楊 康，趙為平，梅 莉，梁 宇， 薛繼佳， 王 吉

(1.沈陽航空航天大學(xué) 通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.遼寧通用航空研究院 設(shè)計(jì)部，沈陽110136；3.遼寧銳翔通用飛機(jī)制造有限公司 工藝室，沈陽 110136)

碳纖維復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[1]。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與其他結(jié)構(gòu)件之間的裝配需大量孔加工，出、入口和孔內(nèi)壁的加工損傷會嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的抗破壞性，影響結(jié)構(gòu)件的承載能力和服役時(shí)間，造成經(jīng)濟(jì)成本的提高，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。楊顯昆等[2]提出了一種估算復(fù)合材料單釘連接擠壓強(qiáng)度的工程算法，該算法能較好地預(yù)測出復(fù)合材料單釘雙剪連接擠壓強(qiáng)度；張爽等[3]采用擴(kuò)展拉格朗日乘子法對螺栓表面和復(fù)合材料層合板孔壁間的接觸行為進(jìn)行了模擬，并對復(fù)合材料層合板中纖維斷裂、基體開裂和纖維-基體剪切3類基本損傷類型的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及它們之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，預(yù)測了它們的初始擠壓破壞載荷；管清宇[4]研究了沖擊損傷和開孔對CYCOM 7701/7781玻纖環(huán)氧復(fù)合材料層壓板典型力學(xué)性能的影響；李汝鵬等[5]采用三維Hashin失效準(zhǔn)則預(yù)測材料的初始失效，基于漸進(jìn)損傷理論提出了一種用于材料損傷后的剛度折減方案；朱偉東等[6]利用B樣條曲線插值擬合獲取了開孔板最大主應(yīng)力鋪放軌跡，并通過離散網(wǎng)格法建立了變剛度開孔板模型，通過引入Tsai-Wu損傷失效判據(jù)以及常剛度退化準(zhǔn)則，進(jìn)行了拉伸失效數(shù)值模擬及損傷失效分析，進(jìn)行了拉伸對比試驗(yàn)；Chang等[7]提出了復(fù)合材料含孔層合板在拉伸載荷下的逐漸損傷模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；劉準(zhǔn)[8]等針對考慮時(shí)間和溫度影響的復(fù)合材料開孔層板壓縮失效分析進(jìn)行研究，結(jié)果表明單層較厚的開孔層板壓縮強(qiáng)度對時(shí)間和溫度更加敏感，而單層較薄的開孔層板則具有更好的損傷容限性能；謝宗蕻等[9]等采用基于應(yīng)力形式和能量形式的失效準(zhǔn)則預(yù)測失效的模型，結(jié)果表明該模型的預(yù)測精度高于傳統(tǒng)的特征長度方法；肖夢麗等[10]結(jié)合試驗(yàn)分析建立了符合其失效機(jī)理的有限元模型，通過比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，表明二維模型能比較準(zhǔn)確地預(yù)測國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料含孔層合板的剩余強(qiáng)度。王福吉等[11]針對鉆削過程中成型分層缺陷的動態(tài)演化行為進(jìn)行研究，得到其在鉆削過程中軸向力最大的橫刃擠壓階段發(fā)生擴(kuò)展的臨界條件以及擴(kuò)展長度的計(jì)算方法。彭亞南等[12]討論了國內(nèi)外復(fù)合材料擠壓響應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)存在的差異，指出了目前最適用于復(fù)合材料擠壓響應(yīng)測試的標(biāo)準(zhǔn)，并分析了有限元模擬在復(fù)合材料擠壓破壞損傷進(jìn)程和強(qiáng)度預(yù)測上的應(yīng)用發(fā)展；盧智等[13]采用試驗(yàn)的方法,研究發(fā)現(xiàn)單剪形式的二次面外彎曲對強(qiáng)度及變形影響大,雙剪結(jié)構(gòu)大幅提高了復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度;劉向東等[14]通過分析層合板釘孔擠壓損傷后剩余剛度的變化規(guī)律，提出在擠壓變形和強(qiáng)度計(jì)算中，針對基體和纖維壓縮失效，采用相關(guān)模量先突減，然后逐漸提升的剛度修正方法，并與試驗(yàn)結(jié)果相吻合；李躍宇[15]對含脫層的復(fù)合材料螺栓連接件在靜載、疲勞載荷和濕熱環(huán)境載荷的作用下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了脫層尺寸對局部失穩(wěn)載荷、擠壓強(qiáng)度和疲勞壽命的影響大小。以上研究均未采用電子顯微鏡(SEM)掃描斷口的方法對復(fù)合材料層合板孔擠壓失效形式進(jìn)行分析研究。

本文對4 mm厚的碳纖維復(fù)合材料層合板標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行孔擠壓性能測試，通過掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣的失效區(qū)域進(jìn)行檢測掃描，并對受載位置形貌進(jìn)行分析，測試及分析結(jié)果可為研究人員進(jìn)行相關(guān)材料的制備提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 電子顯微鏡(SEM)及試驗(yàn)件制備

電子顯微鏡(SEM)是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是：(1)有較高的放大倍數(shù)，20～20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；(2)有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；(3)試樣制備簡單。因此，本文利用電子顯微鏡(SEM)對試驗(yàn)件的斷口放大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)后觀察其形貌，得到其斷口斷裂特征。

試驗(yàn)件為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，增強(qiáng)材碳纖維材料選用T300 3K 40B/1000，基體環(huán)氧樹脂由LY 1564 SPT樹脂和XB 3487固化劑按重量比配制，本文中提到的樹脂含量為樹脂與固化劑之間的重量比值，常溫固化(22±2)h，采用濕法成型完成復(fù)合材料試驗(yàn)件的制備；碳布鋪層均為[0°/90°]鋪層。

1.2 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)按照GBT 30968.1-2014《聚合物基復(fù)合材料層合板開孔受載孔性能試驗(yàn)方法 第1部分：擠壓性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)夾具采用該試驗(yàn)方法中雙剪法的試驗(yàn)夾具，如圖1所示，其中：1為墊板，2為雙剪夾具，3為試樣；試驗(yàn)加載采用位移控制，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行，試件采用單向加載，縱向拉伸加載速率為2 mm/min。圖2為拉力試驗(yàn)機(jī)，型號為Instron 8801，并配置一副可自動調(diào)心的夾具。加載時(shí)，夾具及其附件與試樣無相對移動，保證試樣長軸與施力方向及夾具中心線保持一致。

圖1 雙剪法試驗(yàn)示意圖

圖2 Instron 8801拉力試驗(yàn)機(jī)

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

試驗(yàn)時(shí)，為了降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，取多個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)(如圖3、圖4所示)，擠壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表1所示。圖4為試樣試驗(yàn)后的失效情況，根據(jù)圖4，對比GBT 30968.1-2014《聚合物基復(fù)合材料層合板開孔受載孔性能試驗(yàn)方法 第1部分：擠壓性能試驗(yàn)方法》中的失效模式示意圖(見圖5所示)，可確定4 mm碳纖維復(fù)合材料層合板孔擠壓失效形式為撕脫。表1為4 mm碳纖維層合板擠壓性能測試結(jié)果，根據(jù)表1可知，極限擠壓強(qiáng)度值波動較小，證明測試結(jié)果的可靠性。

2.2 SEM掃描結(jié)果

完成碳纖維復(fù)合材料層合板的孔擠壓力學(xué)性能測試后，從圖4中劃線位置將試樣切開，并對切下的待掃描試樣(見圖6)進(jìn)行清潔處理，利用SEM掃描觀察孔受載后橫截面形貌，其典型形貌圖見圖7所示。

圖7a、b分別為孔受載后橫截面放大500倍和1000倍時(shí)的形貌圖，由圖7可以看出，孔橫截面受載后發(fā)生了明顯的分層情況，而孔失效處橫向的碳纖維，僅有少數(shù)的發(fā)生了斷裂，因此，該碳纖維復(fù)合材料層合板孔擠壓后的失效主要是由于開孔位置處碳纖維層合板在受載后分層導(dǎo)致的。

圖3 試樣及試驗(yàn)方法

圖4 試樣失效情況

圖5 擠壓試驗(yàn)失效模式示意圖

表1 4 mm碳纖維層合板擠壓性能測試結(jié)果

圖6 待掃描試樣

3 結(jié)論

由于開孔影響復(fù)合材構(gòu)件的力學(xué)性能，研究孔擠壓強(qiáng)度及失效的形式對復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造有著重要的意義。本文對4mm碳纖維層合板孔擠壓性能進(jìn)行了測試，并利用電子顯微鏡(SEM)對試樣失效處的孔橫截面位置進(jìn)行掃描檢測和分析，根據(jù)掃描檢測結(jié)果分析表明：4mm碳纖維復(fù)合材料層合板孔擠壓加載后的失效主要是由于開孔位置在受載后復(fù)合材料層合板分層導(dǎo)致的，因此，在復(fù)合材料開孔件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對開孔部位進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，有利于提高復(fù)合材料開孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖7 受載橫截面電鏡掃描圖