摘要： 為驗證某型號新能源電動飛機(jī)機(jī)翼帶孔蒙皮拉伸載荷承載能力是否滿足CCAR-23-R3適航符合性要求，制備了6組上、下面板的、鋪層均為［±45/（0，90）］s的帶孔復(fù)合材料泡沫夾芯板（W-3021 FF/H60）試驗件，通過試驗測得室溫與濕熱環(huán)境下試驗件的極限破壞載荷和破壞載荷時的變形位移，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討濕熱環(huán)境對帶孔復(fù)合材料泡沫夾芯板的強(qiáng)度影響。結(jié)果表明：兩種環(huán)境下的位移載荷曲線均為線性變化，未發(fā)生塑性變形；濕熱環(huán)境下的極限破壞載荷與常溫下基本保持一致，但濕熱環(huán)境下的破壞位移較常溫下變大；在濕熱環(huán)境下試樣的環(huán)境影響系數(shù)為1.007，衰減系數(shù)為0.99。因此，該帶孔復(fù)合材料板在不同環(huán)境下仍具備良好的拉伸力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞： 適航符合性；帶孔復(fù)合材料板；拉伸力學(xué)性能；濕熱環(huán)境；破壞載荷

中圖分類號： O342" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

doi：10.3969/j.issn.2095-1248.2023.02.002

Mechanical property of porous composite plate based on airworthiness compliance

HE Dong-qing1a， ZHAO Li-jie1a， YANG Kang1b，2， LIU Tian-fu1b，2， LIU Xun1b，2

（1a. College of Aerospace Engineering，1b. Liaoning Provincial Key Laboratory of General

Aviation，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2. Design Department，

Liaoning General Aviation Academy，Shenyang 110136，China）

Abstract： In order to verify whether the tensile load-bearing capacity of the wing belt hole skin of a certain new energy electric aircraft meets the requirements of CCAR-23-R3 airworthiness compliance，6 groups of upper and lower panels with ［±45/（0，90）］s （W-3021 FF/H60） test parts were prepared.The ultimate failure load and deformation displacement at failure load of the test piece under room temperature and hygrothermal environment were measured by experiments，and the measured data were compared and analyzed to explore the influence of hygrothermal environment on the strength of composite foam sandwich panels with holes.The results show that the displacement load curve in both environments is linear without plastic deformation，the limit damage load is basically consistent with normal temperature.However，the damage displacement in a humid environment is larger than in normal temperature，the environmental impact coefficient in the humid environment of the test sample is 1.007 and the attenuation coefficient is 0.99.Therefore，the porous composite plate still has good tensile mechanical properties in different environments.

Key words： airworthiness compliance；porous composite plate；tensile mechanical properties；hot and humid environment；damage load

隨著航空領(lǐng)域高新技術(shù)的快速發(fā)展，材料的使用環(huán)境也在不斷進(jìn)步，對材料的要求也變得越來越嚴(yán)格。在此環(huán)境下涌現(xiàn)出大量的新興材料，復(fù)合材料便是其中之一。復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕的熱力學(xué)性能，同時還具有高強(qiáng)度比、高剛度比以及力學(xué)性能可設(shè)計等優(yōu)異性能［1-3］，因此被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。不同于金屬材料，復(fù)合材料在高溫濕熱環(huán)境下容易產(chǎn)生濕熱效應(yīng)。所謂的濕熱效應(yīng)是指隨著溫度的上升，水分子在熱運動的作用下進(jìn)入材料內(nèi)部，使其基體膨脹的空間變小，導(dǎo)致基體性能下降產(chǎn)生濕熱變形。由于復(fù)合材料每層都會產(chǎn)生不同的濕熱變形。黏結(jié)部位又限制了每一層的變形，使層與層之間產(chǎn)生了殘余應(yīng)力和應(yīng)變，進(jìn)而影響層合板的強(qiáng)度。同時由于纖維與基體之間黏合性較弱，成型技術(shù)很難保證沒有空隙，水分子沿著空隙很容易進(jìn)入復(fù)合材料界面，使材料的吸濕效果增強(qiáng)，濕熱性能變差，特別是在高溫環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)試驗時，對材料的力學(xué)性能影響更為明顯［4-5］。因此復(fù)合材料板的耐濕熱性能成為驗證飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)之一。

目前很多學(xué)者對復(fù)合材料的耐濕熱性能進(jìn)行了研究。過梅麗等［6］通過復(fù)合材料和基體在80 ℃水浸中的吸水動力學(xué)、紅外光譜、動態(tài)力學(xué)性能和表面形態(tài)的變化，分析了復(fù)合材料的濕熱老化機(jī)理。Roger［7］提出了單向復(fù)合材料層合板的組分材料在潮濕條件下模量和穩(wěn)定性的退化預(yù)測分析模型。沈惠申［8］通過細(xì)觀力學(xué)模型，用數(shù)值算例驗證了復(fù)合材料圓柱薄殼在不同濕熱環(huán)境下的屈曲行為。姚宇超等［9］基于Hashin失效準(zhǔn)則對開孔層合板進(jìn)行了漸進(jìn)損傷模擬，對照試驗得出了不同濕熱環(huán)境下的力學(xué)極限強(qiáng)度，結(jié)果證明濕熱環(huán)境主要影響板的壓縮性能。展全偉等［10］對帶孔復(fù)合材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，濕熱環(huán)境下壓縮力學(xué)性能保持在85%左右，驗證了帶孔復(fù)合材料板在濕熱環(huán)境下仍能保持良好力學(xué)性能。

對于新能源飛機(jī)來說，在滿足強(qiáng)度設(shè)計的同時還要盡可能地減輕機(jī)身質(zhì)量，在此條件下設(shè)計出了復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。纖維與基體按照不同比例和不同角度進(jìn)行鋪設(shè)，再加上不同厚度的夾芯材料形成了目前通用航空新能源飛機(jī)材料的一種結(jié)構(gòu)形式。其力學(xué)性能更優(yōu)［11-12］，同時還可以有效減小質(zhì)量，成為飛行器輕量化設(shè)計的最佳選擇［13-14］。

本文針對開孔復(fù)合材料泡沫夾芯板，為驗證某型號新能源電動飛機(jī)機(jī)翼帶孔蒙皮拉伸載荷承載能力是否滿足CCAR-23-R3適航符合性的要求［15］，對常溫及濕熱環(huán)境下的試驗件進(jìn)行拉伸試驗，將所得的破壞載荷與破壞位移進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對比得出不同環(huán)境對開孔復(fù)合泡沫夾芯板的拉伸力學(xué)性能影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗件制備

試驗件為平面長方形泡沫夾芯板，長為470 mm、寬為300 mm。采用牌號W-3021FF的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，上下面板鋪層均為［±45/（0，90）］s，夾芯材料選擇編號H60、厚度4 mm的泡沫，夾芯板采用真空袋裝擠壓成型工藝。試驗包括室溫干態(tài)（Room Temperature Dry，RTD）環(huán)境下靜力試驗3件，測試溫度（23±3）℃，相對濕度為試驗室環(huán)境；高溫濕態(tài)（Elevated Temperature Wet，ETW）環(huán)境下靜力試驗3件，測試溫度（71±3）℃，相對濕度為85%。試驗件總數(shù)為6件，對試驗件兩端進(jìn)行加強(qiáng)，用于加載夾持，試驗件尺寸及截面圖如圖1所示。

1.2 試驗方法

每次試驗均按照如下順序進(jìn)行：（1）拉伸載荷加載至限制載荷；（2）繼續(xù)加載至極限載荷；（3）繼續(xù)加載直至試驗件破壞。在試驗件兩端夾持處一端固定夾緊，另一端施加拉力。加載線通過試驗件中心線，ETW環(huán)境試驗在結(jié)構(gòu)載荷與氣候環(huán)境模擬試驗臺（編號SA19-01）上進(jìn)行，RTD環(huán)境試驗在材料試驗機(jī)（編號MTS）上進(jìn)行，試驗件安裝如圖2所示，試驗工裝為XZ-SB33-40。

干態(tài)試驗件不需要進(jìn)行額外的狀態(tài)調(diào)節(jié)。濕態(tài)試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)按照ASTM D5229標(biāo)準(zhǔn)實施。制造5個與試驗件鋪層相同，尺寸為50 mm×50 mm的復(fù)材層壓板作為稱重試驗件。濕態(tài)試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)前，先對稱重試驗件進(jìn)行稱重并記錄，然后將測試試驗件與稱重試驗件一同放入濕熱環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行濕態(tài)狀態(tài)調(diào)節(jié)。恒溫恒濕環(huán)境設(shè)置為溫度（71±3）℃和相對濕度（85±5）%。按規(guī)定的時間間隔對稱重試驗件稱重并記錄，計算并記錄每個時間間隔的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，直到7天間隔稱重試驗件質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化小于0.05%，試驗件吸濕達(dá)到飽和，此時停止?fàn)顟B(tài)調(diào)節(jié)。

2 試驗結(jié)果與分析

由圖3可知，RTD和ETW環(huán)境下各試驗件的位移-載荷曲線均為線性變化，未發(fā)生塑性變形。其中，由于數(shù)據(jù)較為接近，RTD-5和RTD-6試樣出現(xiàn)曲線重合的情況；ETW-1和RTD-4試樣圖曲線一開始急劇上升，之后呈現(xiàn)線性，這是由于工裝時存在裝配間隙，導(dǎo)致試樣在開始加載階段出現(xiàn)較大的位移，但是試樣的整體變形趨勢和規(guī)律與其他試樣保持一致。因此，由裝配間隙引起的位移增大對試驗結(jié)果無影響。

根據(jù)表1中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，在限制載荷時，RTD環(huán)境下的試樣變形平均值為0.323 mm，ETW環(huán)境下位移值的試樣變形平均值為0.445 mm，因此，在相同載荷下，ETW環(huán)境試樣的變形要略高于RTD環(huán)境下的變形。根據(jù)以往文獻(xiàn)可知，隨著溫度上升，受熱物質(zhì)的分子鏈段活動增強(qiáng)，分子間相互作用程度降低，從而加速分子間生成孔隙，大量水分子進(jìn)入，使得材料的整體吸濕量與飽和吸濕量均大幅增加；與此同時，由于水分子的大量進(jìn)入，也使基體和纖維之間的界面結(jié)合強(qiáng)度減小，更易于形成層狀，從而降低了復(fù)合材料層和板的表面力學(xué)性能；另外，根據(jù)泡沫力學(xué)鑒定試驗結(jié)果，在濕熱環(huán)境下，泡沫的平面剪切性能降低。綜合以上因素，本次試驗中ETW環(huán)境試驗件的變形量大于RTD環(huán)境試驗件的變形量，與理論分析相符。

由表1、2中的各試樣破壞載荷情況可知，ETW環(huán)境下的各試樣平均破壞載荷為46.937 kN，RTD環(huán)境下的各試樣平均破壞載荷為47.233 kN。因此，在ETW環(huán)境下試樣的環(huán)境影響系數(shù)為1.007，衰減系數(shù)為0.99。

考慮到試驗過程中存在些許誤差，表1還給出了在不同環(huán)境下試驗件的離散程度，用來表征試驗件的質(zhì)量穩(wěn)定性。ETW環(huán)境下在67%與100%載荷變形的離散系數(shù)為3.8%和6%，在破壞載荷和破壞載荷變形的離散系數(shù)為2%和3.1%；RTD環(huán)境下在67%與100%載荷變形的離散系數(shù)為5.2%和4.9%，在破壞載荷和破壞載荷變形的離散系數(shù)為4.4%和3.6%?？梢钥闯霾煌h(huán)境下試驗件的變形和載荷離散系數(shù)均在5%左右，試驗所得到的數(shù)據(jù)可靠性良好。從安全系數(shù)方面來說，試驗件在67%的設(shè)計載荷下產(chǎn)生了微弱的變形，在100%極限載荷級下產(chǎn)生的變形也不足以使試驗件失效破壞。而破壞載荷在1 100%左右，僅從拉伸強(qiáng)度方面來說，ETW和RTD環(huán)境下試驗件的安全系數(shù)達(dá)到了16.5左右，試驗件的抗拉強(qiáng)度比較高。

從圖4各試驗件的拉伸斷口來看，斷裂位置均為孔的應(yīng)力集中點處，這與預(yù)測的情況相符，RTD環(huán)境下斷裂方向為45°鋪層方向，而ETW環(huán)境下斷裂方向為90°的鋪層方向。這是由于在RTD環(huán)境下復(fù)合材料性能基本不受影響，主要的拉伸破壞方式大多是沿著45°鋪層方向的纖維破壞；而在ETW環(huán)境下，由于碳纖維基本上不存在吸濕效果［16］，在濕熱環(huán)境下的水分子大部分被基體所吸收，吸濕后材料的局部密度發(fā)生了改變［17］，基體的吸濕和水解使分子量降低，最終導(dǎo)致纖維/基體界面分層，降低了復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能［18-20］，濕熱條件下擴(kuò)散進(jìn)復(fù)合材料的水分子與樹脂基體中高分子結(jié)合，使得基體溶脹，體積增大，最終形成裂紋和孔洞，顯示為基體拉伸斷裂。同時濕熱環(huán)境對90°鋪層的影響最大，從內(nèi)到外逐步擴(kuò)展，故在ETW環(huán)境下斷裂方向為基體方向。

從圖5可知，ETW-1所受到的破壞載荷最高為48.26 kN，3個試驗件破壞載荷平均值為46.94 kN，而RTD-4與RTD-5所受載荷均為48.71 kN，平均載荷為47.25 kN，ETW環(huán)境與RTD環(huán)境下的破壞載荷整體上基本保持一致，表明高溫濕熱狀態(tài)對該類型帶孔復(fù)合材料所能承受的拉伸破壞載荷影響較小。但從破壞產(chǎn)生的變形位移來看，ETW-1達(dá)到了4.688 mm，ETW-2與ETW-3也在4.3 mm以上，平均變形位移為4.496 mm。而RTD環(huán)境下位移均在3.5 mm以下，最大位移量即RTD-5變形位移只有3.317 mm，平均位移為3.169 mm。在承受一樣的破壞載荷時，試驗件的變形位移在ETW環(huán)境下要比RTD環(huán)境下大。

3 結(jié)論

本文基于CCAR-23-R3適航符合性的要求，對兩種環(huán)境下的帶孔碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯板進(jìn)行拉伸試驗，對比試驗得到的破壞載荷和變形位移得出以下結(jié)論：

（1）常溫和濕熱環(huán)境下各試驗件的位移-載荷曲線均為線性變化，未發(fā)生塑性變形；

（2）濕熱環(huán)境下試驗件所承受的破壞載荷與常溫環(huán)境下基本保持一致，而變形位移要比常溫環(huán)境下大得多；

（3）濕熱環(huán)境下試樣的環(huán)境影響系數(shù)為1.007，衰減系數(shù)為0.99。

綜上，濕熱環(huán)境對開孔復(fù)合材料泡沫夾芯板的拉伸承載能力影響較小，滿足適航符合性要求。

參 考 文 獻(xiàn)（References）：

［1］ Garg A，Chalak H D.A review on analysis of lam-inated composite and sandwich structures under hygro-thermal conditions［J］.Thin-Walled Structures，2019，142（5）：205-226.

［2］ Nachtane M，Tarfaoui M，Sassi S，et al.An investigation of hygrothermal aging effects on high strain rate behaviour of adhesively bonded composite joints［J］.Composites Part B：Engineering，2019，172（5）：111-120.

［3］ Liu T Q，Liu X，F(xiàn)eng P.A comprehensive review on mechanical properties of pultruded FRP composites subjected to long-term environmental effects［J］.Com-posites Part B：Engineering，2020，191：107958.

［4］ 沈真.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性損傷容限設(shè)計指南［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1995.

［5］ 任惠韜，胡安妮.濕熱環(huán)境對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（11）：96-99.

［6］ 過梅麗，肇研，謝令.航空航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料濕熱老化機(jī)理的研究［J］.宇航材料工藝，2002（4）：51-54.

［7］ Chang F K，Shahid L，Engdahl R A.Predicting moduli and strengths reduction of undirectional graphite/epoxy composites due to hygrothermal effects［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，1989，8（2）：106-132.

［8］ 沈惠申.濕熱環(huán)境中復(fù)合材料層合圓柱薄殼的屈曲和后屈曲［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2001，22（3）：228-238.

［9］ 姚宇超，許希武，毛春見.濕熱環(huán)境下開孔復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2015，33（3）：425-431.

［10］ 展全偉，范學(xué)領(lǐng)，孫秦.復(fù)合材料孔板在濕熱環(huán)境下的力學(xué)性能研究［J］.固體火箭技術(shù)，2011，34（6）：764-767.

［11］ 郭笑坤，殷立新，詹茂盛.低介質(zhì)損耗雷達(dá)罩用復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2003（6）：29-33.

［12］ Marie H J，O′meara，et al.D glass-A new low dielectric glass fiber available in the USA［C］//International SAMPE Symposium and Exhibition Anaheim，USA，1993，38（2）：1833-1844.

［13］ 鄭錫濤，孫秦，李野，等.全厚度縫合復(fù)合材料泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究與損傷容限評定［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2006，23（6）：29-36.

［14］ Yang Q，Li X，Shi L，et al.The thermal characteristics of epoxy resin：design and predict by using molecular simulationmethod［J］.Polymer，2013，54（23）：6447-6454.

［15］ 中國民用航空局.正常類飛機(jī)適航規(guī)定：CCAR-23-R3［S］.北京：中國民用航空局，2022.

［16］ Johar M，Kang H S，Chong W W F，et al.A further generalized thickness-dependent non-Fickian moisture absorption model using plain woven epoxy composites［J］.Polymer Testing，2018，69（6）：522-527.

［17］ Hagihara H，Watanabe R，Shimada T，et al.Degradation mechanism of carbon fiber-reinforced thermoplastics exposed to hot steam studied by chemical and structural analyses of nylo n 6 matrix［J］.Composites Part A：Applied Science and Manu-facturing，2018，112（5）：126-133.

［18］ Scida D，Aboura Z，Benzeggagh M L.The effect of ageing on the damage events in woven-fibre composite materials under different loading conditions［J］.Composites Science and Technology，2002，62（4）：551-557.

［19］ 李敏，張寶艷.5428/T700復(fù)合材料的耐濕熱性能［J］.纖維復(fù)合材料，2006（1）：3-4.

［20］ Won J P，Lee S J，Kim Y J，et al.The effect of exposure to alkaline solution and water on the strength-porosity relationship of GFRP rebar［J］.Composites Part B：Engineering，2008，39（5）：764-772.

（責(zé)任編輯：吳萍" 英文編輯：趙歡）