李 娜, 路鵬程, 才 華, 張璟璇

（1．中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300；2．中國民航大學(xué) 理學(xué)院, 天津 300300）

鋁蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度/比剛度高、耐腐蝕性能好、減震、儲能特性優(yōu)異和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)水平安定面、副翼、水平尾翼、發(fā)動機(jī)消音板等部件均大量采用了玻璃纖維面板鋁蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)和維護(hù)成本。在飛機(jī)服役過程中，鋁蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕、減震、耐疲勞的性能。最常見的損傷來源是外來異物的沖擊，如維修工具墜落、冰雹、鳥擊、跑道沙礫沖擊等[3-4]。沖擊載荷會對夾層結(jié)構(gòu)面層和蜂窩芯造成嚴(yán)重?fù)p壞，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的降低，給飛行安全帶來隱患[5-6]。

由于夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐沖擊性能是保證結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，人們對夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速沖擊響應(yīng)進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[7-9]。He 等[10-11]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了鋁蜂窩夾層復(fù)合材料的低速沖擊響應(yīng)和損傷行為，結(jié)果表明：面板厚度對蜂窩結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能有顯著影響；蜂窩壁厚和蜂窩芯邊長對蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊載荷和結(jié)構(gòu)剛度也有顯著影響，但對蜂窩芯的吸能影響不大；在彎曲載荷作用下，蜂窩芯剛度較低的試樣通過芯部屈曲和壓碎而失效，而蜂窩芯剛度較高的試樣則通過頂層面板斷裂而失效。Wowk 等[12]采用實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬方法對退役飛機(jī)蜂窩夾層復(fù)合材料面板的沖擊性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不同的面層凹痕深度、沖擊速度、沖擊頭半徑和質(zhì)量對應(yīng)的面板內(nèi)蜂窩芯損傷深度是一致的；芯部損傷的深度僅取決于板芯膠的厚度，蜂窩芯損傷的面積處于面板凹痕正下方的區(qū)域，蜂窩芯形狀對損傷深度沒有顯著影響。Crupi等[13]比較了兩種不同芯胞尺寸鋁蜂窩夾層板的低速沖擊性能，采用基于能量平衡模型的理論方法研究了其沖擊行為，發(fā)現(xiàn)蜂窩芯芯格尺寸對夾層板的能量吸收能力影響較大，蜂窩夾層板的破壞形式為蜂窩芯壁的漸進(jìn)皺折及屈曲。Shin 等[14]研究了不同類型夾層結(jié)構(gòu)在6 種能量水平下的低速沖擊響應(yīng)，結(jié)果表明，與金屬鋁面板夾層結(jié)構(gòu)相比，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖擊性能和質(zhì)量減輕優(yōu)勢。Akatay 等[15]對玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速重復(fù)沖擊，研究發(fā)現(xiàn)，較低沖擊能量水平會增加導(dǎo)致樣品完全穿孔的沖擊次數(shù)；與單次沖擊試樣相比，多次沖擊試樣的抗壓強(qiáng)度明顯降低。

綜上所述，關(guān)于鋁蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能研究報(bào)道較多，但對鋁蜂窩夾層復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能實(shí)驗(yàn)研究卻很少[16]。其中，單側(cè)面板及蜂窩芯損傷是鋁蜂窩夾層復(fù)合材料最常見的損傷形式，而鋁蜂窩夾層復(fù)合材料修理面層材料和修理蜂窩拼接區(qū)域與原結(jié)構(gòu)均不同。與原始結(jié)構(gòu)相比，這些典型修理區(qū)域的抗沖擊性能鮮見相關(guān)報(bào)道。因此，本工作采用熱壓罐工藝制造玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板鋁蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件，采用換芯挖補(bǔ)修理工藝對單側(cè)面板和蜂窩芯損傷形式進(jìn)行修理，通過修理蜂窩區(qū)和蜂窩拼接區(qū)的低速沖擊性能對比，研究修理結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，并對修理結(jié)構(gòu)的沖擊后壓縮性能及沖擊破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

面層材料為CYTEC 公司生產(chǎn)的CYCOM7781/7701 玻璃纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，鋪層結(jié)構(gòu)為[0]3，厚度約為0.7 mm；蜂窩芯材料為HEXCEL 公司生產(chǎn)的CR1115052 鋁蜂窩，厚度約為25 mm；膠膜材料為HENKEL 公司生產(chǎn)的EA9696.06 NW 膠膜，用于蜂窩芯與面層之間的粘接。采用熱壓罐工藝制備玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料蒙皮鋁蜂窩夾層板，以下簡稱蜂窩夾層板。熱壓罐固化溫度為127 ℃，固化時(shí)間為90 min，固化壓力為0.2 MPa。制備蜂窩夾層板的厚度約為26.4 mm。

1.2 鋁蜂窩夾層板的修理

設(shè)計(jì)蜂窩夾層板缺陷為試樣中心位置半穿透損傷，缺陷寬度為25.4 mm，采用換芯挖補(bǔ)修理方法對損傷面層及蜂窩芯進(jìn)行修理。修理面層材料為玻璃纖維織物浸漬HENKEL 公司生產(chǎn)的 EA 9396 環(huán)氧樹脂，修理蜂窩芯為原結(jié)構(gòu)CR1115052鋁蜂窩。修理過程如圖1 所示：(a)去除試樣中心位置損壞的蜂窩芯和面層，采用打磨工具將頂部面層進(jìn)行楔形打磨，打磨錐度為1/30；(b) 將一層玻璃纖維織物浸漬EA 9396 環(huán)氧樹脂濕鋪層鋪放到修理蜂窩芯底部作為填充粘接層；(c) 采用EA 9396環(huán)氧樹脂與酚醛微珠混合物將裁剪后的CR1115052修理蜂窩芯粘貼到修理區(qū)域，在室溫下預(yù)聚合4 h，并在90 ℃下固化60 min；(d) 對固化后的修理蜂窩芯進(jìn)行打磨處理，使其表面與周圍蜂窩齊平；(e) 裁剪玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹脂濕鋪層材料，按照原結(jié)構(gòu)鋪層方向修理頂部面層；(f) 采用真空袋工藝對修理面層進(jìn)行固化，固化溫度為93 ℃，固化時(shí)間為120 min。采用高精度復(fù)合材料切割機(jī)床將蜂窩夾層板加工成尺寸為150 mm×100 mm 的試樣，備用。

1.3 低速沖擊實(shí)驗(yàn)

按照ASTM D7136 標(biāo)準(zhǔn)要求，將所有樣品切割成150 mm×100 mm 的尺寸進(jìn)行低速沖擊實(shí)驗(yàn)。沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Instron9350 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊頭為半球形，直徑為14 mm。為了對比分析修理結(jié)構(gòu)對沖擊性能的影響，將沖擊試樣分為三個(gè)系列，即完整的蜂窩夾層板（HS）、沖擊點(diǎn)位于修理區(qū)域中心的修理蜂窩夾層板（HS-C）和沖擊點(diǎn)位于蜂窩拼接區(qū)域的修理蜂窩夾層板（HS-S），如圖2 所示。

1.4 X 射線數(shù)字成像表征

采用ERESCO 200 MF4-R 型X 射線數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(X-ray digital radiography, DR）研究沖擊載荷對蜂窩夾層板內(nèi)部損傷的影響。將損傷樣品放置在水平平臺上，采用200 kV/600 W 微聚焦X 射線管從頂部方向掃描，像素尺寸為200 μm。

1.5 CAI 測試

采用Instron5982 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試蜂窩夾層板沖擊后的剩余壓縮強(qiáng)度(CAI)，測試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7137，壓縮加載速率為1.25 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊測試

2.1.1 沖擊損傷形貌

圖3～圖5 為不同的沖擊能量下HS、HS-C 和HS-S 試樣的正面和背面損傷宏觀照片。從圖中可以看出，在沖擊能量為10 J 時(shí)，蜂窩夾層板的上面板出現(xiàn)輕微凹坑，HS 試樣的凹坑面積最大，HSS 試樣的凹坑最小。而內(nèi)部蜂窩芯均無明顯損傷。隨著沖擊能量的增加，試樣的損傷程度越來越明顯。從上面板的小凹坑發(fā)展為蜂窩芯出現(xiàn)不同程度的屈曲和壓碎，進(jìn)而發(fā)展為整個(gè)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的穿透損傷。在相同的沖擊能量下，修理后試樣的損傷程度較完整試樣輕。沖擊能量為40 J 時(shí)，HS 試樣發(fā)生了損毀性的穿透損傷，而HS-C 和HS-S 試樣僅觀察到上面板和部分蜂窩芯的損傷。當(dāng)沖擊能量為50 J 時(shí)， HS-C 試樣出現(xiàn)上面板和整個(gè)蜂窩芯的損傷，下面板出現(xiàn)纖維斷裂和分層。HS-S 試樣僅出現(xiàn)上面板和內(nèi)部蜂窩損傷。說明HS-C 和HS-S 的沖擊損傷程度小于HS，HS-S 試樣的沖擊損傷程度最小。由于HS 試樣在40 J 沖擊能量下發(fā)生了明顯的損毀性損傷，因此HS 試樣在50 J 沖擊能量下的沖擊特性后續(xù)不再討論。

圖6 為不同沖擊能量下完整試樣和修理試樣的X 射線數(shù)字成像照片，表征了內(nèi)部蜂窩芯的損傷程度。從圖6 可以看出，內(nèi)部蜂窩芯的損傷變化趨勢與宏觀照片相同。隨著沖擊能量的增加，試樣的內(nèi)部損傷面積變大。在相同的沖擊能量下，修理試樣具有較小的內(nèi)部損傷面積。HS-S 試樣的蜂窩損傷面積最小。

2.1.2 沖擊載荷

圖7 為不同沖擊能量下蜂窩夾層板沖擊載荷-時(shí)間曲線。最常見的沖擊特性分為三類載荷-時(shí)間曲線，即完全回彈型（A 型）、不完全回彈型（B 型）和部分或完全穿透型（C 型）[17-19]。A 型沖擊載荷-時(shí)間曲線具有典型的加載上升和卸載下降階段，表現(xiàn)為單峰載荷。隨著沖擊頭與蜂窩夾層板上面板接觸，沖擊載荷增大，載荷-時(shí)間曲線迅速上升。當(dāng)沖擊載荷達(dá)到峰值時(shí)，上面板出現(xiàn)幾乎不可見的壓痕，并伴有輕微的基體樹脂裂紋。之后沖擊頭開始反彈，載荷-時(shí)間曲線急劇下降。在這種情況下，上面板通常會在沖擊區(qū)域周圍發(fā)生局部彎曲和面內(nèi)拉伸。從圖7（a）可以看出，HS-S (10 J) 的載荷-時(shí)間曲線為A 型曲線。B 型載荷-時(shí)間曲線的特點(diǎn)是先出現(xiàn)一個(gè)單峰載荷，然后是一個(gè)延長的加載平臺。與A 型不同的是，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到峰值時(shí)，上面板出現(xiàn)基體樹脂開裂和纖維斷裂。一旦纖維出現(xiàn)斷裂，載荷-時(shí)間曲線會有一定程度的下降。隨著沖擊頭的下移，裂紋沿著纖維方向或垂直于纖維方向擴(kuò)展，相應(yīng)的載荷-時(shí)間曲線在峰值載荷后呈現(xiàn)一個(gè)延長的波動平臺。在這種情況下，上面板通常會出現(xiàn)明顯的壓痕，并伴有不同程度的面板下蜂窩芯屈曲和壓碎。如圖7（b）～（e）所示，HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HS-S(20 J、30 J、40 J和50 J) 的載荷-時(shí)間曲線可以觀察到這種現(xiàn)象。C 型沖擊載荷-時(shí)間曲線為雙峰曲線，這意味著沖擊頭穿透上面板后繼續(xù)向下移動，順序穿過內(nèi)部蜂窩芯后接觸底層面板。當(dāng)載荷-時(shí)間曲線達(dá)到第一個(gè)峰值時(shí)，沖擊頭穿透上面板繼續(xù)向下移動，蜂窩芯開始出現(xiàn)折疊和壓碎，相應(yīng)的載荷-時(shí)間曲線呈現(xiàn)出隨峰值載荷而延長的波動平臺。當(dāng)沖擊頭穿透蜂窩芯并接觸到下面板時(shí)，對應(yīng)的載荷-時(shí)間曲線開始出現(xiàn)第二個(gè)峰值。從圖7（b）～（e）可以看出，HS (30 J、40 J)、HS-C (40 J、50 J)的載荷-時(shí)間曲線屬于C 型曲線。

對于C 型曲線，如果沖擊能量不足以完全穿透試樣，則第二個(gè)峰值低于第一個(gè)峰值，例如HS(30 J) 和HS-C (40 J)。然而，對于HS (40 J)和HSC(50 J)，第二個(gè)載荷峰值與第一個(gè)載荷峰值一樣高，表明蜂窩夾層板幾乎或者已經(jīng)發(fā)生了穿透損傷。

對應(yīng)于三種類型的沖擊載荷-時(shí)間曲線，沖擊載荷-位移曲線也可分為三種類型，并且隨著沖擊能量的增加，載荷-位移曲線逐漸由封閉曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放曲線，如圖8 所示。其中單峰閉合曲線表示沖擊頭在試樣上出現(xiàn)完全回彈，例如HS-S（10 J）曲線。單峰載荷及延長加載平臺為半開放曲線，表示它可能包含試樣的部分屈服和沖擊頭的部分回彈。從HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HSS(20 J、30 J、40 J 和50 J) 的載荷-時(shí)間曲線可以觀察到這種現(xiàn)象。如果試樣完全屈服，且未發(fā)生沖擊頭反彈，則載荷-位移曲線應(yīng)為一條完整的開放曲線[19]。此時(shí)沖擊頭接觸到試樣底層面板，甚至穿透試樣。例如HS（30 J、40 J）曲線和HS-C（40 J、50 J）曲線。沖擊載荷-位移曲線上升段的斜率代表沖擊試樣的彎曲剛度。從圖8 可以看出，修理試樣的彎曲剛度均高于完整試樣。這主要是由于修理材料和母板材料不同造成的。同時(shí)，修理蜂窩與原蜂窩之間采用環(huán)氧樹脂與酚醛微珠混合物粘接，修理蜂窩結(jié)構(gòu)與原蜂窩相比強(qiáng)度也有一定的提高。

2.1.3 沖擊能量

圖9 為不同沖擊能量下試樣的吸收能量-時(shí)間曲線。從圖9 可以看出，試樣在不同沖擊能量下的吸收能量過程可分為三種類型。A 型能量-時(shí)間曲線表現(xiàn)為一個(gè)能量單峰和一個(gè)延長的吸收能量平臺，沖擊能量分為不可逆和可逆能量。不可逆能量通過蜂窩板的永久損傷、振動、熱等方式被吸收?？赡婺芰哭D(zhuǎn)化為沖擊頭的動能，當(dāng)沖擊力達(dá)到峰值載荷時(shí)，可逆能量轉(zhuǎn)化為沖擊頭反彈的動能。其中HS（10 J）、HS-C（10 J），HS-S（10 J、20 J、30 J 和40 J）能量-時(shí)間曲線都可以觀察到這一現(xiàn)象。B 型能量-時(shí)間曲線顯示出與A 型曲線基本相似的趨勢，只是回彈過程中很少或沒有可逆能量，這意味著大部分沖擊能量被蜂窩板吸收。其中，HS（20 J）、HS-C（20 J、30 J 和40 J）以及HS-S（50 J）曲線屬于B 型曲線。C 型能量-時(shí)間曲線可分為兩個(gè)典型階段，在每個(gè)階段中，一旦沖擊頭接觸面板，吸收能量-時(shí)間曲線急劇上升。在這兩個(gè)階段之間，由于面板撕裂阻力和蜂窩芯破碎的摩擦阻力，吸收能量-時(shí)間曲線的上升變得緩慢。其中， HS（30 J、40 J）曲線和HS-C（50 J）曲線屬于C 型曲線。

不同沖擊能量下試樣的最大沖擊力和吸收能量如圖10 所示。與HS 相比，HS-C 試樣的最大沖擊力分別提高了46.2%～91.2%，HS-S 試樣的最大沖擊力分別提高了136.8%～216.9%。修理前后的最大吸收能量無明顯變化。

2.2 CAI 測試

圖11 為不同沖擊能量下試樣的CAI 強(qiáng)度和模量。從圖11 可以看出，隨著沖擊能量的增加，試樣的CAI 強(qiáng)度逐漸降低。這主要是由于沖擊坑的存在，破壞了試件的抗屈曲性能。10 J 沖擊能量下試樣的沖擊損傷面積最小，CAI 強(qiáng)度最高；而在發(fā)生穿透損傷（HS 為40 J，HS-C 為50 J）時(shí)，沖擊區(qū)域面板和蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌損傷，CAI 強(qiáng)度最低。相同沖擊能量下，修理試樣的CAI 強(qiáng)度最高，而且HS-S 的CAI 強(qiáng)度高于HS-C。這同樣與沖擊導(dǎo)致復(fù)合材料的損傷直接相關(guān)。以上數(shù)據(jù)表明，修理后的蜂窩結(jié)構(gòu)，特別是蜂窩芯拼接區(qū)域的抗沖擊性能優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

2.3 失效機(jī)理分析

圖12 為三種類型的蜂窩夾層板沖擊點(diǎn)處的宏觀照片。HS 和HS-C 試樣的沖擊點(diǎn)分別位于原蜂窩芯和修理后的蜂窩芯上。鋁蜂窩芯材料出現(xiàn)整體擠壓坍塌現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量為40 J 時(shí)，沖擊頭完全穿透HS 試樣的下面板。HS-C 試樣具有較好的抗沖擊性能，下面板無明顯穿透損傷。這可能是因?yàn)樾扪a(bǔ)材料的韌性比母材好。復(fù)合材料的抗沖擊性能受纖維和樹脂的雙重影響，甚至樹脂的性能更為重要。對于沖擊能量為50 J 的HS-S 試樣，沖擊點(diǎn)位于蜂窩芯拼接區(qū)域。蜂窩芯拼接區(qū)域采用EA 9396 環(huán)氧樹脂和酚醛微球增強(qiáng)，提高了HS-S 試樣的抗沖擊性能。

圖13 為CAI 測試后蜂窩夾層板的正面和橫截面損傷宏觀形貌照片。從圖13 可以看出，試樣經(jīng)過沖擊破壞后在壓縮作用下破壞區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展。沖擊點(diǎn)是CAI 損傷最嚴(yán)重的區(qū)域。裂紋起始區(qū)位于沖擊側(cè)，垂直于壓縮方向擴(kuò)展至試樣邊緣，表現(xiàn)出兩種破壞模式：裂紋擴(kuò)展和分層屈曲。試樣背面無裂紋擴(kuò)展。蜂窩夾層板的斷面形貌表明，隨著沖擊能量的增加，頂面板逐漸出現(xiàn)分層、基體開裂、纖維斷裂等失效模式。此時(shí)，內(nèi)部蜂窩芯結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)不同程度的坍塌。HS 試樣在30 J 和40 J 沖擊能量下，HS-C 試樣在40 J 和50 J 沖擊能量下，內(nèi)部鋁蜂窩芯發(fā)生擠壓坍塌現(xiàn)象。然而，對于HS-S試樣，內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)的損傷模式是完全不同的。在較低的沖擊能量下出現(xiàn)很小的凹坑，凹坑的深度隨著沖擊能量的增加而增大，最終發(fā)展為貫穿整個(gè)拼接區(qū)域的縱向裂紋。

3 結(jié)論

(1) 隨著沖擊能量的增加，蜂窩夾層板面層及內(nèi)部蜂窩芯的損傷面積增大，損傷形式從上面板裂紋發(fā)展為小凹陷、蜂窩芯破碎甚至穿孔。相同沖擊能量下，修理試樣的沖擊損傷面積明顯小于完整試樣，HS-S 試樣的沖擊損傷面積最小。

(2) 隨著沖擊能量的增加，典型的沖擊載荷曲線類型由完全回彈型和不完全回彈型轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠只蛲耆┩感?。與這三種典型曲線相對應(yīng)，修理試樣的最大沖擊力顯著增大，HS-S 試樣的最大沖擊力高于HS-C 試樣，說明修理后結(jié)構(gòu)，尤其是蜂窩拼接區(qū)的抗沖擊性能明顯優(yōu)于完整結(jié)構(gòu)。

(3) 隨著沖擊能量的增加，完整試樣和修理試樣的CAI 強(qiáng)度均逐漸降低。其中，HS-S 試樣在沖擊后的損傷較小，其CAI 強(qiáng)度高于HS 試樣和HSC 試樣。