馬少華， 郭洪杰， 回 麗， 王勇剛

(1.沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽110136;2.中國南方航空股份有限公司 沈陽維修基地，沈陽110169;3.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點實驗室，沈陽110136)

復合材料由于具有比強度高、比剛度優(yōu)、材料可設計性等優(yōu)良特性，已經(jīng)被廣泛應用于航空航天等領域。復合材料結構在受到工具墜落、設備撞擊等低速沖擊時，結構容易產(chǎn)生損傷。并且表面損傷一般較小，難以觀察，內(nèi)部卻會產(chǎn)生基體開裂、基纖剪切、分層和纖維斷裂等微觀損傷，這些內(nèi)部損傷會使層合結構的力學性能嚴重退化，造成復合材料構件承載能力下降，強度甚至可削弱35% ～40%［1］，對結構的整體破壞和失效形成潛在的威脅，產(chǎn)生嚴重的安全隱患。

復合材料的低速沖擊損傷及沖擊后壓縮強度的研究，多年來一直受到國內(nèi)外研究者的關注。林智育等［2］對兩種材料體系和鋪層的復合材料層壓板進行低速沖擊后壓縮強度試驗，研究了沖擊后壓縮的破壞機理，并研究了表面凹坑深度、背面基體裂紋長度、損傷面積以及剩余壓縮強度與沖擊能量的關系。楊旭等［3］對具有不同厚度及鋪層的層壓板進行了低速沖擊和沖擊后壓縮試驗，研究了沖擊能量、凹坑深度、損傷面積及沖擊后剩余壓縮強度等之間的關系，以及厚度、鋪層、表面防護等因素對其造成的影響。屈天驕等［4］研究了不同影響因素對低速沖擊下復合材料層壓板損傷性能的影響，討論了材料體系、沖擊能量、沖頭形狀和直徑、層鋪序列與損傷性能之間的關系。Michael 等［5］分析了干態(tài)和濕態(tài)條件下機織復合材料層壓板的低速沖擊損傷及其剩余壓縮強度。楊宇等［6］分析了分層損傷在層壓板內(nèi)的立體分布情況，對層壓板壓縮破壞過程進行了觀察，研究了含沖擊損傷復合材料層壓板的壓縮破壞機制。崔海超等［7］對未增韌及增韌后的復合材料層壓板進行了低速沖擊實驗，研究了增韌前后凹坑深度、表面損傷直徑及沖擊能量的關聯(lián)性，通過對沖擊過程中的接觸力與時間的分析，探討了沖擊過程中復合材料層壓板的損傷過程。

平面編織復合材料層壓板與傳統(tǒng)的層壓板相比，具有較好的層間剛度、層間強度和韌性，可適應高效率的自動化生產(chǎn)方式，鋪層性也較好，在模塑過程中，能保持纖維不錯位，易于制造各種不規(guī)則外形的構件，而且編織結構在微結構上滿足一定特殊力學要求，在一定程度上提高了材料的抗沖擊性能，使得編織復合材料在飛機結構上得到廣泛應用［8～10］。

本工作主要對機織物/雙馬樹脂的層壓板在不同沖擊能量下的損傷特性以及沖擊后壓縮特性進行研究，分析表面凹坑深度、損傷面積以及剩余壓縮強度與沖擊能量的關系。對壓縮后層壓板的斷口進行宏觀觀察，分析不同等級損傷對壓縮失效特征的影響。

1 實驗

1.1 試件

試件選用碳纖維平面織物和雙馬來酰亞胺(BMI)為基體材料壓制成的復合材料層壓板，為150mm×100mm ×4.8mm的矩形試樣，鋪層順序采用準各向同性鋪層［+45/0/ －45/90］6S。對該種試驗件共進行了8 種不同能量的沖擊試驗，沖擊能量從小到大依次為5J，10J，20J，30J，40J，50J，60J，70J。每種能量沖擊的試驗結果為4個試樣的平均值。

1.2 實驗裝置

采用自由落體式?jīng)_擊裝置對復合材料層壓板進行沖擊損傷預制。落錘的質(zhì)量為5.5kg，具有一個直徑為16mm 的鋼質(zhì)半球形沖頭，沖頭軸線與試件平面垂直，通過調(diào)整落錘的下落高度，可以獲得所需的沖擊能量，在沖擊過程中所有的試件均保證不發(fā)生二次沖擊。沖擊時試件支持夾具滿足ASTM D7136—2012［11］的標準要求，如圖1 所示。沖擊后壓縮試驗夾具滿足ASTM D7137—2012［12］的標準要求，如圖2 所示。

圖1 沖擊支持夾具Fig.1 Impact hold equipment

圖2 沖擊后壓縮試驗夾具Fig.2 Compress equipment after impact

1.3 損傷的測量

損傷的測量包括凹坑深度的測量和損傷面積的測量。凹坑深度采用測量精度為0. 001mm的千分表來測量。在測量過程中需要將試件和千分表固定在專門的夾具上以消除試件表面不平所帶來的影響，在沖擊試驗后需要馬上測量凹坑深度。損傷面積采用超聲C 掃描裝置給出的測量結果。

2 結果與分析

2.1 沖擊損傷

沖擊試驗完成后，馬上對不同沖擊能量試件上的凹坑深度進行測量，得到?jīng)_擊能量與凹坑深度的關系曲線如圖3 所示。

圖3 沖擊能量與凹坑深度曲線Fig.3 The changing curve of dent depth with impact energy

從圖3 可以看出，隨著沖擊能量的增大，表面凹坑深度逐漸增大。當沖擊能量較小時，凹坑深度隨沖擊能量的增加緩慢增加，40J 附近出現(xiàn)拐點，沖擊能量大于40J 后，凹坑深度隨沖擊能量的增加迅速增加。拐點的出現(xiàn)可能是由于隨著沖擊能量的增加，在基體開裂后，纖維成為主要的承載體，纖維的斷裂造成了凹坑深度的突然增加。

相關研究［13～15］依據(jù)凹坑深度將沖擊損傷分為無損傷、前表面目視勉強可見、前表面目視可見及穿透性損傷四個等級。在沖擊試驗完成后，選取典型沖擊損傷的試件進行觀察，圖4 為目視條件下不同沖擊能量下層壓板前后表面的損傷情況。

從圖4 可以看出，沖擊能量為5J 時，試件正面和背面均沒有損傷。沖擊能量為30J 時，試件沖擊正面有輕微的樹脂脫落，損傷為較淺的凹坑，但凹坑不明顯。沖擊背面微微突起，且45°方向有明顯的基體開裂，裂紋長度較小。沖擊能量為50J 時，試件沖擊正面損傷為一近似圓形的凹坑，凹坑邊緣有少量的纖維斷裂，沖擊背面有較大的突起，有分層和明顯的纖維斷裂，且45°方向有明顯的基體開裂，裂紋長度增大。沖擊能量為70J 時，沖擊正面損傷為一個很深的圓形凹坑，凹坑邊緣可見纖維斷裂和基體開裂，沖擊背面突起嚴重，分層特征明顯，可見明顯的纖維斷裂和45°方向的基體開裂。

圖4 沖擊表面(左圖)和沖擊背面(右圖)外觀損傷Fig.4 The damage of front surface (left)and back surface (right)after impact (a)5J;(b)30J;(c)50J;(d)70J

采用超聲C 掃描測量沖擊后試件損傷面積，得出損傷面積與沖擊能量之間的變化規(guī)律以及試件沖擊后超聲C 掃描圖像，如圖5 和圖6 所示。由圖6可見，隨著沖擊能量的增大，試件的損傷面積逐漸擴大，說明試件內(nèi)部的損傷程度逐漸加重。當沖擊能量為5J 時，內(nèi)部無明顯損傷，沖擊能量低于損傷門檻值。當沖擊能量為30J 時，試件內(nèi)部有明顯的損傷，損傷形貌近似于圓形。隨著沖擊能量的增加，試件內(nèi)部損傷面積逐漸增大，在沖擊能量和凹坑深度的拐點之后，沖擊能量達到50J 時，由于沖頭直徑是不變的，纖維損傷面積有限，從而使損傷面積增加緩慢。當沖擊能量為70J，達到穿透損傷后，損傷面積基本不變，此時損傷區(qū)域近似為橢圓形，長軸沿45°方向。

圖5 損傷面積和沖擊能量曲線Fig.5 The changing curve of damage area with impact energy

圖6 不同沖擊能量的超聲C 掃描圖像Fig.6 C-scan photos under different impact energy (a)5J;(b)30J;(c)50J;(d)70J

2.2 沖擊后壓縮強度

在試件完成沖擊損傷之后，進行沖擊后壓縮試驗。為防止試件在壓縮載荷下失穩(wěn)彎曲，試件置于夾具上下、左右的槽中，并在左右兩側各放兩個側板以使試件只在面內(nèi)產(chǎn)生變形，不產(chǎn)生橫向位移，保證試件受到的是面內(nèi)載荷。試件在受到破壞時，會發(fā)出巨大的響聲。前后表面的典型破壞形式如圖7 所示。從圖可以看出試件的破壞均起始于沖擊損傷區(qū)域，在平行載荷方向沒有變化，而在垂直于載荷的方向上向兩邊擴展，當損傷擴展到試件邊緣，前后表面鋪層纖維發(fā)生斷裂，試件最終整體失效。除損傷斷裂部位外，試件其余部分保持著較好的外觀形態(tài)，在試件前后表面的所有破壞區(qū)域都包含沖擊損傷區(qū)域。

圖7 壓縮后試件的破壞形式Fig.7 The damage of test sample after compression (a)30J front surface(left)and back surface(right);(b)70J front surface (left)and back surface (right)

圖8 沖擊能量和剩余壓縮強度曲線Fig.8 The changing curve of residual compressive strength with impact energy

沖擊能量和剩余壓縮強度關系的曲線如圖8 所示，隨著沖擊能量的增加，試件的剩余壓縮強度逐漸降低，但二者之間并不是線性關系，在40J 左右存在著拐點，從曲線來看，隨著沖擊能量的增加，剩余壓縮強度降低幅度有變緩的趨勢。這主要是由于之前復合材料由纖維和基體共同承受沖擊，損傷只是產(chǎn)生基體裂紋和層間分層。隨著沖擊能量的增加，纖維產(chǎn)生斷裂，纖維斷裂損傷對剩余壓縮強度的影響較大，但是沖頭的直徑是固定的，在出現(xiàn)拐點之后纖維斷裂損傷面積只會有少量的增加。因此，就整體趨勢而言，剩余壓縮強度會隨著沖擊能量的增加，下降幅度變緩。

將壓縮破壞后的試件沿加載力方向從中間切開，通過體視顯微鏡對沖擊中心區(qū)域的側面形貌進行觀察，分析不同等級損傷對壓縮失效特征的影響，如圖9 所示。當沖擊能量為5J 時，其失效模式為剪切分層失效。30J 時，層壓板斷口側面可見輕微的纖維斷裂和分層，主要是剪切失效特征，無微屈曲特征。50J 時，斷口側面可見明顯的分層特征和少量的纖維斷裂，斷口側面有少量的屈曲特征。70J 時，可見明顯的纖維斷裂、樹脂脫落和嚴重的分層，斷口側面有明顯的屈曲特征且屈曲面積較大。

圖9 壓縮后的側面體式形貌Fig.9 The side face of stereo microscope after compression (a)5J;(b)30J;(c)50J;(d)70J

3 結論

(1)當沖擊能量為5J，30J，50J，70J 時，沖擊損傷分別為無損傷、前表面目視勉強可見、前表面目視可見及穿透性損傷四個等級。

(2)隨著沖擊能量的增大，表面凹坑深度逐漸增大，但是二者之間并不滿足線性關系，在40J 附近存在拐點。在拐點之前凹坑深度增加緩慢，在拐點之后凹坑深度隨沖擊能量的增加迅速增加。

(3)隨著沖擊能量的增大，損傷面積逐漸增大，剩余壓縮強度逐漸降低，最后都有變緩的趨勢，損傷面積在達到穿透性損傷后基本不變。

(4)不同等級損傷的失效特征不同，無損傷和目視勉強可見主要為分層失效;目視可見主要為基體開裂與分層，有少量的屈曲特征;穿透性損傷主要為纖維斷裂、樹脂脫落和嚴重的分層，有明顯的屈曲特征且屈曲面積較大。

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