徐　崢,李昕鈺,周　娥,鄔冠華

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

?

碳纖維層壓板沖擊損傷形狀與沖擊能量的相關(guān)性分析

徐崢,李昕鈺,周娥,鄔冠華

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

摘要：復(fù)合材料因其優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但其受到冰雹、跑道碎石等低速?zèng)_擊時(shí)易產(chǎn)生損傷，而目視不可見(jiàn)的損傷會(huì)大大降低材料的壽命。以碳纖維/樹脂基復(fù)合材料層合板為例，通過(guò)超聲C 掃描檢測(cè)方法獲得損傷尺寸，根據(jù)相關(guān)性原理分析其損傷面積、最大損傷直徑、損傷長(zhǎng)度及損傷寬度等參數(shù)與沖擊能量的關(guān)系，結(jié)果表明：損傷面積可作為描述復(fù)合材料沖擊損傷狀態(tài)最合適的損傷參數(shù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；損傷參數(shù)；沖擊能量；相關(guān)性分析

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡(jiǎn)稱CFRP)是以樹脂、陶瓷、水泥或橡膠等為基體，以碳纖維及其二維編織物為增強(qiáng)體的優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料。 CFRP具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1],且具有在成型過(guò)程中易大面積整體成型且成型穩(wěn)定的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域特別是飛機(jī)制造業(yè)中 。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，在大型客機(jī)上的使用量已達(dá)到15%50%,在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上達(dá)到70%80%[2]。

與其他任何材料一樣，CFRP在制造和使用過(guò)程中也存在損傷問(wèn)題。如碳纖維/樹脂基復(fù)合材料，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，會(huì)受到以沖擊損傷為主的損傷，如跑道上濺起的沙石、冰雹與飛鳥的撞擊，掉落的工具與設(shè)備的碰撞等引起的損傷。高速?zèng)_擊會(huì)擊穿層壓板，可通過(guò)目視檢測(cè)出并進(jìn)行修補(bǔ)。低速?zèng)_擊由于能量較低也稱低能沖擊，易使復(fù)合材料產(chǎn)生目視不可見(jiàn)的內(nèi)部損傷，如基體開裂、分層和纖維斷裂等[3]；這些內(nèi)部損傷隱蔽性和危害性很大，可能導(dǎo)致層壓結(jié)構(gòu)力學(xué)性能嚴(yán)重退化，結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度大幅降低，其中剩余壓縮強(qiáng)度(CAI)下降幅度可達(dá)60%以上[4]。所以對(duì)其損傷規(guī)律和損傷阻抗的研究成為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制、設(shè)計(jì)與質(zhì)量檢驗(yàn)的重大課題，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

筆者對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中單向鋪層碳纖維層壓板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，并使用超聲C掃描檢測(cè)方法獲取沖擊損傷缺陷C掃圖，測(cè)量記錄了損傷面積、最大損傷直徑、損傷長(zhǎng)度、損傷寬度4種參數(shù)，并利用相關(guān)性原理對(duì)各參數(shù)與沖擊能量間的規(guī)律進(jìn)行了分析。

1碳纖維層壓結(jié)構(gòu)及其低能沖擊試驗(yàn)

1.1碳纖維復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)

主要分析對(duì)象是單向鋪層碳纖維/樹脂基復(fù)合材料層壓板，其外形尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為150 mm×100 mm×3.11 mm，單向鋪層示意如圖1所示。

圖1　CFRP層壓板單向鋪層示意

單向鋪層碳纖維/樹脂基復(fù)合材料層壓板鋪層順序?yàn)閇45/0/-45/90/45/0/-45/90]s(編號(hào)是鋪層的方向,s表示對(duì)稱鋪設(shè))，即以中心對(duì)稱鋪設(shè)的16層層壓板。

圖2　落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)外觀

1.2沖擊試驗(yàn)

應(yīng)用于航空零部件的碳纖維復(fù)合材料多承受來(lái)自冰雹、設(shè)備撞擊和人力踩踏等沖擊源產(chǎn)生的沖擊，這些沖擊現(xiàn)象類似于自由落體，故文章選擇的沖擊試驗(yàn)設(shè)備為自行研制的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2)。沖擊頭形狀為半球狀，球頭直徑16 mm，材料為經(jīng)過(guò)熱處理的45鋼。落錘高度可調(diào)，通過(guò)控制落錘的高度達(dá)到所需沖擊能量，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄保存相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行了多種不同能量的沖擊試驗(yàn)。

1.3沖擊損傷目視檢測(cè)結(jié)果

目視檢測(cè)各典型試件的外觀損傷情況，檢查結(jié)果表明：在某些沖擊能量等級(jí)下，沖擊點(diǎn)表面出現(xiàn)了深淺不一的近圓形表面凹坑，在凹坑的邊緣處可以觀察到有少量的纖維斷裂現(xiàn)象；部分沖擊試件背部表面則產(chǎn)生了沿著外層纖維鋪設(shè)方向的基體開裂和少量纖維斷裂，裂紋以±45°方向?yàn)橹?“+”或“-”取決于試件最外層鋪設(shè)角度)，且背面損傷面積大于正面。而某些能量等級(jí)沖擊下，試件表面并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷特征[5]。部分試件受沖擊損傷后前后表面的損傷形貌如圖3所示。

圖3　部分沖擊試件的目視檢測(cè)結(jié)果

從圖3(a)、(b)中幾乎看不到試樣表面(正面與背面)的沖擊損傷;但從圖3(c)、(d)中可清晰地看出，因沖擊載荷作用，在復(fù)合材料試樣表面與內(nèi)部均產(chǎn)生了非常明顯的損傷?？梢?jiàn)，只有當(dāng)沖擊能量足夠大而使得材料前表面出現(xiàn)明顯的凹坑時(shí)，目視檢測(cè)方法才能識(shí)別材料內(nèi)部的沖擊損傷；當(dāng)沖擊能量很小不足以使材料前表面發(fā)生破損時(shí)，簡(jiǎn)單的目視檢測(cè)方法對(duì)于確定不易識(shí)別的層壓板的內(nèi)部沖擊損傷是無(wú)能為力的[6]。

2碳纖維復(fù)合材料層壓板超聲水浸C掃描檢測(cè)

2.1碳纖維復(fù)合材料層壓板沖擊損傷C掃描結(jié)果

圖4　C1系列鋪層板最外層損傷形貌

所采用的設(shè)備是試驗(yàn)室自主研發(fā)的超聲C掃描自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)后期信號(hào)提取與處理、成像與存儲(chǔ)等采用集數(shù)據(jù)分析、成像功能于一體的交互式軟件EVA實(shí)現(xiàn)。對(duì)所有層壓板進(jìn)行100%超聲水浸C掃描檢測(cè)，通過(guò)EVA成像與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)結(jié)合自定義程序?qū)⒊旵掃描數(shù)據(jù)沿深度方向剖開，可觀察不同鋪層的損傷形貌;其原理是通過(guò)工件總厚度及鋪層數(shù)計(jì)算出復(fù)合材料層壓板單一鋪層厚度，將C掃描記錄下的工件超聲回波數(shù)據(jù)按鋪層厚度截取并以該截面回波幅值成像[7]，得到每層形貌如圖4所示。此層壓板為對(duì)稱鋪設(shè)，一共16層(從上至下總共16層,上面8層與下面8層對(duì)稱)，結(jié)果顯示，C掃描圖上顯示較明顯的沖擊損傷缺陷，與目視觀察的結(jié)果相比，沖擊損傷面積明顯增大，層壓板內(nèi)部的損傷逐步擴(kuò)展，不同鋪層方式的層壓板損傷形貌各不相同。C掃描損傷投影區(qū)域長(zhǎng)軸與最外層鋪設(shè)角度一致。

2.2沖擊損傷參數(shù)測(cè)量

通過(guò)EVA成像與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)結(jié)合自定義程序?qū)⒊旵掃描數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并按照相關(guān)規(guī)定利用IMAGEJ軟件計(jì)算并統(tǒng)計(jì)出各受沖擊試件的損傷尺寸，包括損傷面積、最大損傷直徑、損傷長(zhǎng)度、損傷寬度，其測(cè)量方法如圖5所示：水平方向?yàn)?°纖維方向，沿著該方向的損傷尺寸為損傷長(zhǎng)度。垂直方向?yàn)?0°纖維方向，沿著該方向的損傷尺寸為損傷寬度。順時(shí)針45°方向?yàn)?5°纖維方向，逆時(shí)針45°方向?yàn)?45°纖維方向;由于基體裂紋一般產(chǎn)生于該方向，是損傷區(qū)域中兩點(diǎn)之間最遠(yuǎn)的距離，所以沿著該方向的損傷尺寸為最大損傷直徑。

圖5　沖擊損傷范圍測(cè)量示意

3超聲C掃描結(jié)果分析及相關(guān)性分析

3.1超聲C掃描結(jié)果分析

現(xiàn)對(duì)受不同沖擊能量的單向鋪層層壓板C掃描后，進(jìn)行逐層分析，測(cè)量記錄各層沖擊損傷參數(shù)。通過(guò)Origin軟件，得到不同沖擊能量下層壓板層數(shù)與各個(gè)沖擊損傷參數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6　不同能量下層壓板各層沖擊損傷參數(shù)的對(duì)比曲線

由圖6(a)、(b)可知，對(duì)于單向鋪層層壓板，損傷面積和最大損傷直徑隨著沖擊能量的增大而增大，但在離受沖擊面較近的鋪層，損傷面積和損傷直徑相差很小，無(wú)法體現(xiàn)這一規(guī)律，而在離沖擊背面最近的2～3層中可以很明顯的看出此規(guī)律。由圖6(c)、(d)可知，損傷長(zhǎng)度和損傷寬度在一定程度上能反應(yīng)層壓板各層沖擊損傷情況，但是效果并不明顯，尤其是對(duì)層壓板離沖擊背面最近的2～3層的測(cè)量更無(wú)法有效體現(xiàn)層壓板的實(shí)際損傷情況。

根據(jù)以上分析可知，對(duì)于單向鋪層板，離沖擊背面較近的2～3層可以較好地體現(xiàn)沖擊能量與沖擊損傷的關(guān)系。這是因?yàn)樵跊_擊載荷作用下，層壓結(jié)構(gòu)中樹脂和纖維共同抵抗沖擊，其實(shí)質(zhì)是以彈性形變或者基體裂紋和層間分層等損傷破壞形式吸收沖擊能量。層壓板各層離沖擊背面越近，損傷面積越大，最大損傷直徑也越大，更能體現(xiàn)受沖擊損傷情況。因此，選取離沖擊背面最近一層進(jìn)行研究分析。

3.2沖擊損傷參數(shù)相關(guān)性分析

對(duì)全部24塊受沖擊后單向鋪層層壓板離沖擊背面最近的一層進(jìn)行測(cè)量，記錄四項(xiàng)損傷參數(shù)，得到該層能量與各個(gè)沖擊損傷參數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7　離沖擊背面最近一層層壓板的損傷參數(shù)與沖擊能量的關(guān)系曲線

由圖7得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，基于相關(guān)性原理，通過(guò)SPSS軟件對(duì)超聲C掃描結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，分別求得離沖擊背面最近一層單向鋪層層壓板沖擊能量與4種損傷參數(shù)的相關(guān)性(采樣數(shù)均為24)，如表1所示。表1中★★表示顯著性水平小于0.01，★表示顯著性水平小于0.05。

由表1可知，沖擊損傷面積與沖擊能量有較大的相關(guān)性，在小于0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)最大，為0.877；最大損傷直徑、損傷長(zhǎng)度與能量之間的相關(guān)系數(shù)稍低，分別為0.856和0.677，且在小于0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；而損傷寬度與沖擊能量的相關(guān)系數(shù)最小，相關(guān)系數(shù)為0.383，相關(guān)性不顯著，顯著性水平為0.065。通過(guò)比較可知，損傷面積與沖擊能量的線性相關(guān)關(guān)系最顯著。

表1單向鋪層層壓板沖擊能量與

4種損傷參數(shù)的相關(guān)性

相關(guān)性分析損傷參數(shù)面積最大損傷直徑損傷長(zhǎng)度損傷寬度Pearson相關(guān)性0.877★★0.856★★0.677★★0.383★顯著性(雙側(cè))0.0000.0000.0000.065

4結(jié)論

(1) 將超聲C掃描檢測(cè)用于受沖擊的碳纖維/樹脂基復(fù)合材料層壓板的檢測(cè)，可以獲得受沖擊損傷層壓板各層損傷形貌，并能夠獲取損傷面積、最大損傷直徑、損傷長(zhǎng)度和損傷寬度等尺寸。

(2) 對(duì)比單向鋪層層壓板在不同能量沖擊載荷作用下的損傷參數(shù)，發(fā)現(xiàn)層壓板各層離沖擊背面越近損傷越嚴(yán)重，同時(shí)也最能體現(xiàn)沖擊能量與沖擊損傷的關(guān)系。

(3) 基于相關(guān)性原理對(duì)比各損傷參數(shù)與沖擊能量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)損傷面積是最適合評(píng)價(jià)碳纖維層壓板抗沖擊損傷能力的損傷參數(shù)。

參考文獻(xiàn):

[1]許麗丹,王瀾. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用研究[J]. 塑料制造,2007,1(2):81-85.

[2]王春凈,代云霏.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010, 23(02):14-15.

[3]王丹. 碳纖維/樹脂基復(fù)合材料沖擊損傷無(wú)損檢測(cè)工藝研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2011.

[4]MIL-A-87221Military specification aircraft structure general specification[S].

[5]范金娟，趙旭，程小全.復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊后壓縮損傷特征研究[J].失效分析與預(yù)防，2006，1(2)：33-35.

[6]顧國(guó)慶，王開福.復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊損傷激光散斑干涉無(wú)損檢測(cè)研究[J].應(yīng)用激光， 2012，32(6):526-530.

[7]劉松平，郭恩明. 復(fù)合材料深度方向超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2001,23(1)：13-15.

Correlation Analysis on the Impact Damage Shape and Impact Energy for Carbon Fiber Laminate

XU Zheng , LI Xin-yu, ZHOU E, WU Guan-hua

(Key Laboratory of Nondestructive Testing (Ministry of Education), Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Abstract：Composite material has been widely applied in fields of aeronautics and astronautics because of its excellent performance, but it is very sensitive to low speed impact injury such as the hail, the runway debris and drop hammer. Visually invisible damage will greatly reduce the material life. In this paper, carbon fiber/resin matrix composite laminated plate was taken for example, and the damage size was obtained by ultrasonic C scan detection method. According to the principle of correlation, the relationship between the damage area, the maximum damage diameter, the length of damage and the width of the impact energy is analyzed. The results show that the damage area can be used to describe the most appropriate damage parameters for composite impact damage.

Key words:Carbon fiber composite; Damage parameter; Impact energy; Correlation analysis

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)04-0006-04

DOI:10.11973/wsjc201604002

作者簡(jiǎn)介：徐崢(1990-)，男，碩士研究生，主要從事超聲檢測(cè)技術(shù)的研究。通信作者： 徐崢，E-mail:279341138@qq.com。

收稿日期：2015-06-29