梁鳳飛，崔孝展

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高、抗疲勞、耐腐蝕性能好及可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正日益廣泛地被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。統(tǒng)計研究表明，復(fù)合材料制件在飛機(jī)上的應(yīng)用，可減輕結(jié)構(gòu)重量20%～30%[1]。此外，復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[2]。金屬材料結(jié)構(gòu)以沖擊部位的塑性變形為能量吸收的主要形式，而復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)靠彈性變形和損傷破壞來吸收能量[3]由于復(fù)合材料本身特有的結(jié)構(gòu)特征，決定了其層間強(qiáng)度很低，因此，其對外部沖擊載荷作用敏感。在其制造、使用和維修過程中，復(fù)合材料層壓板不可避免地會受到外來物的沖擊，從而造成零件的損傷和承載能力的下降。Liu和Malvern等人[4]提出可以根據(jù)沖擊造成的損傷劃分沖擊的類型，外來物對復(fù)合材料的沖擊可分為兩類：高速沖擊和低速沖擊。復(fù)合材料層壓板受高速沖擊后的主要特征是纖維斷裂，而受低速沖擊后的主要特征是樹脂基體開裂和分層。

高速沖擊往往造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的明顯變形或穿透，這些損傷在制件的維護(hù)過程中容易被檢測并進(jìn)行修補(bǔ)。對于在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用的復(fù)合材料制件，經(jīng)常會遭受到石子、冰雹、維修中不慎掉落的工具以及工人暴力踩踏等低速沖擊作用。經(jīng)低速沖擊作用后，復(fù)合材料表面幾乎看不出損傷及缺陷(Barely Visible Impact Damage，簡稱 BVID)，但內(nèi)部卻會產(chǎn)生大面積的基體開裂、基體與纖維界面脫粘及分層等損傷，特別是在制件受沖擊的背面會出現(xiàn)較大的分層損傷。這些損傷在制件的維護(hù)修理過程中難以檢測，卻可造成其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度削弱達(dá)35%～ 40%[5]。尤其是結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度大幅下降，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全造成潛在影響，甚至直接導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，研究復(fù)合材料層壓板的低速沖擊損傷及沖擊后壓縮強(qiáng)度問題具有重要的理論與實踐意義。本文將采用美國材料與試驗協(xié)會纖維增強(qiáng)聚合物基體復(fù)合材料抗落錘撞擊損失測量的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(ASTM D7136/7137)，對一種T800級碳纖維復(fù)合材料層壓板，研究其受沖擊損傷后的壓縮性能。

1 試驗過程與方法

1.1 試驗方法

本文按照ASTM D7136(測量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對落錘沖擊事件的損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法)制造試驗件并引入沖擊損傷，試驗件尺寸如圖1所示。

圖1 試驗件尺寸

*注：1.除特別說明外，所有單位為英寸；2.除特別說明外，所有尺寸公差為±0.010

圖2 沖擊引入及壓縮試驗圖

采用ASTM D7137(含損傷聚合物基復(fù)合材料板壓縮剩余強(qiáng)度性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法)測試受損傷后試驗件的壓縮性能，并采用超聲C掃描的手段檢測研究試驗件內(nèi)部的損傷狀況。試驗中試驗件的支持及加載狀態(tài)如圖2所示。

1.2 試驗件種類描述

本文中層壓板試驗件所采用的材料為T800級碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料M21/34%/UD194/IMA-12K，單層厚度為0.184mm。試驗共設(shè)計三種鋪層種類，代號分別記為A、B、C，具體鋪層總數(shù)及鋪層順序見表1。每個種類下設(shè)計試驗件15件，本文中除特別說明，所列數(shù)據(jù)為統(tǒng)計平均值，試驗的環(huán)境為室溫大氣環(huán)境(23℃±3℃)。

表1 試驗件種類統(tǒng)計

2 結(jié)果分析與討論

2.1 沖擊損傷模式及分析

試驗中，采用不同能量的沖擊作用對試驗件引入沖擊損傷。沖擊能量、損傷區(qū)域與試驗件的對應(yīng)關(guān)系見表2。沖擊后，采用超聲C掃描的手段檢測研究試驗件內(nèi)部的損傷狀況，如圖3所示。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊能量的增加，試樣損傷程度趨于嚴(yán)重。另外，隨著沖擊能量的增大，試驗件的損傷區(qū)域不斷增大，這與目視損傷得到的結(jié)果相同。

表2 試驗件沖擊能量與損傷區(qū)域表

圖3沖擊后試驗件C掃描圖

對比相同能量下超聲C 掃描結(jié)果與試樣背面照片可以看出，由超聲C 掃描得到的損傷面積更大，這是因為超聲C 掃描可以探測到試樣目視很難看到的損傷(BVID)。在圖中，超聲C 掃描與所顯示的損傷形貌基本相同并接近圓形，這是由于在低速沖擊下，單向碳纖維樹脂基復(fù)合材料各層的損傷形貌應(yīng)為花生狀且長軸方向與相鄰層的鋪層角度相關(guān)[6]，又因為本文中試樣的鋪層方式比較復(fù)雜，超聲C 掃描得到的損傷圖像是多層損傷圖形疊加的結(jié)果，因此損傷形貌近似呈圓形。

2.2 壓縮破壞模式及分析

壓縮試驗后，試驗件的破壞模式均為側(cè)向穿過損傷區(qū)中間的壓縮破壞(LDM①)。這是由于在壓縮過程中低速沖擊的裂紋及纖維損傷會繼續(xù)擴(kuò)展，在較低載荷水平下試驗件的沖擊背面就會出現(xiàn)局部屈曲，因應(yīng)力集中而發(fā)生分層和纖維斷裂等損傷擴(kuò)展，導(dǎo)致層壓板最終破壞。

2.3 凹坑深度和沖擊能量的關(guān)系

復(fù)合材料沖擊損傷尺寸一般采用損傷面積、損傷寬度和凹坑深度等三個參數(shù)來表征[7]。試驗中，選擇不同能量對試驗件進(jìn)行沖擊作用，測量試驗件被沖擊所產(chǎn)生凹坑深度，如圖4所示。

圖4 凹坑深度-沖擊能量關(guān)系圖

在沖擊作用下，層壓板受沖擊表面產(chǎn)生凹坑。隨即測量凹坑深度，得到圖4凹坑深度-沖擊能量關(guān)系圖。從圖中可以看出，深度的凹坑深度隨沖擊能量的增加而增大，隨著纖維大面積斷裂, 整個層壓板被壓頭穿透。但沖擊能量與凹坑深度曲線在凹坑深度約為1.0mm處出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，凹坑深度隨沖擊能量的增加而緩慢增大；但在轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)以后(即凹坑深度約超過1.0mm后)，凹坑深度隨沖擊能量的增加而迅速增大。沈真[8]等人將這個轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為拐點(diǎn), 拐點(diǎn)現(xiàn)象的物理意義是復(fù)合材料層壓板受沖擊點(diǎn)附近表面層纖維開始斷裂，表明復(fù)合材料層壓板對外部沖擊力的抵抗機(jī)理發(fā)生了突變，宏觀上表現(xiàn)為沖擊后壓縮強(qiáng)度上不再繼續(xù)下降。

鑒于此，國內(nèi)軍民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)執(zhí)行的BVID標(biāo)準(zhǔn)為：復(fù)合材料層壓板在直徑為16mm沖頭的沖擊作用后，立即測量凹坑深度，在凹坑深度為1.0mm處的沖擊損傷，用此處(拐點(diǎn)處)的壓縮破壞強(qiáng)度來表征含損傷復(fù)合材料的承載能力。

2.4 凹坑深度和破壞強(qiáng)度/應(yīng)變的關(guān)系

統(tǒng)計試驗后受沖擊試驗件上凹坑深度和壓縮破壞強(qiáng)度/應(yīng)變的關(guān)系，如圖5所示。

從關(guān)系曲線中可以看出，當(dāng)凹坑深度小于1.0mm，層壓板沖擊后壓縮破壞強(qiáng)度和應(yīng)變隨凹坑深度的增加而顯著降低，但當(dāng)凹坑深度超過1.0mm后，其沖擊后壓縮破壞強(qiáng)度和應(yīng)變幾乎不再隨凹坑深度的增加而降低，因此，取凹坑深度在1.0mm附近試件的破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的平均值，即得到該鋪層的沖擊后壓縮強(qiáng)度和破壞應(yīng)變許用值。由此我們得到：A鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度值為221MPa，破壞應(yīng)變值為3268με；B鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度值為227MPa，破壞應(yīng)變值為2816με；C鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度值為218MPa，破壞應(yīng)變值為3489με。

圖5 凹坑深度-破壞強(qiáng)度/應(yīng)變關(guān)系圖

3 結(jié)語

(1)壓縮試驗完成后，與目視損傷相比，超聲C 掃描得到的損傷面積更大，顯示的損傷形貌基本相同并接近圓形。

(2)三種鋪層類型層壓板在受沖擊后的壓縮破壞模式為側(cè)向穿過損傷區(qū)中間的壓縮破壞(LDM)，且均在凹坑深度為1.0mm附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)現(xiàn)象。

(3)在沖擊產(chǎn)生凹坑深度為1.0mm的拐點(diǎn)附近，A鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度值為221MPa，破壞應(yīng)變值為3268με；B鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度值為227MPa，破壞應(yīng)變值為2816με；C鋪層方案沖擊后壓縮強(qiáng)度許用值為218MPa，破壞應(yīng)變值為3489με。

注釋：

① LDM為沖擊后破壞模式代號，具體見ASTM D7137。