張阿櫻，張東興

(1.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，150001 哈爾濱;2.哈爾濱學院圖書館，150086 哈爾濱)

不同孔隙率CFRP層合板沖擊后力學性能試驗表征

張阿櫻1，2，張東興1

(1.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，150001 哈爾濱;2.哈爾濱學院圖書館，150086 哈爾濱)

為了研究吸濕量、孔隙率及沖擊能量對CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度的影響規(guī)律，首先將3種孔隙率CFRP層合板試樣置于濕熱環(huán)境中分別吸濕7、14 d及吸濕至飽和狀態(tài)，然后在室溫環(huán)境中對3種孔隙率不同老化程度的CFRP層合板試樣分別進行5種能量即3－15J的沖擊作用，并測量其沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度.試驗結果表明:隨著沖擊能量的提高，CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度均顯著下降;沖擊能量相同時，孔隙率對CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度的影響并不明顯.分析認為層合板受到沖擊作用后產生的分層損傷降低了孔隙率對沖擊試樣剩余強度的影響程度.

孔隙;復合材料;沖擊;濕熱環(huán)境;力學強度

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastics，CFRP)具有比強度高、比模量高、耐高溫、抗疲勞及耐腐蝕性能好等優(yōu)點，廣泛地應用于軍用及商業(yè)領域［1－3］.但是，復合材料層合板結構對低速沖擊比較敏感，即使很小的損傷也會導致結構整體性發(fā)生破壞，從而限制了層合板結構的應用［4］.低速沖擊作用后，目視通常難以觀察到復合材料層合板表面的損傷，但是復合材料內部已經產生基體裂紋、分層及纖維斷裂等損傷，可導致復合材料力學性能顯著下降［5－6］.為了保證服役期間受到沖擊后復合材料層合板結構不發(fā)生突發(fā)性破壞，對復合材料的沖擊損傷容限性能進行研究、評估復合材料結構受到沖擊后的剩余強度具有重要意義.

此外，復合材料結構不僅要承受復雜的荷載作用，同時也會受到溫度、濕度及各種嚴苛環(huán)境因素的影響，其中濕熱環(huán)境是導致復合材料性能發(fā)生退化的最為重要的環(huán)境因素之一［2，7］.研究表明:孔隙作為復合材料最為常見的制造缺陷，對復合材料結構的物理及力學性能存在有害影響［8－11］.并且孔隙對水的滲透和環(huán)境因素極為敏感，孔隙可加速復合材料吸濕，而吸濕可導致復合材料強度發(fā)生退化，因此孔隙和環(huán)境因素均對復合材料層合板的力學性能產生影響［12］.目前，國內外學者對復合材料的沖擊阻抗性能及損傷容限性能已進行了大量研究，但是，針對濕熱環(huán)境下不同孔隙率復合材料層合板沖擊后力學性能的研究還未見報道.因此，本文研究了3種孔隙率的CFRP層合板未吸濕試樣、濕熱7 d試樣、吸濕14 d試樣及吸濕飽和試樣分別受到5種能量即3－15 J沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度，分析了孔隙率、吸濕量及沖擊能量對復合材料層合板沖擊損傷容限性能的影響規(guī)律.

1 試驗

1.1 CFRP層合板制備

本試驗原材料為織物碳纖維/環(huán)氧樹脂(T300/914)層合板，碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料由Hexel生產，纖維體積分數(shù)為52%.層合板采用熱壓 罐 成 型，鋪 層 方 式 為 ［(±45)4/(0，90)/(±45)2］S.通過調整固化壓力生產出孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的CFRP層合板.

1.2 濕熱老化試驗

根據(jù) HB7401—1996《樹脂基復合材料層合板濕熱環(huán)境吸濕試驗方法》對孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的CFRP層合板試樣進行濕熱老化試驗，分別吸濕7、14 d及達到吸濕飽和狀態(tài).

碳纖維增強環(huán)氧樹脂(T300/914)層合板的吸濕量為

式中:Mi為層合板試樣的吸濕量，%;Gi為層合板試樣吸濕后質量，g;G0為層合板工程干態(tài)試樣質量，g.

本試驗中試樣分為兩種:1)未老化試樣.將CFRP層合板試樣置于室溫環(huán)境，作為參考試樣;2)濕熱老化試樣.將烘干為工程干態(tài)的CFRP層合板試樣放入70℃恒溫水浴中分別浸泡7、14 d及吸濕至飽和狀態(tài).

1.3 金相顯微鏡檢測

根據(jù)GB/T 3365—2008《碳纖維增強塑料孔隙體積分數(shù)和纖維體積分數(shù)試驗方法》用金相顯微鏡(VNT－100)對CFRP層合板試樣孔隙形貌進行檢測.

1.4 拉伸強度試驗

根據(jù)GB/T3354—1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》測量CFRP層合板的拉伸強度，拉伸試樣尺寸為 230.0 mm ×25.0 mm×4.5 mm，采用Instron 5569萬能試驗機，拉伸試驗加載速度設定為2 mm/min.每組試驗取5個未沖擊試樣，將其平均值作為CFRP層合板未沖擊試樣的拉伸強度.

1.5 彎曲強度試驗

根據(jù)GB/T3356—1999《單向纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》采用3點加載方式測量CFRP層合板的彎曲強度，彎曲試樣尺寸為90.0 mm×25.0 mm×4.5 mm，跨度為 72 mm.彎曲試驗采用萬能試驗機(WDW－10)，彎曲試驗加載速度設定為5 mm/min.每組試驗取5個未沖擊試樣，將其平均值作為CFRP層合板未沖擊試樣的彎曲強度.

1.6 沖擊試驗

根據(jù)ASTMD 7136《纖維增強聚合物基復合材料落錘沖擊損傷阻抗測量標準試驗方法》對CFRP層合板的進行沖擊試驗.采用落錘式沖擊試驗機(JLW－100)，鋼制半球形沖頭質量為5.0 kg，半徑為6.35 mm.在室溫環(huán)境中對孔隙率為0.33%、0.71%及1.50%的CFRP層合板未吸濕試樣、濕熱7 d試樣、吸濕14 d試樣及吸濕飽和試樣分別進行5種能量即3、6、9、12、15 J的沖擊試驗，每組沖擊試驗分別取5個試樣.

1.7 沖擊后剩余力學強度試驗

為了研究不同孔隙率及不同吸濕量的CFRP層合板受到沖擊后力學性能的變化情況，在室溫環(huán)境下對3種孔隙率不同老化程度的CFRP層合板沖擊試樣進行沖擊后剩余拉伸強度試驗和剩余彎曲強度試驗，試驗方法同未沖擊試樣拉伸強度和彎曲強度的試驗方法.

2 結果與討論

2.1 CFRP層合板吸濕曲線

為了研究不同孔隙率CFRP層合板拉伸及彎曲試樣的吸濕規(guī)律，跟蹤測量了孔隙率分別為0.33%、0.71%和1.50%的拉伸及彎曲試樣的吸濕量(如圖1所示).試驗結果表明，孔隙率為0.33%、0.71%和1.50%的拉伸試樣飽和吸濕量分別為1.223%、1.275%及1.373%，孔隙率為0.33%和1.50%的彎曲試樣飽和吸濕量分別為1.123%及1.205%.由圖1(a)、(b)可知，CFRP層合板拉伸及彎曲試樣的吸濕量在吸濕初期均快速增長，隨著吸濕時間的增加，CFRP層合板試樣吸濕量的增長趨勢放緩，吸濕曲線出現(xiàn)一個平臺，維持一段時間后吸濕速率再次提高.試驗結果表明，CFRP層合板拉伸及彎曲試樣的吸濕量均隨孔隙率的增加而增大，說明孔隙促進了CFRP層合板吸濕.

圖1 不同孔隙率CFRP層合板拉伸及彎曲試樣吸濕曲線

由圖1可知，拉伸及彎曲試樣的吸濕曲線均呈現(xiàn)“兩階段擴散”模式，與文獻［13］得出的結論相一致.分析認為，CFRP層合板試樣吸濕的第1階段，水分一般是通過擴散作用進入樹脂基體、通過毛細作用進入纖維及基體之間的界面，或者通過復合材料中的孔隙、微裂紋等內部缺陷進入復合材料.吸濕的第2階段，由于復合材料在濕熱環(huán)境中產生界面脫黏及分層、纖維與基體之間變形不均勻產生的內應力導致材料內部微裂紋產生;水分子擴散進入基體產生的滲透壓導致基體內微裂紋的產生，進一步加速了吸濕;同時水分子促進裂紋進一步擴展，以及復合材料內部其他缺陷是“二次吸水”現(xiàn)象發(fā)生的主要原因［14－17］.

2.2 沖擊凹坑深度

圖2為不同孔隙率的CFRP層合板沖擊能量－凹坑深度曲線，試驗結果表明，CFRP層合板的沖擊凹坑深度隨著沖擊能量的增加呈增長趨勢.由圖2可知，當沖擊能量低于9 J時，隨著沖擊能量增長，凹坑深度增長速度較慢;當沖擊能量超過9 J后，隨著沖擊能量增長，凹坑深度的增加速度明顯加快.通過熱揭層試驗發(fā)現(xiàn)，這是由于沖擊能量超過9 J后試樣表面開始出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象，并且隨著沖擊能量的增加，纖維斷裂程度趨于嚴重，進而導致凹坑深度快速增長.由圖2可知，沖擊能量相同時，隨著孔隙率的增大，凹坑深度呈增大趨勢.試驗結果表明，孔隙對CFRP層合板試樣沖擊后凹坑深度存在不利影響.

圖2 不同孔隙率CFRP層合板沖擊能量－凹坑深度曲線

2.3 沖擊后剩余拉伸強度

圖3(a)～(d)為不同濕熱老化程度CFRP層合板沖擊后拉伸強度曲線.圖3(a)為不同孔隙率的CFRP層合板未吸濕試樣在5種能量沖擊后的剩余拉伸強度曲線.試驗結果表明，同未吸濕試樣沖擊前拉伸強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的未吸濕試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為89.41%、86.21%及 90.13%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為 0.33%、0.71%及1.50%的未吸濕試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為43.13%、41.48%及41.71%.

圖3(b)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕7 d試樣在5種能量沖擊后的剩余拉伸強度曲線.試驗結果表明，同吸濕7 d試樣沖擊前的拉伸強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕7 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為91.10%、84.77%及91.22%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕7 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為43.97%、38.89%及43.01%.

圖3(c)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕14 d試樣在5種能量沖擊后的剩余拉伸強度曲線.試驗結果表明，同吸濕14 d試樣沖擊前的拉伸強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕14 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為95.16%，96.03%及 95.37%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為 0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕14 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為45.38%、43.67%及44.18%.

圖3(d)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕飽和試樣在5種能量沖擊后的剩余拉伸強度曲線.試驗結果表明，同吸濕飽和試樣沖擊前的拉伸強度相比，，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕飽和試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為89.52%，89.02%及 93.33%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為 0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕飽和試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為43.74%、42.08%及43.56%.

由圖3(a)～(d)可知，3種孔隙率的CFRP層合板試樣沖擊后剩余拉伸強度均隨著沖擊能量的提高顯著下降.分析認為，由于CFRP層合板的拉伸強度主要由纖維的強度和剛度決定，隨著沖擊能量的增加，CFRP層合板中纖維斷裂程度加重，導致層合板沖擊后剩余拉伸強度下降.由圖3(a)～(d)可知，吸濕量的變化對沖擊后剩余拉伸強度的影響并不顯著，分析認為這是由于碳纖維基本不吸濕，因此溫度和濕度對碳纖維的強度和剛度影響較小，導致CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度受吸濕量影響相對較小.

由圖3(a)～(d)可知，沖擊能量相同時，孔隙率對CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度的影響并不明顯.分析認為這是由于層合板受到沖擊作用后產生的分層損傷降低了孔隙率對層合板界面面積的影響程度，進而降低了CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度對孔隙率變化的敏感度.

圖3 不同濕熱老化程度CFRP層合板沖擊后拉伸強度

2.4 沖擊后剩余彎曲強度

圖4(a)～(d)為不同濕熱老化程度CFRP層合板沖擊后彎曲強度曲線.圖4(a)為不同孔隙率的CFRP層合板未吸濕試樣在5種能量沖擊后的剩余彎曲強度曲線.試驗結果表明，同未吸濕試樣沖擊前彎曲強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板未吸濕試樣的沖擊后剩余彎曲強度保持率分別為90.16%、88.51%及 87.86%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為 0.33%、0.71%及1.50%的層合板未吸濕試樣的沖擊后剩余彎曲強度保持率分別為42.96%、43.30%及43.61%.

圖4(b)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕7 d試樣在5種能量沖擊后的剩余彎曲強度曲線.試驗結果表明，同吸濕7 d試樣沖擊前彎曲強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕7 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為86.90%、84.97%及88.80;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕7 d試樣的沖擊后剩余彎曲強度保持率分別為41.69%、41.12%及43.49%.

圖4 不同濕熱老化程度CFRP層合板沖擊后彎曲強度

圖4(c)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕14 d試樣在5種能量沖擊后的剩余彎曲強度曲線.試驗結果表明，同吸濕13 d試樣沖擊前彎曲強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕14 d試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為85.36%、89.47%及88.62%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕14 d試樣的沖擊后剩余彎曲強度保持率分別為38.20%、38.71%及39.89%.

圖4(d)為不同孔隙率的CFRP層合板吸濕飽和試樣在5種能量沖擊后的剩余彎曲強度曲線.試驗結果表明，同吸濕飽和試樣沖擊前彎曲強度相比，當沖擊能量增至3 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕飽和試樣的沖擊后剩余拉伸強度保持率分別為85.94%、87.90%及90.84%;當沖擊能量增至15 J時，孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的層合板吸濕飽和試樣的沖擊后剩余彎曲強度保持率分別為37.99%、37.66%及39.30%.

由圖4(a)～(d)可知，3種孔隙率CFRP層合板未吸濕、吸濕7、14 d及吸濕飽和試樣沖擊后剩余彎曲強度隨著沖擊能量的提高顯著下降;沖擊能量相同時，孔隙率對CFRP層合板沖擊后剩余彎曲強度的影響并不明顯.

試驗結果表明，隨著吸濕時間的增長，沖擊后剩余彎曲強度保持率也呈下降趨勢.這是由于層合板的彎曲強度主要反映纖維及樹脂基體的綜合性能，層合板吸濕后基體變軟、降低了對纖維的支撐力，并且吸濕削弱了纖維與基體間的黏結力，降低了纖維/基體界面機械結合力.因此，濕熱環(huán)境對CFRP層合板沖擊后剩余彎曲強度產生影響.

2.5 CFRP層合板沖擊前后損傷形式

圖5(a)～(f)為3種孔隙率的CFRP層合板試樣受到3 J能量沖擊前后的金相顯微照片.同圖5(a)、(c)及(e)中未沖擊試樣相比，圖5(b)、(d)及(f)中受到3 J能量沖擊后孔隙率為0.33%、0.71%和1.50%的試樣中出現(xiàn)輕微的基體裂紋.

圖6(a)～(f)為3種孔隙率的CFRP層合板試樣受到12 J能量沖擊前后的金相顯微照片.同圖6(a)、(c)及(e)中未沖擊試樣相比，圖6(b)、(d)、(f)中受到12 J能量沖擊后3種孔隙率的試樣中可以觀察到明顯的基體裂紋和層間裂紋，基體裂紋由孔隙處產生，且基體裂紋與層間裂紋發(fā) 生貫通.

圖5 沖擊能量為3J時拉伸試樣金相顯微照片

圖6 沖擊能量為12 J時拉伸試樣金相顯微照片

由圖5和圖6可知，由于應力集中作用，沖擊試樣中基體裂紋及層間裂紋多由孔隙處產生.同圖5中層合板受到3 J沖擊能量的損傷狀況相比，當沖擊能量增至12 J后，層合板內基體裂紋及層間裂紋等沖擊損傷程度明顯加重.

3 結論

1)CFRP層合板拉伸及彎曲試樣的吸濕曲線均呈現(xiàn)“兩階段擴散”模式，拉伸及彎曲試樣的吸濕量均隨孔隙率的增加而增大，說明孔隙對CFRP層合板吸濕起到促進作用.

2)CFRP層合板的沖擊凹坑深度隨著沖擊能量的增加呈增長趨勢.沖擊能量相同時，孔隙對CFRP層合板沖擊后凹坑深度存在不利影響.

3)隨著沖擊能量的提高，CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度均顯著下降;沖擊能量相同時，孔隙率對CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度及剩余彎曲強度的影響并不明顯.

4)隨著吸濕時間的增長，沖擊后剩余彎曲強度保持率呈下降趨勢;然而，吸濕量的變化對沖擊后剩余拉伸強度的影響并不顯著.

5)由于應力集中作用，沖擊試樣中基體裂紋及層間裂紋多由孔隙處產生;隨著沖擊能量增加，層合板內基體裂紋及層間裂紋等沖擊損傷程度明顯嚴重.

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Experimental characterization of the mechanical strength after impact of CFRP laminates with different void contents

ZHANG Aying1，2，ZHANG Dongxing1
(1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China;2.Library，Harbin University，150086 Harbin，China)

The influences of porosity，impact energies and moisture contents on the residual tensile strength and bending strength after impact of CFRP laminates are evaluated.CFRP laminates of three porosity levels were immersed in water for 7、14 days and moisture saturation.Impact tests on the CFRP laminates of three porosity levels with different immersion time were conducted at five impact energy levels of 3－15J at room temperature，followed by the residual tensile test and bending test performed on the specimens.The experimental results show that the residual tensile strength and bending strength after impact decreased significantly with the increasing impact energy.For the same impact energy，no obvious effects of void contents on the residual tensile strength and bending strength after impact were observed.The delamination induced by the impact would reduce the influence of void on the residual strength of the impacted specimens.

void;composites;impact;hygrothermal environment;mechanical strength

TB33

A

0367－6234(2014)03－0054－07

2013－04－01.

黑龍江省教育廳科學技術研究資助項目;哈爾濱青年(博士)科研基金資助項目(HUDF2013－006).

張阿櫻(1973—)，女，博士;

張東興(1961—)，男，教授，博士生導師.

張東興，dongxingzhang@163.com.

(編輯 張 紅)