豐亮寬 楊 濤 杜 宇 李韋清 原文慧

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

文 摘 自動(dòng)纖維鋪放（AFP）工藝能夠有效制造大型復(fù)合材料構(gòu)件，但在鋪放過程中因?yàn)榻z束末端等斷面而出現(xiàn)不同角度內(nèi)嵌缺陷。為解決相關(guān)問題，按照［（90°/0°）5/90°］和［（0°/90°）5/0°］的鋪層順序，在0°和90°鋪層內(nèi)分別設(shè)置不同絲束末端角度的孔隙缺陷或重疊缺陷。結(jié)果表明：不同角度纖維鋪層內(nèi)嵌不同角度缺陷時(shí)，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件差異明顯。在90°纖維鋪層方向上，內(nèi)嵌90°孔隙缺陷和90°重疊缺陷時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度最高，拉伸強(qiáng)度比分別為90.89%和90.11%。在0°纖維鋪層方向上，內(nèi)嵌±30°孔隙缺陷和30°重疊缺陷時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度最高，拉伸強(qiáng)度比分別為28.48%和50.71%。

0 引言

近年來復(fù)合材料在航空、航天等領(lǐng)域使用量逐漸增多，應(yīng)用范圍也逐年增大［1-6］。傳統(tǒng)的手工鋪放成型效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性難以保證，而且結(jié)構(gòu)尺寸也受到手工操作工作范圍的限制。自動(dòng)纖維鋪放（AFP）技術(shù)能夠提高復(fù)合材料產(chǎn)率和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)件尺寸［7］，具備制造大型部件的能力。但是AFP工藝在使用過程中仍有許多局限性，如鋪設(shè)過程中出現(xiàn)各種伴生缺陷。當(dāng)纖維絲束鋪放在具有復(fù)雜形狀的表面上時(shí)，由于高度自動(dòng)化，伴生缺陷種類可能高度重復(fù)，或者伴生缺陷分布隨意。 而造成絲束中斷使缺陷生成的頻率取決于零件的復(fù)雜程度和加工參數(shù)，例如絲束寬度、鋪放速度以及牽引轉(zhuǎn)向［8］。

SAWICKI 等［9］學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究了孔隙缺陷和重疊缺陷對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響，在厚度最大值為5 mm 的試樣中設(shè)置不同寬度的缺陷，得出結(jié)論為當(dāng)存在較小的孔隙缺陷或重疊缺陷時(shí)，試件強(qiáng)度急劇下降。LAN 等學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究不同參數(shù)的孔隙缺陷和重疊缺陷對(duì)拉伸強(qiáng)度［10］、面內(nèi)剪切性能和壓縮特性［11］的影響?？肆_夫特等學(xué)者［12］通過實(shí)驗(yàn)研究，在拉伸、壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)復(fù)合材料層合板的主要缺陷（孔隙缺陷、重疊缺陷、半孔隙缺陷、半重疊缺陷和扭曲缺陷）產(chǎn)生的影響進(jìn)行量化。FAYAZBAKHSH 等［13］學(xué)者通過開發(fā)MATLAB 子程序，用于預(yù)測(cè)AFP 產(chǎn)品成品中缺陷的分布情況，在后期的伴生缺陷研究中，引入缺陷層來量化常見缺陷對(duì)可變剛度層合板的彈性性能的影響。

本文研究鋪絲末端造成的內(nèi)嵌孔隙/重疊缺陷，對(duì)含不同角度缺陷的試件進(jìn)行拉伸測(cè)試，分析和比較其拉伸強(qiáng)度和失效行為。探索復(fù)合材料試件纖維絲束斷裂處與受力方向的不同角度，即絲束末端不同角度的內(nèi)嵌缺陷對(duì)試件力學(xué)性能的影響，對(duì)照單向內(nèi)嵌缺陷，引入交叉內(nèi)嵌缺陷，分析不同絲束末端缺陷配置對(duì)層合板的影響。

1 內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸實(shí)驗(yàn)

1.1 內(nèi)嵌缺陷類型設(shè)置

缺陷設(shè)置位置均在試件中間，如圖1所示。圖1（a）所示內(nèi)嵌缺陷角度為±30°、±45°、±60°并且交叉分布。圖1（b）所示內(nèi)嵌缺陷角度為30°、45°、60°。完好試件層合板示意圖如圖1（c）所示。

圖1 內(nèi)嵌缺陷試件Fig.1 Specimen with embedded defects

0°纖維方向內(nèi)嵌孔隙缺陷或重疊缺陷試件按照［（90°/0°）5/90°］的順序進(jìn)行鋪放，缺陷均位于0°纖維層內(nèi)。90°纖維方向內(nèi)嵌孔隙缺陷或重疊缺陷試件按照［（0°/90°）5/0°］的順序進(jìn)行鋪放，缺陷均位于90°鋪層內(nèi)。

圖2為內(nèi)嵌交叉缺陷試件纖維層分布圖，當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度為±30°、±45°、±60°時(shí)，內(nèi)嵌孔隙/重疊缺陷在試件纖維層分布如圖2所示，內(nèi)嵌孔隙/重疊缺陷的試件在含孔隙/重疊缺陷纖維層的缺陷角度分別為:

+30°、-30°、+30°、-30°、+30°，

+45°、-45°、+45°、-45°、+45°，

+60°、-60°、+60°、-60°、+60°。

當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度為30°、45°、60°時(shí)，內(nèi)嵌孔隙/重疊缺陷在試件纖維層分布如圖3所示。

圖2 內(nèi)嵌交叉缺陷纖維層分布圖Fig.2 Fiber layer distribution diagram of embedded interlaced defects

圖3 內(nèi)嵌對(duì)齊缺陷纖維層分布圖Fig.3 Fiber layer distribution diagram of embedded defects specimens

表1為內(nèi)嵌缺陷規(guī)格，常見鋪放絲束寬度為6.35 mm，所以本次實(shí)驗(yàn)將缺陷寬度設(shè)為3.18 mm，即0.5倍絲束寬度。

表1 缺陷規(guī)格Tab.1 Specification of defects

1.2 層合板制備

根據(jù)表1規(guī)格，通過人工鋪放來制備實(shí)驗(yàn)所用試件，保證缺陷在試件中的位置及形態(tài)，以模擬自動(dòng)纖維鋪放工藝中的實(shí)際缺陷［14］。試件通過熱壓罐固化成型。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

通過拉伸實(shí)驗(yàn)研究人工設(shè)置內(nèi)嵌孔隙缺陷和重疊缺陷對(duì)試件的影響，所有實(shí)驗(yàn)在室溫條件下，通過使用島津AGS-X電子實(shí)驗(yàn)機(jī)完成，實(shí)驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的位移控制速率施加，同時(shí)采集載荷、時(shí)間以及位移等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。完好試件及具有內(nèi)嵌缺陷試件尺寸為250 mm×25 mm×1.4 mm。為避免試件在實(shí)驗(yàn)過程中夾頭夾持處應(yīng)力集中，同時(shí)采用Araldite 2015黏合劑，將尺寸為50 mm×25 mm×2 mm的鋁片粘貼到試件兩端。

2 結(jié)果分析

2.1 0°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷試件性能分析

圖4 0°鋪層內(nèi)嵌缺陷試件及完好試件Fig.4 Embedded defects in 0°layers and intact specimens

在0°纖維鋪層設(shè)計(jì)內(nèi)嵌缺陷時(shí)，試件鋪層順序按照［（90°/0°）5/90°］的鋪層順序進(jìn)行鋪放。圖4為用萊卡顯微鏡分別拍攝的0°鋪層內(nèi)嵌缺陷成型試件側(cè)面微觀圖及相對(duì)應(yīng)的完好試件側(cè)面微觀圖。

當(dāng)內(nèi)嵌孔隙缺陷時(shí)，由于絲束的斷裂，使試件缺陷處的纖維層缺失，試件產(chǎn)生內(nèi)凹，從而導(dǎo)致缺陷處的厚度減小。當(dāng)內(nèi)嵌重疊缺陷時(shí)，與內(nèi)嵌孔隙缺陷相反，雖然絲束斷裂，但纖維層重疊使得缺陷處纖維堆積，試件產(chǎn)生外凸，導(dǎo)致缺陷處的厚度增大。

2.1.1 內(nèi)嵌孔隙缺陷試件性能分析

圖5為0°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線。

圖6及表2為0°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度。通過拉伸強(qiáng)度比（相同規(guī)格內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸強(qiáng)度平均值與完好試件拉伸強(qiáng)度平均值的比值）來對(duì)比不同規(guī)格內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸性能。本組所有內(nèi)嵌缺陷試件中，當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度θ為±30°時(shí)，與完好試件拉伸強(qiáng)度比達(dá)到28.48%，其他規(guī)格試件與完好試件拉伸強(qiáng)度比均在20%以下。主要原因是0°纖維鋪層是試件的主要承載層，而孔隙缺陷導(dǎo)致纖維層中絲束中斷，從而對(duì)試件的強(qiáng)度和應(yīng)力分布產(chǎn)生了顯著的影響。受到拉伸載荷時(shí)缺陷處極易產(chǎn)生裂紋，然后跨層蔓延，最后導(dǎo)致構(gòu)件失效。

內(nèi)嵌交叉缺陷時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，主要原因是隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，不同纖維鋪層的缺陷夾角減小，使得各處缺陷更接近形成完整斷裂面。內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，主要原因是隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，缺陷處斷面與相鄰90°完好纖維鋪層的纖維絲束夾角減小，由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件拉伸強(qiáng)度逐漸減小。內(nèi)嵌交叉缺陷試件的拉伸性能明顯高于內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷試件，主要原因是試件內(nèi)嵌交叉缺陷時(shí)，90°完好纖維鋪層相鄰內(nèi)嵌缺陷角度不同的纖維層，內(nèi)嵌交叉缺陷不易形成相同角度的斷面，所以內(nèi)嵌交叉缺陷試件拉伸性能優(yōu)于內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷試件。

2.1.2 內(nèi)嵌重疊缺陷試件性能分析

圖7為0°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件的載荷-位移曲線，圖8及表3為0°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度。完好試件的拉伸強(qiáng)度為1 156.85 MPa，本組所有內(nèi)嵌缺陷試件中，當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度θ為30°時(shí)，與完好試件拉伸強(qiáng)度比達(dá)到50.71%，其他規(guī)格試件與完好試件拉伸強(qiáng)度比均在50%以下。

圖7 0°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.7 Tensile load-displacement curves of typical specimens with overlap defects embedded in 0°layers

圖8 0°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.8 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 0°layers

表3 0°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Tab.3 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 0°layers

當(dāng)內(nèi)嵌交叉缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，主要原因是，內(nèi)嵌缺陷角度θ是±30°或±60°時(shí)，與斷面夾角更小，所以導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度有所下降。內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，主要原因是隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，缺陷處斷面與相鄰90°完好纖維鋪層的纖維絲束夾角減小，由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件拉伸強(qiáng)度逐漸減小。重疊缺陷能夠?qū)χ袛嗟慕z束起到很好的連接作用，便于載荷傳遞，所以試件內(nèi)嵌交叉缺陷和內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度差異并不明顯。

內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度比明顯高于內(nèi)嵌孔隙缺陷試件，主要原因是相對(duì)于孔隙缺陷，重疊缺陷能夠?qū)χ袛嗟慕z束起到很好的連接作用，便于載荷傳遞。當(dāng)試件內(nèi)嵌重疊缺陷時(shí)，含缺陷區(qū)域單位面積內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)增加，弱化了應(yīng)力集中。

2.2 90°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷試件性能分析

在90°纖維鋪層設(shè)計(jì)內(nèi)嵌缺陷時(shí)，試件鋪層順序按照［（0°/90°）5/0°］的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行鋪放。圖9為用萊卡顯微鏡分別拍攝的90°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷成型試件側(cè)面微觀圖及相對(duì)應(yīng)的完好試件側(cè)面微觀圖。

圖9 90°鋪層內(nèi)嵌缺陷試件及完好試件Fig.9 Embedded defects in 90°layers and intact specimens

2.2.1 內(nèi)嵌孔隙缺陷試件性能分析

圖10為90°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷試件拉伸載荷-位移曲線，圖11及表4為90°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度。

圖10 90°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.10 Tensile load-displacement curves of typical specimens with gap defects embedded in 90°layers

圖11 90°纖維鋪層內(nèi)嵌孔隙缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.11 Tensile strength of specimens with gap defects embedded in 90°layers

完好試件的拉伸強(qiáng)度為1 238.03 MPa，本組所有內(nèi)嵌缺陷試件中，當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度θ為90°時(shí)，與完好試件拉伸強(qiáng)度比達(dá)到90.89%，其他規(guī)格試件與完好試件拉伸強(qiáng)度比均在70%～90%。

當(dāng)試件內(nèi)嵌交叉缺陷或內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，主要原因是內(nèi)嵌缺陷角度的增大，與內(nèi)嵌缺陷纖維層纖維絲束的夾角變小，纖維絲束的分布更接近完好鋪層纖維絲束，對(duì)內(nèi)嵌缺陷纖維層的損傷面積減小。由于0°纖維鋪層是試件的主要承載層，所以試件內(nèi)嵌交叉缺陷和內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度差異并不明顯。

2.2.2 內(nèi)嵌重疊缺陷試件性能分析

圖12為90°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸載荷-位移曲線，圖13及表5為90°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度。完好試件的拉伸強(qiáng)度為1 238.03 MPa，本組所有內(nèi)嵌缺陷試件中，當(dāng)內(nèi)嵌缺陷角度θ為90°時(shí)，與完好試件拉伸強(qiáng)度比達(dá)到90.11%，其他規(guī)格試件與完好試件拉伸強(qiáng)度比均在70%～90%。

圖13 90°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.13 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 90°layers

表5 90°纖維鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Tab.5 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 90°layers

當(dāng)內(nèi)嵌交叉缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，主要原因是內(nèi)嵌缺陷角度θ是±30°或±60°時(shí)，與斷面夾角更小，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度較θ為±45°時(shí)有所下降。當(dāng)試件內(nèi)嵌對(duì)準(zhǔn)缺陷時(shí)，隨著內(nèi)嵌缺陷角度的增大，試件的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，主要原因是內(nèi)嵌缺陷角度的增大，與內(nèi)嵌缺陷纖維層纖維絲束的夾角變小，纖維絲束的分布更接近完好鋪層纖維絲束，內(nèi)嵌缺陷纖維層的損傷面積減小。

由于0°纖維鋪層是拉伸實(shí)驗(yàn)中試件的主要承載層，因此在90°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷時(shí)對(duì)試件拉伸性能的影響并不顯著。與0°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷的情況相反，在90°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷時(shí)，內(nèi)嵌孔隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度普遍高于內(nèi)嵌重疊缺陷試件。主要原因是:纖維絲束的疊加使重疊缺陷區(qū)域厚度發(fā)生變化，相鄰的0°纖維鋪層產(chǎn)生面外褶皺，導(dǎo)致內(nèi)嵌缺陷區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致試件拉伸強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié)論

（1）內(nèi)嵌缺陷設(shè)置在0°方向鋪層內(nèi)時(shí)，試件拉伸性能下降明顯。內(nèi)嵌±30°孔隙缺陷和30°重疊缺陷時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度比分別為28.48%和50.71%。由于0°纖維鋪層是拉伸實(shí)驗(yàn)中試件的主要承載層，因此在0°纖維鋪層內(nèi)嵌缺陷時(shí)對(duì)試件拉伸性能的影響十分顯著。

（2）內(nèi)嵌缺陷設(shè)置在90°方向鋪層內(nèi)時(shí)，試件拉伸性能下降不明顯。內(nèi)嵌90°孔隙缺陷和90°重疊缺陷時(shí)，試件拉伸強(qiáng)度比分別為90.89%和90.11%。

（3）內(nèi)嵌缺陷設(shè)置在0°纖維方向鋪層內(nèi)時(shí)，由于0°方向鋪層是整個(gè)試件的主要承載層，纖維方向平行于實(shí)驗(yàn)機(jī)拉力方向，導(dǎo)致試件斷裂點(diǎn)發(fā)生在內(nèi)嵌缺陷附近。除斷裂點(diǎn)以外，還發(fā)現(xiàn)試件的纖維斷裂以及分層損傷。拉伸時(shí)，首先在缺陷處產(chǎn)生裂紋，隨著載荷增大，裂紋在層內(nèi)擴(kuò)展，造成分層損傷，然后在內(nèi)嵌缺陷附近產(chǎn)生明顯的纖維斷裂，試件失效。

（4）內(nèi)嵌缺陷設(shè)置在90°纖維方向鋪層內(nèi)時(shí)，由于0°方向纖維鋪層才是主要的承載層，90°方向鋪層纖維垂直于外加載荷方向，因此，缺陷試件的斷裂并未完全發(fā)生在內(nèi)嵌缺陷附近。隨著載荷的增加，仍然是內(nèi)嵌缺陷處首先發(fā)生斷裂，隨著載荷越來越大，裂紋逐漸擴(kuò)展，然后發(fā)生層間損傷，直至纖維斷裂，試件失效。