王雪明， 謝富原

(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 復(fù)合材料檢測(cè)技術(shù)中心，北京 101300；2.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)而在航空航天等軍用領(lǐng)域和交通、體育、風(fēng)電等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料常常在制造過(guò)程中因?yàn)榭諝?、揮發(fā)份、夾雜以及使用過(guò)程中受到的鳥(niǎo)撞、冰雹等各類沖擊而造成層間分層缺陷/損傷。分層缺陷/損傷的存在對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度和承載能力帶來(lái)極大的影響，常常因?yàn)榍鷮?dǎo)致分層擴(kuò)展發(fā)生破壞。因此，關(guān)于分層缺陷/損傷的成因、機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響長(zhǎng)期以來(lái)一直是復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-10]。但已有的研究多數(shù)關(guān)注于復(fù)合材料在使用過(guò)程中的分層損傷問(wèn)題，而對(duì)制造過(guò)程中分層缺陷研究相對(duì)較少。筆者前期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)分層缺陷是復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中出現(xiàn)比例最高的一種缺陷[11-12]，利用概率分析方法和群子理論模型，對(duì)不同構(gòu)形復(fù)合材料構(gòu)件分層缺陷進(jìn)行了評(píng)價(jià)[13-15]，并采用4種不同預(yù)埋材料模擬分層缺陷[16]。因此，復(fù)合材料制造過(guò)程中分層缺陷的機(jī)理分析、表征方法以及質(zhì)量控制值得業(yè)內(nèi)關(guān)注。

對(duì)于復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)，往往根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和成型質(zhì)量要求而選擇共固化(兩個(gè)或多個(gè)元件均未固化，組裝一起后固化成型)、膠接共固化(兩個(gè)或多個(gè)元件，有的已固化，有的未固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)、二次膠接(兩個(gè)或多個(gè)元件均已固化，與膠膜組裝在一起后固化成型)等熱壓罐整體成型工藝以及液體成型工藝。對(duì)于復(fù)雜的復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)，在熱壓罐膠接共固化和二次膠接工藝中，需要進(jìn)行多次進(jìn)罐、固化處理。在這個(gè)過(guò)程中，有可能因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因素和成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等因素對(duì)已固化層板中存在的原有缺陷產(chǎn)生影響使其擴(kuò)展而導(dǎo)致制件報(bào)廢。但目前關(guān)于分層缺陷在成型過(guò)程中擴(kuò)展的相關(guān)報(bào)道較少。因此，研究分層缺陷的擴(kuò)展問(wèn)題對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尤其是整體化結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

筆者前期研究發(fā)現(xiàn)隔離紙實(shí)驗(yàn)?zāi)M分層與實(shí)際分層缺陷最為類似[16]。本文采用預(yù)埋隔離紙模擬分層缺陷，研究其分層擴(kuò)展行為，對(duì)分層擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，考察了熱循環(huán)對(duì)T300/QY8911復(fù)合材料層合板界面性能的影響，研究了裂紋尖端能量釋放率與界面性能對(duì)分層擴(kuò)展的影響，研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制復(fù)合材料整體成型質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1) 實(shí)驗(yàn)材料。

① T300/QY8911熱熔法預(yù)浸料，含膠量32wt%，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；

② 輔助材料(四氟布、可剝布、A4000、Airpad橡膠、密封膠條、透氣氈)，美國(guó)Airtech公司。

(2) 儀器設(shè)備。

① 熱失重分析儀，STA 449C，德國(guó)耐馳公司；

② Sisc IAS圖像采集系統(tǒng)，北京中科科儀計(jì)算技術(shù)有限責(zé)任公司；

③ CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力10 kN，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司。

(3) 實(shí)驗(yàn)方法。

① 含分層缺陷層合板預(yù)制：層合板固化成型前，鋪疊過(guò)程中在特定位置預(yù)埋入隔離紙(即預(yù)浸料用離型紙)來(lái)模擬分層缺陷，鋪層方式為[45/-45[0/90/45/-45]s]s，夾雜材料放置在第7、第8層的+45/-45間，層板大小為：200 mm×150 mm。固化工藝制度為：從室溫升溫并抽真空→105～115 ℃，保溫10min后加壓0.6 MPa→185 ℃，保溫2 h→195 ℃，保溫4 h→70 ℃，降壓并停真空；升溫速率為1.5 ℃/min。

② 層間剪切強(qiáng)度測(cè)試：標(biāo)準(zhǔn)GB3357-82進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 分層動(dòng)態(tài)擴(kuò)展現(xiàn)象分析

從筆者已有研究發(fā)現(xiàn)[16-18]，復(fù)合材料層合板在整體成型工藝過(guò)程中出現(xiàn)的分層擴(kuò)展與整體成型溫度密切相關(guān)，分層擴(kuò)展隨著整體成型溫度升高而增大；分層擴(kuò)展到一定程度而停止擴(kuò)展，提高后處理溫度而繼續(xù)擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到層板邊緣而不再擴(kuò)展(見(jiàn)圖1)；不同夾雜材料模擬分層與制造分層有所不同，引入隔離紙模擬的分層與制造分層最為類似；分層擴(kuò)展因分層類型不同而有所不同，隔離紙模擬的分層最易發(fā)生擴(kuò)展。

圖1 夾雜分層擴(kuò)展路徑

2.2 分層擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

復(fù)合材料層合板受外力沖擊易產(chǎn)生分層損傷，且在外力作用下發(fā)生擴(kuò)展，而復(fù)合材料在熱壓罐整體成型過(guò)程中原有分層缺陷有時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，分層缺陷根據(jù)成因又可分為夾雜分層、氣孔分層、脫粘分層、應(yīng)力分層等。本文從低分子物質(zhì)膨脹、氣泡壓力、殘余應(yīng)力三方面對(duì)分層缺陷在整體成型過(guò)程中擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。

2.2.1 低分子物質(zhì)膨脹

復(fù)合材料在人工鋪疊過(guò)程中由于夾雜不同材料而形成夾雜分層，其中以?shī)A雜隔離紙和四氟布最為常見(jiàn)，本文對(duì)T300/QY8911層合板內(nèi)這兩種夾雜材料在整體成型工藝中因高溫是否產(chǎn)生小分子物質(zhì)進(jìn)行了熱失重分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 夾雜材料熱失重結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，隔離紙與四氟布的熱失重歷程幾乎完全相同，分別在107 ℃和96 ℃產(chǎn)生了拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前均失重2%左右，之后質(zhì)量保持率較高且變化不大。隔離紙和四氟布的失重拐點(diǎn)均接近水的沸點(diǎn)，因此可以認(rèn)為拐點(diǎn)之前的失重均是夾雜材料表面吸附水分失重的結(jié)果。由于隔離紙的大部分成份為纖維素，而纖維素在240 ℃下質(zhì)量的損失較少[19]，因此可以認(rèn)為隔離紙?jiān)?40 ℃以下不會(huì)因熱降解而產(chǎn)生小分子物質(zhì)(H2O、CO、CO2)。此外，夾雜材料上吸附的水分通常在層合板成型過(guò)程中樹(shù)脂凝膠前通過(guò)加壓溶于樹(shù)脂或通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)而消除，所以，層板內(nèi)所形成的夾雜分層不會(huì)因低分子高溫下膨脹而發(fā)生擴(kuò)展。

已制備層合板在存放過(guò)程中可能會(huì)吸濕，已有缺陷中就會(huì)有水分，高溫下水分會(huì)轉(zhuǎn)化成水蒸汽。假設(shè)：蒸發(fā)熱ΔHV恒定，且蒸汽為理想氣體。根據(jù)Clausius-Clapeyron方程，孔穴中水蒸汽的壓力由溫度決定[20]。

(1)

則蒸汽壓力與溫度的關(guān)系如下：

(2)

(3)

當(dāng)整體成型工藝中的最高溫度為473 K時(shí)，可得最大蒸汽壓力為1.567 MPa，相對(duì)于層合板的界面強(qiáng)度和基體強(qiáng)度小很多，所以復(fù)合材料層合板在整體成型過(guò)程中的分層擴(kuò)展不會(huì)因低分子物質(zhì)膨脹而擴(kuò)展。

2.2.2 氣泡壓力

對(duì)于由較大氣孔引起的分層，由孔隙形成理論模型可知[21]，如果某一溫度下樹(shù)脂壓力大于氣泡壓力，則氣泡不會(huì)產(chǎn)生或已產(chǎn)生的氣泡可以溶解；若樹(shù)脂壓力小于氣泡壓力，則氣泡將會(huì)產(chǎn)生，并且溫度越高所需的氣泡壓力越大；若氣泡產(chǎn)生后，隨著樹(shù)脂的凝膠，樹(shù)脂壓力增大，當(dāng)樹(shù)脂壓力與氣泡壓力達(dá)到平衡后，氣泡停止生長(zhǎng)。對(duì)于T300/QY8911體系加壓點(diǎn)(110 ℃)的壓力為0.6 MPa，由于樹(shù)脂壓力小于外壓0.6 MPa，所以樹(shù)脂凝膠后氣孔內(nèi)的氣體壓力也小于0.6 MPa。假設(shè)氣孔內(nèi)氣體為理想氣體，初始溫度為20 ℃，氣體壓力為0.6 MPa(實(shí)際要小于0.6 MPa)，氣孔體積為V0，當(dāng)層合板再次升溫加熱到205 ℃時(shí)，假設(shè)氣體體積不變?nèi)詾閂0，而此時(shí)氣體壓力應(yīng)為0.98 MPa?？梢?jiàn)，氣泡壓力相對(duì)于層合板的界面強(qiáng)度和基體強(qiáng)度較小，所以復(fù)合材料層合板在整體成型過(guò)程中的分層擴(kuò)展不會(huì)因氣泡壓力增大而擴(kuò)展。

2.2.3 殘余應(yīng)力

復(fù)合材料作為一種由兩種及兩種以上材料組成的材料，在經(jīng)過(guò)高溫固化成型然后降到室溫后，由于樹(shù)脂與基體、層合板各層間熱物理特性不匹配，必然會(huì)在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力主要是在層合板固化成型過(guò)程中形成的，而層合板不均勻受熱后也會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。復(fù)合材料的殘余應(yīng)力可以分為基體與纖維間的細(xì)觀殘余應(yīng)力和層間的宏觀殘余應(yīng)力[22]。對(duì)于含有分層缺陷的層合板，在整體成型工藝中重復(fù)經(jīng)歷熱歷程后，不均勻溫度場(chǎng)或“過(guò)熱”均會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而有可能在分層缺陷的非連續(xù)區(qū)產(chǎn)生裂紋引起擴(kuò)展。復(fù)合材料大型整體化結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力在熱壓罐成型過(guò)程中對(duì)成型質(zhì)量的影響尤為突出，這需要在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免出現(xiàn)非對(duì)稱、非等厚、小曲率半徑等結(jié)構(gòu)形式[23]，在成型工藝中降低非均勻溫度場(chǎng)帶來(lái)的影響。

2.3 熱循環(huán)對(duì)T300/QY8911層合板界面性能的影響

分層缺陷在整體成型過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展現(xiàn)象除了與層合板殘余應(yīng)力有關(guān)外，還與材料特性密切相關(guān)。筆者研究發(fā)現(xiàn)，T300/QY8911層合板分層擴(kuò)展沿著層間開(kāi)裂，斷面內(nèi)存在基體斷裂和基體/纖維界面脫粘兩種破壞模式[17]。因此，與分層擴(kuò)展相關(guān)的材料特性主要包括兩方面：① 復(fù)合材料臨界的應(yīng)變能釋放率Gc(Gc的大小與層間斷裂韌性相關(guān))；② 基體與纖維的界面性能。T300/QY8911層合板的層間斷裂韌性在文獻(xiàn)[17]中已系統(tǒng)研究，本文選擇層間剪切強(qiáng)度作為基體/纖維界面性能表征量，研究熱循環(huán)對(duì)T300/QY8911層合板界面性能的影響。

本文對(duì)比了T300/QY8911一次固化成型層合板(見(jiàn)圖3中的a)、固化成型后分別經(jīng)歷一次185 ℃(見(jiàn)圖3中的b)、205 ℃(見(jiàn)圖3中的c)、220 ℃(見(jiàn)圖3中的d)、235 ℃(見(jiàn)圖3中的e)處理，以及先后經(jīng)歷4個(gè)溫度循環(huán)(185 ℃、205 ℃、220 ℃、235 ℃,見(jiàn)圖3中的f)處理后層合板的層間剪切強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱循環(huán)對(duì)T300/QY8911層合板層間剪切強(qiáng)度的影響

由圖3可見(jiàn)，與未經(jīng)歷熱循環(huán)的完好層合板相比，經(jīng)歷一次熱循環(huán)后T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度逐步降低，但降低幅度不大，經(jīng)歷235 ℃處理后層合板(見(jiàn)圖3中的e)的層間剪切強(qiáng)度下降了7.4%；隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多，T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度下降程度加劇，經(jīng)歷4次不同溫度熱循環(huán)后,T300/QY8911層合板(見(jiàn)圖3中的f)的層間剪切強(qiáng)度下降了13.8%。因此，提高熱循環(huán)溫度和熱循環(huán)次數(shù)會(huì)增大分層缺陷擴(kuò)展的概率。

2.4 裂紋尖端能量釋放率與界面性能對(duì)分層擴(kuò)展的影響

本文采用ABAQUS有限元程序，在含分層缺陷層合板最大應(yīng)力的層間處加入無(wú)厚度的界面單元，計(jì)算分析了不同裂紋長(zhǎng)度裂紋尖端的能量釋放率Gc，并以不同溫度下發(fā)生分層擴(kuò)展的臨近部位的層間剪切性能來(lái)表征裂紋尖端界面性能，以考察裂紋尖端能量釋放率與界面性能對(duì)分層擴(kuò)展的影響，結(jié)果如圖4與圖5所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋尖端的能量釋放率Gc下降很快，這說(shuō)明隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋擴(kuò)展的能量釋放率降低，不會(huì)出現(xiàn)裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。而圖5表明不同溫度擴(kuò)展后的層間剪切強(qiáng)度相當(dāng)。因此可以推斷：在易發(fā)生分層擴(kuò)展的溫度制度下，分層擴(kuò)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程：在降溫過(guò)程中，隨著殘余應(yīng)力的增大，界面性能的增大，裂紋逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力得到釋放，能量釋放率降低，當(dāng)能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時(shí)擴(kuò)展停止；待再提高后處理溫度經(jīng)歷一次熱歷程后，界面性能繼續(xù)降低，則裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到邊緣后應(yīng)力得到徹底釋放而停止。

圖4 裂紋尖端能量釋放率隨裂紋長(zhǎng)度的變化圖

圖5 T300/QY8911層合板裂紋尖端層間剪切強(qiáng)度

3 結(jié)論

① T300/QY8911復(fù)合材料層合板整體成型過(guò)程中發(fā)生分層缺陷擴(kuò)展主要與熱殘余應(yīng)力密切相關(guān)，與低分子物質(zhì)膨脹和氣泡壓力關(guān)系不大。

② 增加熱循環(huán)次數(shù)會(huì)顯著降低T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度，經(jīng)歷4次不同溫度熱循環(huán)后，T300/QY8911層合板的層間剪切強(qiáng)度下降了13.8%。提高熱循環(huán)溫度和熱循環(huán)次數(shù)會(huì)增大分層缺陷擴(kuò)展的概率。

③ T300/QY8911復(fù)合材料層合板整體成型過(guò)程中的分層擴(kuò)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程：在降溫過(guò)程中，隨著殘余應(yīng)力的增大，裂紋逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力得到釋放，能量釋放率降低，當(dāng)能量釋放率降低到低于層間斷裂韌性值時(shí)擴(kuò)展停止；待再提高后處理溫度經(jīng)歷一次熱歷程后，界面性能繼續(xù)降低，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到邊緣后應(yīng)力得到徹底釋放而停止。