 等[11]研究了分層對于平板和曲板的壓縮強度的影響，結(jié)合有限元模擬，得出結(jié)論：分層會對復(fù)合材料層合板的壓縮強度造成較大的影響，且壓縮強度會隨著分層位置的加深和分層大小的增加而減??；祝奇楓[12]研究了分層形狀、大小和位置等因素對復(fù)合材料孔板的屈曲和缺陷擴展的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的臨界屈曲載荷會隨著分層的增大而下降；籍永青等[13]對含有人工模擬分層的試驗件進行靜力拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)分層缺陷對復(fù)合材料層合板拉伸性能的影響較小且不同鋪層角度會產(chǎn)生不同的損傷擴展形式。

目前大多數(shù)的研究都偏向于研究缺陷對于復(fù)合材料某一特定性能的影響，且大多數(shù)研究都重點關(guān)注了缺陷對復(fù)合材料的拉伸或壓縮強度的影響。本文將著重于研究面外褶皺和分層對于復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的影響，分析含面外褶皺和分層的復(fù)合材料的斷裂機理，從而為CFRP 復(fù)合材料的出廠質(zhì)量標準提供一定的依據(jù)。

1 試驗準備

1.1 試驗原料及設(shè)備

本試驗所使用的原料為比利時索爾維公司生產(chǎn)提供的CYCOM?970 碳纖維/環(huán)氧樹脂織物預(yù)浸料。

本試驗的主要設(shè)備為西安龍德科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的熱壓罐。

1.2 人工制造缺陷的制造

（1）分層的設(shè)計和制備。

由于聚四氟乙烯薄膜表面張力極小，具有很好的不黏性，因此本試驗通過引入聚四氟乙烯薄膜來模擬分層的產(chǎn)生。為更直觀地表示分層和試驗件的尺寸，繪制圖1 所示的分層示意圖，其中L、W、H分別代表試驗件的長度、寬度和高度，X和Y分別代表分層的寬度和長度。聚四氟乙烯膜均埋于預(yù)浸料的中間鋪層處，且位于試驗件的幾何中心處。考慮到實際大飛機中復(fù)合材料層合板的工作情況，拉伸試驗件、壓縮試驗件和彎曲試驗件以及短梁剪切試驗件的分層尺寸設(shè)計如表1 所示。

表1 試樣的分層尺寸和嵌入位置Table 1 Delamination size and embedding position of the specimen

圖1 分層尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of delamination size

使用裁刀將聚四氟乙烯膜按尺寸裁定，根據(jù)層合板尺寸將膜埋入預(yù)浸料鋪層之間，隨后按鋪層順序?qū)㈩A(yù)浸料鋪貼整齊，如圖2 所示。

圖2 聚四氟薄膜和分層試驗件的鋪貼Fig.2 Teflon film and pavement of specimens with delamination

（2）面外褶皺的設(shè)計及制備。

Wang[14]和O’Hare[15]等的研究表明，面外褶皺的高寬比會對復(fù)合材料的性能造成非常大的影響，但是針對褶皺的尺寸和起皺層數(shù)仍然較少。為此，本試驗結(jié)合實際大飛機生產(chǎn)過程中常見的褶皺尺寸（圖3），設(shè)計了表2 所示的6 種褶皺件類型。

表2 面外褶皺尺寸及位置Table 2 Type of out-of-plane wrinkle

圖3 面外褶皺尺寸示意圖Fig.3 Schematic diagram of out-of-plane size

為較準確地控制褶皺尺寸，本文提出了一種新的面外褶皺模擬方法，即在預(yù)浸料間加入相同種類的樹脂條來模擬實際工況下褶皺處的樹脂富集現(xiàn)象，其具體步驟如下。

將處于黏流態(tài)的樹脂用注射器取出并加入到模具的凹槽之中，隨后設(shè)定加熱溫度為120 ℃，加熱時間為3 h，如圖4（a）所示。在充分冷卻至室溫后，取出樹脂條備用。根據(jù)層合板尺寸預(yù)先設(shè)計樹脂條埋入預(yù)浸料之中，隨后按鋪層順序?qū)㈩A(yù)浸料鋪貼整齊，如圖4 （b）所示。

圖4 環(huán)氧樹脂條的成型和預(yù)浸料的鋪貼Fig.4 Molding of epoxy resin and pavement of prepreg

1.3 熱壓罐成型工藝

根據(jù)預(yù)浸料的成型工藝要求，設(shè)置熱壓罐的工作參數(shù)，使預(yù)浸料在600 kPa 的壓力和180 ℃的工作環(huán)境下固化4 h。在獲得含有人工制造缺陷的層合板后，對層合板進行切割，獲得圖5 所示的測試用樣條。

圖5 測試用樣條Fig.5 Specimen for tests

1.4 力學(xué)試驗標準

為探究面外褶皺和分層對復(fù)合材料層合板綜合力學(xué)性能的影響，本研究進行拉伸、壓縮、三點彎曲和短梁剪切試驗，各試驗夾持和測試圖如圖6 所示。其中，拉伸和壓縮測試的測試速度設(shè)置為2 mm/min，三點彎曲和短梁剪切測試速度設(shè)置為1 mm/min。測試標準及試驗件尺寸如表3 所示，根據(jù)測試標準，每一組分別測試6 個樣品并取平均值。

表3 測試標準及試驗件尺寸Table 3 Testing standards and specimens size

圖6 復(fù)合材料拉伸、壓縮、短梁剪切及三點彎曲試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of tensile test, compression test, short beam shear test, three-point-bending test of composite

1.5 測試前表征

分別對含有面外褶皺和分層的層合板進行超聲C掃描，其圖像如圖7 所示。

圖7 含分層層合板和含面外褶皺層合板的超聲C 掃描結(jié)果Fig.7 Ultrasonic C-scan result of laminate containing delamination and laminate containing out-of-plane wrinkle

可以看出，含有面外褶皺的層合板，在褶皺處出現(xiàn)圖像信號明顯衰減，而含有分層的層合板，則在分層處出現(xiàn)圖像信號明顯增強。根據(jù)兩種缺陷所表征圖像的不同特征，可以判定兩種缺陷的種類和尺寸。

為確保人工缺陷的成功引入，分別對面外褶皺層合板和分層層合板的截面拍攝SEM 圖像，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 含面外褶皺層合板和含分層層合板的SEM 圖像Fig.8 SEM image of laminate containing out-of-plane wrinkle and laminate containing delamination

2 分層的力學(xué)性能影響

分層是熱壓罐成型過程中最常見的缺陷之一，為比較分層對復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響，通過熱壓罐制備了不含缺陷的標準件，將標準件和缺陷件的性能進行對比。

2.1 拉伸試驗結(jié)果和形貌分析

考察了分層對復(fù)合材料拉伸強度的影響，圖9 為含分層的復(fù)合材料試驗件與標準試驗件的載荷–位移曲線及拉伸強度?？梢钥吹?，含有分層的復(fù)合材料試驗件與標準件的拉伸強度都約為420 MPa，這說明分層對復(fù)合材料拉伸強度并未產(chǎn)生影響。其原因可能是拉伸試驗所施加的是對增強纖維軸向的力，而分層預(yù)埋于預(yù)浸料之間，厚度較小且與載荷共面，加之拉伸過程中復(fù)合材料的載荷主要由纖維承載，因此分層對復(fù)合材料的拉伸強度幾乎不產(chǎn)生影響。

圖9 含分層試樣的拉伸載荷–位移曲線和拉伸強度Fig.9 Load – displacement curves of tensile specimen and tensile strength of specimen containing delamination

然而，雖然分層幾乎并沒有對復(fù)合材料的拉伸強度產(chǎn)生影響，但是其斷裂形式卻有所不同，圖10 為標準件和分層件的拉伸試驗件斷裂形貌?？梢钥闯觯瑯藴试囼灱诶爝^程中，試樣內(nèi)部纖維發(fā)生斷裂，同時在試樣邊緣產(chǎn)生了較為平整的裂紋，根據(jù)ASTM D3039 標準中對斷裂形貌的分類，其可以歸屬為中央工作段橫向斷裂型；而分層件在拉伸過程中，在分層處的分層進一步擴展，并在分層結(jié)束段發(fā)生斷裂，產(chǎn)生了中央工作段分層斷裂。

圖10 標準試驗件及分層缺陷件的拉伸破壞照片F(xiàn)ig.10 Tensile failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.2 壓縮試驗結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及壓縮強度比較如圖11 所示。從強度比較，可以看出，標準件的壓縮強度為389 MPa，而分層缺陷件的壓縮強度明顯降低，同時注意到，壓縮強度隨分層尺寸的增大而減小，當分層寬度由4 mm 增加到13 mm時，復(fù)合材料的壓縮強度由361 MPa 降低到294 MPa，降低了19%，當分層寬度達到13 mm，即分層貫穿試驗件寬度方向后，其壓縮強度僅為標準試驗件的76%。由于分層在未貫穿試驗件時，其內(nèi)部仍有部分預(yù)浸料的成型狀況良好，在受壓縮載荷時仍能有較好的承載能力，而當分層貫穿試驗件后，其在分層附近的結(jié)合幾乎不再存在，導(dǎo)致壓縮強度的進一步下降。

圖11 含分層試樣的壓縮載荷–位移曲線及壓縮強度Fig.11 Load – displacement curves of compression specimen and compression strength of specimen containing delamination

圖12是標準件和分層件的破壞試樣?？梢园l(fā)現(xiàn)，標準件和分層件的破壞形貌較為相似，都在試驗件表層出現(xiàn)隆起并伴隨有纖維的屈曲和斷裂，同時在另一表面由于受力失衡而產(chǎn)生相反方向的裂紋，隨后裂紋向內(nèi)擴展，并在內(nèi)層產(chǎn)生分層和細小微裂紋。與標準件相比，分層缺陷件預(yù)埋缺陷處產(chǎn)生了明顯的分層，這是由于分層件在受壓縮載荷過程中，由于分層處產(chǎn)生了類似空腔的形貌，使得載荷在分層處無法繼續(xù)傳遞應(yīng)力至試樣兩端，而是在分層處產(chǎn)生向兩側(cè)的分力，從而使得分層在繼續(xù)受壓的過程中向兩側(cè)擴展。

圖12 標準試驗件和分層缺陷件的壓縮破壞照片F(xiàn)ig.12 Compression failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.3 短梁剪切試驗結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及壓縮強度比較如圖13 所示。標準試驗件的層間剪切強度為64 MPa，當嵌入分層后，復(fù)合材料的層間剪切強度明顯降低，這是由于在剪切過程中，剪切應(yīng)力通過鋪層向底端傳遞，而在遇到分層時，分層處的空腔使得剪切應(yīng)力無法在分層處進行有效傳遞，而是向分層兩側(cè)延伸和衰減，從而形成了應(yīng)力尖端。同時注意到，隨著分層尺寸的增大，復(fù)合材料層間剪切強度的變化幅度不大，這是因為試驗件的有效傳遞應(yīng)力鋪層數(shù)目相同，而在分層處的應(yīng)力衰減程度不同。因此，當試驗件中存在分層，其層間剪切強度就會急劇下降，但分層尺寸對其層間剪切強度產(chǎn)生的影響較小。

圖13 含分層試樣的短梁剪切載荷–位移曲線及層間剪切強度Fig.13 Load – displacement curves and interlaminar shear strength of short beam shear specimen containing delamination

從圖14 可以看出，分層件和標準件均在短梁剪切后于層間產(chǎn)生了微小的裂紋，同時分層件在缺陷附近的裂紋更為明顯。

圖14 標準試驗件和分層試驗件的短梁剪切破壞照片F(xiàn)ig.14 Short beam shear failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.4 三點彎曲試驗結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及抗彎強度比較如圖15 所示。可以看出，標準復(fù)合材料試驗件的抗彎強度為523 MPa，嵌入分層后，復(fù)合材料的抗彎強度降低。同時發(fā)現(xiàn)，當分層寬度由4 mm 增加至13 mm 時，復(fù)合材料的抗彎強度由515 MPa 降低至447 MPa。在彎曲過程中，試驗件受到壓縮、拉伸和剪切載荷的交互影響。分層所產(chǎn)生的“空腔”使得復(fù)合材料在彎曲過程中彎曲應(yīng)力傳遞受阻，從而使得復(fù)合材料抗彎強度降低。

圖15 含分層試樣的三點彎曲載荷–位移曲線及抗彎強度Fig.15 Load – displacement curves and flexural strength of three-point-bending specimen containing delamination

圖16 是標準件和分層件的三點彎曲破壞試樣。標準件的破壞發(fā)生于試樣的上下兩側(cè)，在壓頭接觸處產(chǎn)生了較小的壓縮裂紋，而在另一端面則產(chǎn)生了拉伸裂紋；而分層試驗件則只在一端產(chǎn)生了非常明顯的拉伸裂紋。這種現(xiàn)象說明含有分層的試驗件在彎曲過程中，下端面的拉伸破壞要早于上端面的壓縮破壞。

圖16 標準試驗件和分層缺陷件的彎曲破壞照片F(xiàn)ig.16 Flexural failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

由于三點彎曲試樣的破壞現(xiàn)象并不明顯，用SEM觀察其破壞處的形貌，如圖17 所示。可以看出，標準件的破壞相對于分層件裂紋較小，更多的是層內(nèi)擴展；分層件破壞裂紋較大，但是向?qū)觾?nèi)擴展有限。

圖17 含分層三點彎曲試驗件的SEM 圖像Fig.17 SEM image of three-point-bending specimen containing delamination

3 面外褶皺的力學(xué)性能影響

在預(yù)浸料的鋪貼和熱壓罐成型的過程中，常會因為預(yù)浸料的自身熱膨脹系數(shù)不同或鋪貼不規(guī)范等原因而產(chǎn)生面外褶皺。通過制備含有不同尺寸和嵌入位置面外褶皺的試驗件，研究了面外褶皺對復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能影響。

3.1 拉伸試驗結(jié)果和形貌分析

面外褶皺的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及拉伸強度比較如圖18 所示 （其中D代表褶皺的寬度）。與標準試驗件相比，當在復(fù)合材料鋪層中嵌入面外褶皺缺陷后，復(fù)合材料可承受的拉伸載荷和伸長率大大減小，拉伸強度也因此下降。同時，褶皺尺寸和嵌入位置對試驗件的拉伸強度影響較大。從圖18（b）可以看出，對于面外褶皺位于第2 ～ 3 層的試樣來說，當面外褶皺寬度由3 mm 增加到9 mm 時，復(fù)合材料的拉伸強度由283 MPa 下降至224 MPa，減小了21%，而面外褶皺位于第6 ～ 7 層時的試樣其拉伸強度也隨著褶皺尺寸的增加而降低。這主要是由于面外褶皺尺寸增大，導(dǎo)致復(fù)合材料在拉伸方向上的有效長度減小，從而使得復(fù)合材料拉伸強度降低。而對于同一尺寸的面外褶皺，當其嵌入位置不同時，復(fù)合材料的拉伸強度也不同，位于第2 ～ 3 層的試驗件的拉伸強度明顯低于位于第6 ～ 7 層試驗件的強度，這可能是由于缺陷上下區(qū)域纖維束的數(shù)量差異所致；當褶皺遠離鋪層中心 （第2 ～ 3層）時，缺陷上下兩區(qū)域纖維束數(shù)量不同，其應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，使得薄層區(qū)域在拉伸載荷下率先發(fā)生斷裂，從而使得復(fù)合材料的拉伸強度降低；而當褶皺位于鋪層中心 （第6 ～ 7 層）時，褶皺兩側(cè)的纖維分布較為均勻，且厚度高于上述薄層區(qū)域的厚度，這使得復(fù)合材料可以承受相對較高的載荷。

圖18 含面外褶皺試樣的拉伸載荷–位移曲線及抗拉強度Fig.18 Tensile load – displacement curves and tensile strength of specimen containing out-of-plane wrinkle

此外，注意到位于鋪層中心 （第6 ～ 7 層）的、大尺寸褶皺 （9 mm）的復(fù)合材料拉伸強度為332 MPa，高于小尺寸褶皺的、遠離鋪層中心 （第2 ～ 3 層）的試驗件強度（283 MPa），這表明褶皺嵌入位置對復(fù)合材料拉伸強度的影響更為顯著。

圖19 為拉伸試驗件破壞后的照片?？梢园l(fā)現(xiàn)，面外褶皺位于第2 ～ 3 層和第6 ～ 7 層的復(fù)合材料的斷裂均發(fā)生在起皺處。當褶皺位于第2 ～ 3 層時，起皺處上下區(qū)域的斷裂形貌差異較大，其斷裂位置為薄層區(qū)域，這是因為復(fù)合材料的破壞始于整體強度較弱的纖維，當褶皺位于復(fù)合材料邊緣處時，由于褶皺兩端纖維束數(shù)量不同，在承受載荷時其應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，這致使處于邊緣處的較薄鋪層會首先發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的失效，同時也觀察到在層間區(qū)域存在分層。而當褶皺位于第6 ～ 7 層時，在褶皺附近觀察到有明顯的纖維斷裂現(xiàn)象，且在褶皺兩端觀察到分層現(xiàn)象。

圖19 含面外褶皺拉伸試樣的斷裂形貌Fig.19 Failure morphology of tensile specimen containing out-ofplane wrinkle

3.2 壓縮試驗結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及壓縮強度如圖20 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，標準試驗件的壓縮強度為389 MPa，嵌入褶皺后，缺陷件的壓縮強度大幅降低，不及標準試驗件的50%，可見面外褶皺對復(fù)合材料壓縮強度的影響更甚，這主要是由于缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中所致。與拉伸相似，面外褶皺試驗件的壓縮強度隨缺陷尺寸的增大而降低，并且當褶皺遠離鋪層中心時，其壓縮強度降低的幅度更大。

圖20 含面外褶皺試樣的壓縮載荷–位移曲線及壓縮強度Fig.20 Compression load – displacement curves and compression strength of specimen containing out-of-plane wrinkle

同時注意到，當面外褶皺位于第2 ～ 3 層時，壓縮載荷–位移曲線（圖20（a））在上升過程中都經(jīng)歷了一次明顯的掉載現(xiàn)象，這是褶皺附近的薄層區(qū)域斷裂所致，而面外褶皺位于第6 ～ 7 層的試樣曲線并未出現(xiàn)掉載。試樣破壞后的形貌（圖21）也說明了同樣的問題，褶皺位于第2 ～ 3 層時，可以清楚看到薄層區(qū)域的斷裂，在厚層區(qū)域并不存在分層，而在薄厚兩層區(qū)域交匯處，即起皺處，觀察到明顯的分層；對于褶皺位于第6 ～ 7 層時的試樣，在缺陷附近區(qū)域并未出現(xiàn)明顯的纖維斷裂，僅在試樣上表面存在少量纖維的斷裂，而失效是由于沿褶皺所在鋪層向外延伸所產(chǎn)生的分層所致。

圖21 含面外褶皺壓縮試樣的斷裂形貌Fig.21 Failure morphology of compression specimen containing out-of-plane wrinkle

3.3 短梁剪切試驗結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標準層合板載荷–位移曲線及層間剪切強度如圖22 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，標準試驗件的層間剪切強度為64 MPa，當嵌入面外褶皺后，復(fù)合材料的層間剪切強度均降低。在進行短梁剪切試驗時，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力十分復(fù)雜，破壞往往是沿鋪層遞進發(fā)生的，當引入面外褶皺后，一方面，試驗件的形狀差異增大了褶皺處的應(yīng)力集中；另一方面，富樹脂區(qū)的存在更易受到剪切載荷的破壞，這使得復(fù)合材料在受剪后極易失效，從而使得復(fù)合材料的層間剪切強度降低。

圖22 含面外褶皺試樣的短梁剪切載荷–位移曲線及層間剪切強度Fig.22 Shear load – displacement curves and interlaminar shear strength of short beam shear specimen containing out-of-plane wrinkle

從圖 22（b）可以看出，當褶皺尺寸較小時，其復(fù)合材料層間剪切強度隨褶皺尺寸的增大而降低，當褶皺尺寸為3 mm、6 mm 和9 mm 時，褶皺位于第2 ～ 3 層時的復(fù)合材料層間剪切強度分別為54 MPa、52 MPa 和49 MPa，比標準件降低了16%、19%和23%，而褶皺位于鋪層中間處的復(fù)合材料的層間剪切強度也分別降低了9%、13%和20%。這是因為隨著褶皺尺寸的增加，復(fù)合材料中應(yīng)力集中和富樹脂區(qū)面積增大，使得復(fù)合材料不耐剪切，發(fā)生層間失效，從而導(dǎo)致其層間剪切強度降低。

試驗后的樣件如圖23 所示，含有面外褶皺的試驗件，在受到短梁剪切后，均在褶皺處產(chǎn)生了沿鋪層向外擴展的分層，同時，在試驗件下表面均出現(xiàn)了因剪切壓頭下壓而產(chǎn)生的拉伸破壞。

圖23 含面外褶皺短梁剪切試驗件的破壞形貌Fig.23 Failure morphology of short beam shear specimen containing out-of-plane wrinkle

3.4 三點彎曲試驗結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標準層合板三點彎曲的載荷–位移曲線如圖24 所示。根據(jù)載荷–位移曲線，面外褶皺位于第6 ～ 7 層時，其所受最大載荷要高于褶皺位于第2 ～ 3 層的試驗件和不含缺陷的標準件，這是因為褶皺在下壓過程中起到了分散載荷的作用，從而使得復(fù)合材料承載能力提高，但這并不說明試驗件在褶皺處的抗彎強度提高，在計算抗彎強度時，需充分考慮加入褶皺后的厚度改變，計算結(jié)果如圖24（b）所示，可以看到，標準件的抗彎強度為523 MPa，對于同一嵌入位置，復(fù)合材料的抗彎強度隨褶皺尺寸的增加而降低，同時，面外褶皺遠離鋪層中心時，試樣的抗彎強度降低幅度更大。

圖24 含面外褶皺試樣的彎曲載荷–位移曲線及抗彎強度Fig.24 Bending load – displacement curves and flexural strength of three-point-bending specimen containing out-of-plane wrinkle

對彎曲試驗件進行斷裂形貌的分析，如圖25 所示，可以發(fā)現(xiàn)，其主要破壞發(fā)生于上下表面，其層間沒有產(chǎn)生明顯的剪切斷裂，這符合三點彎曲的試驗要求。由于彎曲試驗過程中壓頭的不斷施壓，使得與壓頭接觸的上表面產(chǎn)生了局部壓縮破壞，而由于下表面在壓頭加載過程中不斷產(chǎn)生變形，其相對于與壓頭接觸的下表面產(chǎn)生了局部拉伸破壞。

圖25 含面外褶皺三點彎曲試驗件的破壞形貌Fig.25 Failure morphology of three-point-bending specimen containing out-of-plane wrinkle

4 結(jié)論

（1）面外褶皺和分層都會引起復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能下降。含面外褶皺的層合板，其拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度和抗彎強度都會有較明顯的下降；分層對于層合板的拉伸強度影響不大，而對層合板的壓縮強度、層間剪切強度和抗彎強度均有不同程度的影響。

（2）褶皺的尺寸和起皺層數(shù)會對層合板的力學(xué)性能造成影響，且褶皺起皺層數(shù)的影響要比褶皺尺寸的影響顯著。當褶皺位于第2 ～ 3 層時，其拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度和抗彎強度相比于標準件最多分別下降了約47%、77%、23%和49%。而當褶皺位于層合板的中心時，其拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度和抗彎強度相比于標準件則最多分別下降了約22%、65%、20%和34%。

（3）分層的尺寸對于層合板的力學(xué)性能有一定的影響，但下降幅度不大，且當分層貫穿試驗件時其性能才會有較大的下降。隨著分層尺寸的增大，層合板的壓縮強度、層間剪切強度和抗彎強度分別最多下降了24%、38%和15%。

（4）含面外褶皺的層合板，其壓縮強度的下降最為顯著，而含分層的層合板，其層間剪切強度下降最為顯著。