高 禹，王 釗，陸 春，包建文，宋恩鵬，董尚利

(1 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110136；2北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 綜合強(qiáng)度部，沈陽(yáng) 110035；4哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

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高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料典型空天環(huán)境下動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究現(xiàn)狀

高 禹1，王 釗1，陸 春1，包建文2，宋恩鵬3，董尚利4

(1 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110136；2北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 綜合強(qiáng)度部，沈陽(yáng) 110035；4哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著飛行器結(jié)構(gòu)中碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料用量的迅速增加，其應(yīng)用范圍從非主承力構(gòu)件逐漸擴(kuò)展到主承力構(gòu)件，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的疲勞、低速?zèng)_擊和高速撞擊等動(dòng)態(tài)力學(xué)問(wèn)題已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。本文綜述了典型空天環(huán)境因素與碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的交互作用，重點(diǎn)探討了其在疲勞、低速?zèng)_擊和高速撞擊載荷作用下的行為，簡(jiǎn)述了環(huán)境損傷與動(dòng)態(tài)載荷耦合對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，以期為聚合物基復(fù)合材料在空天飛行器上的應(yīng)用提供有益的參考。

樹(shù)脂基復(fù)合材料；環(huán)境損傷；動(dòng)態(tài)力學(xué)行為；斷裂；老化

近年來(lái)隨著航空航天科技的迅速發(fā)展，臨近空間領(lǐng)域以其特殊的戰(zhàn)略價(jià)值受到世界各國(guó)的重視，成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。近空間(near space)，也稱臨近空間，指距地面20～100km的區(qū)域，屬于空天過(guò)渡區(qū)，一般處于20～70km之間的空域稱為中層近空間[1,2]。中層近空間處于飛行高度最高的飛機(jī)和軌道最低的衛(wèi)星之間，運(yùn)行其間的空天飛行器要長(zhǎng)壽命、高可靠、高精度、多用途，這對(duì)其所采用的材料性能提出了很高的要求[3,4]。空天飛行器從運(yùn)輸、起飛、進(jìn)入航線、返回地面，要經(jīng)受各種環(huán)境的考驗(yàn)，特別是在中層近空間服役期間，要受到高真空、高低溫交變、臭氧、空間碎片和紫外輻照等多種極端環(huán)境因素作用[5,6]，在地面存放期間要經(jīng)歷濕熱、霉菌以及鹽霧等腐蝕性環(huán)境的作用[7]，同時(shí)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的材料還將耐受高溫(>350℃)環(huán)境的考驗(yàn)[8]。在這些環(huán)境因素作用下，飛行器受到損傷是造成故障乃至事故的重要原因，嚴(yán)重地影響著飛行器服役的可靠性與壽命[9]。

高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料可使飛行器結(jié)構(gòu)減重 25%～30%，在航空航天領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，可用于制備機(jī)翼、前機(jī)身、尾翼、機(jī)用雷達(dá)天線罩、發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道機(jī)匣、管道等結(jié)構(gòu)件[10]。這些結(jié)構(gòu)件大多直接裸露于空天環(huán)境下，經(jīng)受各種空天環(huán)境因素的綜合作用?？仗旖蛔儨囟葓?chǎng)一般在-140～140℃范圍內(nèi)變化[5]。由于增強(qiáng)纖維與基體樹(shù)脂之間的熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在這種交變溫度場(chǎng)的作用下,復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，導(dǎo)致材料受到損傷?？仗祜w行器運(yùn)行環(huán)境的氣體壓力一般小于10-3Pa。真空環(huán)境導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生析氣效應(yīng)，使其力學(xué)性能降低。高溫、低溫和濕熱環(huán)境同樣會(huì)對(duì)聚合物基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生明顯影響。

空天飛行器面臨的服役環(huán)境比普通飛機(jī)更加苛刻，環(huán)境損傷與動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行耦合后，會(huì)加劇復(fù)合材料構(gòu)件變形、失效的進(jìn)程，從而成為制約整機(jī)可靠性與壽命的瓶頸。為了提高空天飛行器的可靠性與壽命，世界各國(guó)都極為重視深入開(kāi)展空天環(huán)境下材料行為及失效機(jī)理研究，這些研究結(jié)果大多數(shù)利用材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)來(lái)揭示環(huán)境損傷效應(yīng)機(jī)理[11]。目前，隨著復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究的迅速發(fā)展，同時(shí)伴隨航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)合材料抗疲勞、抗沖擊性能的迫切需求，環(huán)境因素耦合下的復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究已得到越來(lái)越多的重視。因此，深入研究高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料在典型空天環(huán)境因素作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與損傷機(jī)理，具有十分重要的工程應(yīng)用背景及理論研究?jī)r(jià)值。

1 典型空天環(huán)境對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的影響

樹(shù)脂基復(fù)合材料在高真空環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生析氣[6]。析氣的產(chǎn)物主要包括水、吸附的氣體、低分子量溶劑和添加劑等。在高真空下析出的可凝揮發(fā)物會(huì)污染空天飛行器外表面及與其相鄰的部分，特別是對(duì)光學(xué)器件、熱控涂層、電路表面和滑動(dòng)摩擦副等產(chǎn)生不利影響[12]。同時(shí)，復(fù)合材料的析氣還會(huì)使自身性能下降、外形尺寸發(fā)生變化，因此會(huì)對(duì)空天飛行器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成威脅。樹(shù)脂基復(fù)合材料在真空條件下的析氣產(chǎn)物一般通過(guò)擴(kuò)散向材料外表面析出。文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的真空效應(yīng)與其他環(huán)境效應(yīng)(熱循環(huán)效應(yīng)、帶電粒子輻照效應(yīng))相結(jié)合后，會(huì)明顯增加綜合環(huán)境效應(yīng)對(duì)材料的損傷程度。

在交變溫度場(chǎng)作用下，由于碳纖維與基體樹(shù)脂之間的熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與溫度場(chǎng)相關(guān)的交變熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，導(dǎo)致材料受到損傷[14]。宏觀上交變的溫度場(chǎng)會(huì)使復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生熱變形，從而降低其力學(xué)性能。對(duì)這種交變的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，現(xiàn)在還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)方法能定量分析。應(yīng)用有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值模擬是一個(gè)切合實(shí)際的定量分析方法[15]。Kwang等[16]在模擬低地球軌道熱循環(huán)和高真空的條件下，對(duì)石墨/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)除了層剪強(qiáng)度基本保持不變以外，其他力學(xué)性能均下降。Zhang等[17]對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行了熱循環(huán)(-55～+120℃)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷50次熱循環(huán)后T700s/3502內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂紋，其走向沿纖維束的排布方向，而T700s/PR520未發(fā)現(xiàn)微裂紋，如圖1所示。隨微裂紋密度的增加復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度減小，數(shù)值模擬結(jié)果表明微裂紋對(duì)復(fù)合材料高速撞擊行為具有明顯的影響。文獻(xiàn)[18,19]表明真空熱循環(huán)對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱膨脹行為均有十分明顯的影響。值得注意的問(wèn)題是一般高性能樹(shù)脂的加工工藝性較差，因此高性能樹(shù)脂用于制備復(fù)合材料時(shí)更容易產(chǎn)生缺陷。Kobayashi等[20]發(fā)現(xiàn)碳/雙馬復(fù)合材料在制備時(shí)就容易在材料(特別是多向鋪層材料)內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這樣在交變溫度場(chǎng)作用下制備時(shí)產(chǎn)生的微裂紋就會(huì)成為裂紋源，進(jìn)而導(dǎo)致材料受到損傷。

圖1 經(jīng)歷50次熱循環(huán)之后T700s/3502和T700s/PR520 層板內(nèi)部的微裂紋CT照片 (圖中的白色線條是微裂紋) [17]Fig.1 Microcracks in the interior plies for T700s/3502 and T700s/PR520 after 50 thermal cycles (the white lines in the images are the microcracks) [17]

高溫下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究焦點(diǎn)主要集中在材料熱失重、氧化、降解、界面脫粘和老化機(jī)理方面[21,22]。Dinh等[23]分別在150℃大氣和純氧條件下對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了長(zhǎng)期老化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂基體出現(xiàn)收縮并且界面出現(xiàn)脫粘，熱氧老化降解取決于老化時(shí)間和界面脫粘程度。Jacques等[24]在150℃條件下對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行了3000h的暴露實(shí)驗(yàn)，分析了質(zhì)損率的變化規(guī)律，通過(guò)剩余強(qiáng)度的變化證明了熱降解效應(yīng)取決于試樣暴露面積的大小。低溫下復(fù)合材料力學(xué)性能的研究主要包括：試驗(yàn)研究、細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)研究、數(shù)值仿真研究。Ueki等[25]研究了使用不同固化劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)與其低溫性能間的關(guān)系，指出具有三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂在低溫時(shí)會(huì)變脆。Kim等[26]認(rèn)為復(fù)合材料層板間的橫向微裂紋和層板相互分離的發(fā)生與溫度有很大關(guān)系，層板內(nèi)的殘余應(yīng)力、橫向強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度同時(shí)隨著溫度的降低而升高。

相對(duì)于高真空、交變溫度場(chǎng)、高溫、低溫等苛刻環(huán)境實(shí)驗(yàn)，濕熱環(huán)境比較容易實(shí)現(xiàn)，且樹(shù)脂基復(fù)合材料耐濕熱性能是其能否應(yīng)用在飛行器構(gòu)件上的重要評(píng)判指標(biāo)，因此國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道較多。一般情況下，濕熱環(huán)境降低材料的Tg、強(qiáng)度和剛度，界面受到水分破壞產(chǎn)生大量空隙和裂紋，吸濕行為基本滿足Fick定律，老化機(jī)制主要是吸入水分后基體增塑和樹(shù)脂、纖維濕應(yīng)變不一致導(dǎo)致的濕應(yīng)力對(duì)復(fù)合材料性能的負(fù)面作用[7,27]。張立鵬等[28]建議在測(cè)試濕態(tài)性能中應(yīng)采用70℃/ RH 85% 環(huán)境模擬條件，并指出采用水煮方法過(guò)于嚴(yán)酷，將會(huì)明顯低估復(fù)合材料的使用性能。

2 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在疲勞載荷作用下的行為研究

和金屬材料相比，樹(shù)脂基復(fù)合材料在疲勞載荷作用下的疲勞破壞機(jī)制及破壞特征有顯著的不同，這主要源于復(fù)合材料的各向異性、脆性、非均勻性,以及層間性能遠(yuǎn)低于層內(nèi)性能等因素。疲勞性能對(duì)飛行器的可靠性和安全性起著決定性影響，因此從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了一系列關(guān)于復(fù)合材料疲勞方面的研究，取得了大量的研究成果。復(fù)合材料疲勞性能主要包括循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、S-N曲線、剩余強(qiáng)度和剩余剛度等。復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎為直線，一般不考慮其循環(huán)硬化/軟化，但蠕變/松弛現(xiàn)象明顯[29]。復(fù)合材料的S-N曲線與金屬材料相似，所以描述S-N曲線的表達(dá)式大多沿用金屬材料的表達(dá)式。吳富強(qiáng)等[30]給出了一個(gè)描述復(fù)合材料在靜強(qiáng)度破壞區(qū)、疲勞極限區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的S-N曲線表達(dá)式。Broutman等[31]對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料剩余強(qiáng)度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨加載次數(shù)增加剩余強(qiáng)度線性衰減。但其他復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，隨加載次數(shù)增加，材料的剩余強(qiáng)度并不隨其線性遞減。因此諸多非線性模型[32-34]被提出，它們均試圖對(duì)該規(guī)律做出更為合適的描述。Yao等[35]認(rèn)為復(fù)合材料在受拉伸疲勞載荷和受壓縮疲勞載荷作用時(shí)，其剩余強(qiáng)度按不同非線性規(guī)律衰減。Yang等[36]認(rèn)為復(fù)合材料剩余強(qiáng)度的衰減速率跟加載次數(shù)、應(yīng)力水平相關(guān)，并結(jié)合材料的壽命曲線模型提出一個(gè)模型對(duì)它們間的相互關(guān)系進(jìn)行了描述。研究發(fā)現(xiàn)，在疲勞載荷作用下，復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生變化，隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加剛度特性出現(xiàn)非常有規(guī)律的3階段連續(xù)下降，這就為研究復(fù)合材料的疲勞損傷并預(yù)測(cè)壽命提供了一個(gè)分析的基礎(chǔ)[37]。復(fù)合材料的剩余剛度受應(yīng)力水平、鋪層方式、材料性能、損傷狀態(tài)等諸多因素影響，它是復(fù)合材料內(nèi)在疲勞損傷的宏觀表現(xiàn)。很多研究者從試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，提出諸多宏觀唯象模型對(duì)復(fù)合材料剩余剛度衰減規(guī)律進(jìn)行描述。為了得到疲勞試驗(yàn)過(guò)程中試件剛度變化規(guī)律，試驗(yàn)中設(shè)定疲勞試驗(yàn)機(jī)在預(yù)定循環(huán)數(shù)時(shí)自動(dòng)對(duì)施加載荷值及夾頭位移值進(jìn)行采樣并紀(jì)錄。載荷差值和位移差值之比可以反映材料剛度變化。徐建新等[38]對(duì)多種復(fù)合材料進(jìn)行了剛度退化試驗(yàn)研究，隨載荷循環(huán)次數(shù)增加復(fù)合材料剩余剛度呈明顯下降趨勢(shì)，準(zhǔn)各向同性板的剛度衰減規(guī)律最為明顯。較高的應(yīng)力水平作用下，剛度退化不明顯，并且臨界剛度較大，疲勞破壞呈脆性破壞特征。

鑒于復(fù)合材料疲勞問(wèn)題的復(fù)雜性，環(huán)境效應(yīng)作用下復(fù)合材料疲勞方面的研究較少。孫崇強(qiáng)等[39]對(duì)T300/QY8911含中心孔層壓板在紫外輻射、潮濕等環(huán)境因素作用下的拉伸疲勞壽命進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究。紫外輻射后復(fù)合材料表面發(fā)生了明顯的顏色變化。C 掃描發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部損傷隨著拉-拉疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)展。紫外與潮濕的交互作用對(duì)復(fù)合材料孔板的疲勞壽命影響顯著。Patel等[40]對(duì)經(jīng)歷吸濕、高溫環(huán)境前后碳/環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞性能和剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，通過(guò)表面損傷、水分?jǐn)U散和材料性能的改變揭示了材料老化行為，高溫比吸濕對(duì)材料動(dòng)態(tài)剛度和剩余強(qiáng)度的衰減更為顯著。張阿盈等[41]研究了經(jīng)歷吸濕(室溫)/干燥前后T300/914復(fù)合材料的彎曲疲勞性能。隨吸濕量的增加，試樣的厚度增加，彎曲疲勞壽命逐漸降低，經(jīng)干燥處理后剩余彎曲強(qiáng)度增加。在疲勞循環(huán)載荷作用下吸濕老化試樣受到的損傷比原始態(tài)和干燥后的更加嚴(yán)重。

3 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在沖擊載荷作用下的行為研究

沖擊作用對(duì)復(fù)合材料的影響不容輕視，當(dāng)受到一定能量的沖擊后在其內(nèi)部通常會(huì)產(chǎn)生損傷。高能量的沖擊/撞擊會(huì)使材料表面產(chǎn)生凹坑、破損甚至穿透，低能量沖擊后材料表面的損傷不明顯，有時(shí)目視觀察難以發(fā)現(xiàn)，但在復(fù)合材料內(nèi)部和沖擊背面卻可能會(huì)發(fā)生如基體開(kāi)裂和擠壓破壞、分層及纖維斷裂等損傷[42]。沖擊/撞擊造成的內(nèi)部損傷將會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能，使其強(qiáng)度、剛度等指標(biāo)明顯下降，從而明顯降低復(fù)合材料的承載能力和抗沖擊能力，形成嚴(yán)重的安全隱患。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)層合板材質(zhì)與鋪層、沖擊能量、沖擊錘頭尺寸及形狀、接觸力等因素對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷的影響做了大量試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料受沖擊后所造成的內(nèi)部損傷以及剩余強(qiáng)度、模量等進(jìn)行了較為深入的試驗(yàn)研究和理論分析[43]。沈真等[44,45]通過(guò)大量復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)研究，對(duì)低能量沖擊和高能量沖擊進(jìn)行了定義說(shuō)明，歸納出四種沖擊損傷狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)了拐點(diǎn)現(xiàn)象。徐穎等[46]利用X光無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)試樣的沖擊損傷一般呈橢圓形，針對(duì)鋪層和尺寸不同的試樣歸納了沖擊能量對(duì)沖擊損傷面積和凹坑深度的影響。Baucom等[47]發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的損傷以橫向裂紋擴(kuò)展和界面分層為主，并且二者相互促進(jìn)。分層損傷會(huì)從層合板的受沖擊面沿縱向朝沖擊的背面進(jìn)行擴(kuò)展，損傷形狀一般呈花生殼狀。材料高速撞擊方面的研究大多集中在金屬材料領(lǐng)域，隨著防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，樹(shù)脂基復(fù)合材料得到應(yīng)用[48]。王洋[49]利用二級(jí)輕氣炮對(duì)M55J/AG-80復(fù)合材料的高速撞擊性能進(jìn)行了初步研究，復(fù)合材料依靠其自身的結(jié)構(gòu)破壞吸收彈丸部分動(dòng)能，纖維破壞和脫粘是吸收能量的主要方式。

目前，研究沖擊損傷特征的方法主要包括目視觀察、X 射線、C 掃描、聲發(fā)射、紅外熱分析、SEM、光學(xué)顯微鏡、熱揭層和光纖光柵等。傳統(tǒng)的復(fù)合材料抗沖擊性能評(píng)定方法主要是CAI(沖擊后壓縮強(qiáng)度)，國(guó)內(nèi)外測(cè)試CAI的試驗(yàn)方法很多，其中使用最多的方法包括SACMA/Boeing標(biāo)準(zhǔn)、NASA標(biāo)準(zhǔn)和GB/T21239-2007標(biāo)準(zhǔn)，但是至今尚沒(méi)有一個(gè)像ASTM標(biāo)準(zhǔn)一類的試驗(yàn)方法為大家普遍接受[50]。CAI試樣尺寸大，成本高，并且近年來(lái)眾多學(xué)者的研究結(jié)果表明CAI只適用于對(duì)損傷阻抗的評(píng)價(jià)，而不能對(duì)損傷容限進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，目前準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)方法得到了很好的發(fā)展[51-54]。Qi等[55]對(duì)濕熱前后碳/環(huán)氧復(fù)合材料沖擊損傷效應(yīng)進(jìn)行了分析，利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了沖擊損傷裂紋寬度及裂紋前端應(yīng)力分布，濕熱環(huán)境會(huì)導(dǎo)致沖擊損傷進(jìn)一步加劇。Aoki等[56]研究了濕熱對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料CAI的影響，試樣經(jīng)71℃水中浸泡10000h后分別于-54，22，82，121，149℃和177℃條件下測(cè)試了其CAI數(shù)值。吸濕試樣的分層區(qū)域和橫向裂紋數(shù)量比干態(tài)試樣要少，22，82，121℃條件下吸濕試樣的CAI數(shù)值比干態(tài)試樣高，但在149℃和177℃條件下由于Tg下降導(dǎo)致吸濕試樣的CAI數(shù)值比干態(tài)試樣略有減少。Zhang等[57]研究了孔隙率、濕熱和沖擊能量對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料沖擊阻抗和損傷容限的影響。損傷面積靠目測(cè)和C掃描來(lái)確定，利用熱揭層方法評(píng)價(jià)了損傷行為。吸濕量隨吸濕時(shí)間增加，吸濕曲線在初期符合Fick定律，但在后期不符合Fick定律。沖擊阻抗和損傷容限在9J沖擊能量時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，熱揭層試驗(yàn)的結(jié)果也表明沖擊損傷機(jī)制于9J時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。Mokhtar等[58]利用C掃描對(duì)70℃/RH85%條件下老化2100h的碳/環(huán)氧復(fù)合材料沖擊損傷進(jìn)行了研究。不同鋪層材料的吸濕規(guī)律相同，濕熱老化對(duì)沖擊損傷的影響不是很明顯，但對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部沖擊損傷形貌的影響卻很大。由以上研究結(jié)果可以看出，濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響還處于初步探索階段，部分研究結(jié)果相互矛盾，因此關(guān)于環(huán)境效應(yīng)作用下復(fù)合材料沖擊性能的研究有待進(jìn)一步深入。

4 結(jié)束語(yǔ)

典型空天環(huán)境對(duì)高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、質(zhì)損率和熱膨脹系數(shù)均會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，但目前針對(duì)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為所開(kāi)展的相關(guān)研究工作有限。為滿足研制新型空天飛行器的需要，必須對(duì)其主要的環(huán)境因素-真空、高低溫交變、濕熱與樹(shù)脂基復(fù)合材料的交互作用進(jìn)行深入研究，探尋復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能演化規(guī)律及損傷機(jī)理，為設(shè)計(jì)選材提供依據(jù)及指導(dǎo)，同時(shí)為建立我國(guó)的空天材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)提供支撐。

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State of Arts of the Dynamic Mechanical Behaviors ofHigh Performance Polymer Composites in Typical Aerospace Environments

GAO Yu1，WANG Zhao1，LU Chun1, BAO Jian-wen2,SONG En-peng3,DONG Shang-li4

(1 Liaoning Key Laboratory of General Aviation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2 Science and Technology on Advanced Composites Laboratory, Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095, China；3 Shenyang Aircraft Design & Research Institute,Shenyang 110035, China； 4 School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

With the rapid increase of carbon fiber reinforced resin matrix composites used in aircraft structure, their application gradually extends from non-load-bearing components to load-bearing components. The dynamic mechanical problems of the composite structures that are subjected to fatigue, low velocity impact and high velocity impact have attracted broad attention from both domestic and foreign researchers. The interactions between typical aerospace environmental factors with carbon fiber reinforced resin matrix composites are summarized. The behaviors of the composites under fatigue loading, low velocity impact and high velocity impact was mainly discussed. The effect of coupling between environment damage and dynamic load on dynamic mechanical properties of carbon fiber reinforced resin matrix composites are described. The aim of this work is to provide beneficial reference for the application of polymer matrix composites in aerospace vehicles.

polymer-matrix composites;environmental damage;dynamic mechanical behavior;fracture;ageing

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.03.018

V45

A

1001-4381(2015)03-0106-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51373102，51073094)；航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2011ZF54019)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2011013)；遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”項(xiàng)目(2012921043)；沈陽(yáng)市人才專項(xiàng)基金(2012081203019)

2013-04-15；

2014-07-16

高禹(1971-)，男，教授/博士，主要從事先進(jìn)碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料在空間環(huán)境因素作用下?lián)p傷效應(yīng)及機(jī)理的研究，聯(lián)系地址：遼寧省沈陽(yáng)市沈北新區(qū)道義南大街37號(hào)沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(110136)，E-mail:gaoyu@sau.edu.cn