付浩、王寬、劉鵬

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料因其具有多種優(yōu)異的物理性能而廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)。碳纖維復(fù)合材料具有較高的比模量和比強(qiáng)度，可以承受較大程度的沖擊，不容易受到腐蝕，材料性能不受高溫環(huán)境影響，具有較強(qiáng)的絕緣性能[1]，可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，加工也比較簡(jiǎn)單。在航空航天領(lǐng)域，很多飛機(jī)構(gòu)件都是由碳纖維復(fù)合材料制造的。由該材料制造的飛機(jī)構(gòu)件在受到跑道上的砂石或者其他物體的低速?zèng)_擊后容易損傷，但是由于損傷面積較小，不經(jīng)過細(xì)致的檢查很難觀察到[2]。構(gòu)件受到損傷會(huì)對(duì)其機(jī)械性能造成一定程度的影響，從而對(duì)飛機(jī)的飛行安全產(chǎn)生危害，甚至造成嚴(yán)重的飛行事故。飛機(jī)的主支撐結(jié)構(gòu)也是由碳纖維復(fù)合材料制造的，當(dāng)該結(jié)構(gòu)受到低速?zèng)_擊后，可能導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生分層損傷而使其機(jī)械性能下降。

因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊損傷性能展開研究，以提高碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的安全性，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

本文采用的試驗(yàn)材料為國產(chǎn)的T800 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。首先，采用低速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試件；其次，對(duì)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，利用超聲波C-掃描技術(shù)確定試件的破壞形態(tài)，并繪出沖擊能量與凹坑深度的關(guān)系圖；再次，對(duì)試件的低速破壞特性進(jìn)行分析；最后，對(duì)試件的破壞形態(tài)、拐點(diǎn)與沖擊強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行分析。材料斷口的形貌可以利用顯微鏡進(jìn)行觀察。

1.2 試驗(yàn)材料制備

所用的試驗(yàn)材料是國產(chǎn)T800 型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，輔層順序?yàn)閇+45/0/-4/90]6S，平均纖維體積百分比為60±2%，層壓板利用熱壓罐成型，每層厚度是0.2mm，層數(shù)是24 層，測(cè)試材料的大小是150mm×100mm×4.8mm。

1.3 測(cè)試與表征

沖擊試驗(yàn)采用低速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)，本文的沖擊試驗(yàn)在相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。低速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)的沖頭為半球形，直徑為16mm，制造材料為鋼，質(zhì)量為5.5kg。對(duì)層壓板進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn)時(shí)一共使用了七種能量，分別為5J、15J、25J、35J、45J、55J、65J。

每次沖擊試驗(yàn)完成后，對(duì)沖擊產(chǎn)生的凹坑深度利用千分表進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄。層壓板受沖擊后的內(nèi)部損傷情況利用超聲波C-掃描技術(shù)進(jìn)行觀察，損傷的投影面積利用軟件進(jìn)行計(jì)算。

沖擊完成后開始進(jìn)行壓縮試驗(yàn)（見圖1），參與試驗(yàn)的壓縮夾具需要滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)。本文的壓縮試驗(yàn)是在萬能試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)以1.25mm/min 的速率進(jìn)行加載。在開始試驗(yàn)前需要將試驗(yàn)樣品安裝在夾具中，以防止試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)過程中發(fā)生位移，保證試驗(yàn)樣品的中線和壓縮頭的中線重合，避免在試驗(yàn)過程中因?yàn)榧虞d偏差而造成試驗(yàn)樣品彎曲。

圖1 沖擊后壓縮試驗(yàn)

殘余壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式：

式（1）中：

FCAI表示壓縮強(qiáng)度，MPa；

Pmax表示最大應(yīng)力，N；

w表示試驗(yàn)前試樣寬度，mm；

h表示試驗(yàn)后試樣寬度，mm。

對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，6 個(gè)試樣為一組，取測(cè)量結(jié)果的平均值為性能標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式（2）～式（4）中：

χ表示性能平均值；

sn-1表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

Cν表示性能離散系數(shù)；

χi表示性能值；

n表示試樣數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊損傷特性

復(fù)合材料在受到低速?zèng)_擊后，材料表面會(huì)產(chǎn)生凹坑和其他損傷，凹坑的深度和損傷面積是對(duì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行評(píng)定的重要標(biāo)準(zhǔn)。在完成沖擊試驗(yàn)后，為了防止出現(xiàn)回彈情況，需要立即對(duì)凹坑深度進(jìn)行測(cè)量。沖擊能量和凹坑深度之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 沖擊能量與凹坑深度關(guān)系曲線

分別以5J、15J、25J、35J、45J、55J、65J 的能量沖擊層壓板，從圖2 中可以得知，隨著沖擊能量的增大，凹坑的深度也越深，但是兩者之間的關(guān)系為非線性關(guān)系。隨著沖擊能量的提升，35J 成為一道分水嶺，在達(dá)到這一沖擊能量之前，凹坑深度增加緩慢，在這之后，凹坑深度增加速度急速加快，沖擊能量達(dá)到65J 時(shí)，層壓板產(chǎn)生穿透性損傷。以此可以判斷出，在層壓板受到的沖擊能量達(dá)到35J 之前，其受到?jīng)_擊后的主要承載體為樹脂基體，在沖擊能量達(dá)到35J 之后，層壓板表面的樹脂纖維承受了大部分的沖擊，隨著沖擊能量持續(xù)升高，纖維層的斷裂數(shù)目隨之增多，凹坑深度也隨之快速增加，層壓板基本失去對(duì)沖擊能量的抵抗能力。

2.2 沖擊表面形貌

當(dāng)層壓板受到的沖擊能量較弱時(shí)，表面的損傷程度用肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)；當(dāng)沖擊能量增大時(shí)，會(huì)使其表面產(chǎn)生一個(gè)小的凹坑，而在其背面則會(huì)產(chǎn)生基體的破裂和纖維的斷裂；當(dāng)沖擊能量持續(xù)增大時(shí)，層壓板表面的凹坑深度也隨之增加，背部纖維的斷裂數(shù)量也越來越多，沖擊形貌表現(xiàn)為不規(guī)則的圓形；當(dāng)沖擊能量達(dá)到35J 時(shí)，層壓板的損傷形貌類似橢圓形，纖維大量斷裂，斷裂方向和纖維的鋪層方向保持一致；當(dāng)沖擊能量達(dá)到65J 時(shí)，層壓板被穿透，徹底失去對(duì)沖擊的抵抗力，損傷區(qū)域受沖擊面與背面形貌一致。

2.3 沖擊損傷面積

沖擊能量和損傷面積的數(shù)據(jù)如表1 所示。從這些數(shù)據(jù)可以總結(jié)出，層壓板的損傷面積隨著沖擊能量的增大而增大，在沖擊能量達(dá)到65J 之后，損傷面積又急劇減小，這種情況出現(xiàn)的主要原因是，最先抵御沖擊能量的是層壓板表面的樹脂基體，隨著沖擊能量的不斷增大，樹脂基體開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，層壓板的損傷面積開始逐漸擴(kuò)大，隨著沖擊能量的繼續(xù)增大，層壓板開始出現(xiàn)纖維斷裂的情況，層壓板的纖維斷裂趨勢(shì)向中間延伸，此時(shí)層壓板損傷面積的擴(kuò)張趨勢(shì)開始降低，當(dāng)沖擊能量達(dá)到一定程度，層壓板被穿透，但是由于沖頭的直徑并沒有發(fā)生改變，層壓板被擊穿后，沖頭僅對(duì)周邊纖維產(chǎn)生破壞，沖頭所能產(chǎn)生的沖擊范圍也是有限的，因而損傷范圍也就逐漸縮小。

表1 沖擊能量和損傷面積

2.4 沖擊后壓縮性能

復(fù)合材料在受到?jīng)_擊后，低速?zèng)_擊損傷會(huì)對(duì)壓縮性能造成比較明顯的影響，復(fù)合材料的損傷容限性能可以以受沖擊后的壓縮強(qiáng)度為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。在不同的沖擊能量作用下，層壓板的殘余壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的增大而逐漸下降，這主要是由于層壓板的彈性材料首先承受了沖擊能量，而當(dāng)沖擊能量持續(xù)增大時(shí)，樹脂基體開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，隨著沖擊能量的繼續(xù)加大，層壓板開始出現(xiàn)纖維斷裂的情況，在樹脂基體承受主要沖擊能量時(shí)，層壓板的殘余壓縮強(qiáng)度降低較快，層壓板中的纖維大量斷裂，使其殘余壓縮強(qiáng)度持續(xù)下降，而在對(duì)層壓板進(jìn)行沖擊時(shí)，因其具有固定的尺寸，在被擊穿后，沖頭對(duì)層壓板造成的纖維損傷情況也會(huì)逐漸降低。因此可以猜測(cè)，隨著層壓板受到的沖擊能量不斷增大，殘余壓縮強(qiáng)度的降低速度在不斷減?。ㄒ妶D3）。

圖3 沖擊能量和剩余壓縮強(qiáng)度曲線

2.5 沖擊后斷口形貌分析

在對(duì)層壓板進(jìn)行沖擊的過程中，隨著沖擊能量的增大，層壓板會(huì)出現(xiàn)分層的情況，內(nèi)部的纖維層也開始逐漸斷裂。當(dāng)層壓板受到的沖擊能量達(dá)到一定程度時(shí)，層壓板受沖擊面和背面的纖維將會(huì)完全斷裂，此時(shí)層壓板將會(huì)被徹底破壞，層壓板失效。層壓板的纖維被破壞，主要是受到?jīng)_頭的擠壓，導(dǎo)致纖維斷裂。層壓板上的裂紋從被沖擊點(diǎn)開始，會(huì)逐漸延伸到整個(gè)層壓板表面，且裂紋方向始終與層壓板的表面纖維鋪層方向保持一致。層壓板斷裂包括纖維斷裂、層壓板分層和剪切破壞，并伴有少量屈曲特征，大多數(shù)層壓板斷口呈楔形（見圖4）。

圖4 壓縮后試樣的破壞形貌

3 結(jié)論

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料雖然具有多種優(yōu)異的物理性能，但由于其在受到低速?zèng)_擊后容易損傷，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的局限。本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊損傷性能進(jìn)行研究，希望以此提高碳纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能，為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

當(dāng)CFRP 層合板（是碳纖維復(fù)合材料，由單向碳纖維或編織布與樹脂基體通過層合熱壓而成）試樣遭受10J 或更高的能量橫向撞擊時(shí)，肉眼可見地出現(xiàn)了纖維斷裂、層間剝離、縫線斷裂以及基質(zhì)碎片嵌入等嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象；其橫向碰撞破壞形態(tài)為：在接近碰撞點(diǎn)處形成一個(gè)半橢圓狀的層狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)軸沿0 度和短軸沿90 度兩個(gè)方向，且有縫合痕跡的層狀物的橫向碰撞破壞范圍較無縫合痕跡層狀物要小。在沖頭下落的方向上，CFRP 層合板的損傷面積、纖維斷裂數(shù)量和層間分層裂縫長(zhǎng)度都出現(xiàn)了逐漸減少的趨勢(shì)。但是，試件的分層裂縫長(zhǎng)度由層板表面向內(nèi)部的變化沒有其他兩者那么明顯，因此，認(rèn)為纖維斷裂是對(duì)CFRP層合板在側(cè)向沖擊后的性能降低的更重要的因素。

在此次的試驗(yàn)研究中，使用的CFRP 層合板是采用VARTM 工藝來制作的，但是VARTM 工藝會(huì)受到諸如溫度等環(huán)境因素的很大影響，還需要手動(dòng)的粘貼膠帶來使其處于完全密封狀態(tài)，這樣的工藝具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性（在制件的過程中很容易出現(xiàn)漏氣等現(xiàn)象），而且最后制成的CFRP 層合板也比較容易出現(xiàn)一些干斑、氣孔等缺陷，從而會(huì)對(duì)超聲C 掃描檢測(cè)結(jié)果的觀察造成干擾。因此，在以后的工作中，希望能對(duì)CFRP 層合板的成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，或者嘗試使用不同的成型工藝來進(jìn)行制件，比如熱壓罐成型工藝等，盡可能地確保試件的優(yōu)異成型。