魏程 王威力 吳偉萍 賈雪 羅世文

摘? 要? 對玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料/硬質泡沫夾層結構、碳纖維復合材料/硬質泡沫夾層結構進行了低速沖擊試驗，通過掃描電鏡（SEM）和超聲無損探傷等方法對損傷情況進行了檢測，并對損傷機理進行了分析。結果表明，碳纖維復合材料/硬質泡沫夾層結構在受到低速沖擊時，沖擊能量使樹脂基體中出現(xiàn)大量孔洞，凹陷變形量大。玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料/硬質泡沫夾層結構受到沖擊時，沖擊能量首先對纖維和樹脂的界面造成破壞，沖擊能量在纖維脫出過程中被吸收，樹脂中形成的孔洞數(shù)量相對較少，材料凹陷變形量小。

關鍵詞? 碳纖維；玻璃纖維；復合材料；夾層結構；低速沖擊

ABSTRACT? The low-speed impact test was conducted on high-performance glass / carbon composite / foam structure and carbon composite / foam structure. Then damage mechanism which was analyzed by the results of SEM and ultrasonic NDT shows that impact energy on carbon composite is absorbed by resin， then fiber is damaged ，and large deformation amount is formed while foam provides deformation space during low-speed impact. Impact energy on glass/carbon composite affects the interface of fiber and resin while fiber is taken out， while compactness of resin shapes small deformation amount of composite.

KEYWORDS? carbon fiber; fiberglass; composites; laminated structures; low-speed impact

1 引言

高性能纖維增強樹脂基復合材料在航空航天、軌道交通、電子機械等領域已獲得廣泛應用[1-3]，在航空航天領域應用的高性能復合材料結構中，復合材料/硬質泡沫夾層結構是一種較常見的形式[4]。在夾層結構的使用過程中，材料可能受到冰雹、意外撞擊等動態(tài)荷載沖擊，當沖擊能量值超出材料彈性形變所能吸收的閾值時，復合材料會產生層間分層、基體開裂、纖維脫出及纖維斷裂等損傷，對局部結構強度造成影響[5-7]。因此，國內外已大量開展關于沖擊損傷對復合材料性能影響的研究。孫宇杰等研究了泡沫鋁夾芯板在低速沖擊過程中的損傷情況，并利用ABAQUS軟件建立了低速沖擊過程的數(shù)值模型 [8]。徐崢等采用超聲C掃描檢測了碳纖維復合材料層板的沖擊損傷情況，并確定損傷尺寸是描述損傷狀態(tài)的最佳參數(shù)[9]。田媛、劉星宇等分別對復合材料的沖擊損傷進行了有限元分析[10，11]。張超、李念、Can Cui等分別對復合材料的損傷機理進行了分析[12-14]。

從微觀結構變化方面著手，對復合材料/泡沫夾層結構沖擊后的材料損傷情況及損傷機理進行分析，可為復合材料沖擊損傷的損傷容限研究提供依據(jù)。

2 試件制備

2.1 原材料

玻璃纖維：SC-1200，中材科技股份有限公司；碳纖維：SYT49S，中復神鷹碳纖維股份有限公司；硬質泡沫：聚氨酯，宇達聚氨酯制品有限公司。

2.2 試件結構和尺寸

試件為復合材料層合板和聚氨酯硬質泡沫雙層結構，復合材料層合板以碳纖維（CF）和高強玻璃纖維（GF）為增強項，按照表1所示鋪層順序，鋪放固化后，將復合材料層合板與聚氨酯硬質泡沫平板粘接，形成尺寸為50mm×100mm×54mm的夾層結構。

3 試驗過程

低速沖擊試驗參照《GB/T14153-1993 硬質塑料落錘沖擊試驗方法》進行，落錘為鋼制錐形結構，錘頭直徑10mm，沖擊能量值為8J，16J和24J，不同的沖擊能量值通過調節(jié)錘頭高度進行設定。沖擊后，采用380N型超聲掃描儀對沖擊點進行超聲探測，采用phenom ProX飛納掃描電鏡（SEM）分析沖擊點的微觀形貌。

4試驗結果

4.1外觀目測分析

進行沖擊試驗時，沖擊方向朝向復合材料層合板一側。復合材料/硬質聚氨酯泡沫夾層結構在受到低速沖擊后，復合材料層合板表面首先變形，而后，能量通過復合材料層傳遞至泡沫中，泡沫損傷，具體情況如表2所示。

由表2可知，復合材料/泡沫夾層結構在受到沖擊時，復合材料板內部離散成為若干微層的疊合區(qū)，吸收一部分沖擊能量，剩余能量傳遞至泡沫中，使泡沫發(fā)生分子鍵斷裂，形成凹陷甚至破碎。

4.2微觀表面狀態(tài)分析

受到不同強度的沖擊后，目測層板的外觀除凹陷程度不同外，其余差別不大，因此，采用SEM法進一步觀察層板表面的微觀形貌，如圖1～圖4所示。

由圖1～圖4可知，受到8J沖擊后，1#板的樹脂孔洞增加，2#板的纖維和樹脂之間的界面受到損傷，纖維局部裸露，但損傷程度較輕微。受到16J沖擊后，1#板樹脂出現(xiàn)大量孔洞，2#板樹脂出現(xiàn)少量孔洞，纖維局部脫出。受到24J沖擊后，1#、2#板都出現(xiàn)明顯損傷，1#板主要的損傷形式是樹脂基體破碎，2#板主要的損傷形式是纖維脫出。

4.3 超聲探傷

對1#板、2#板沖擊變形處進行探傷，8J、16J和24J沖擊后的層板均無超聲回波。超聲探傷為反射法，超聲無回波說明層板內部存在大量樹脂斷裂或界面脫粘形成的微孔缺陷，導致超聲聲波散射耗散，探測儀接受不到回波。

5沖擊損傷機理分析

試驗中涉及的各種材料的近程結構特征，由化學鍵表征，如表3所示。遠程結構特征，如表4所示。

由表3和表4可知，與樹脂中大量的C、N、O之間的單鍵相比，碳纖維中的主要官能團為六元環(huán)網狀結構，形成PI鍵后，結構穩(wěn)定；玻璃纖維中Si-O鍵、B-O鍵、Ca-O鍵、Na-O鍵等鍵能較高。從化學鍵穩(wěn)定性的角度可知，在吸收沖擊能量時，先斷裂的是樹脂基體中鍵能較低的C、N、O之間的單鍵，后斷裂的是纖維中的各種鍵能較高的化學鍵。此外，受到沖擊時，碳纖維和玻璃纖維的微觀結構基團出現(xiàn)軸向位錯滑移，消耗部分能量。而樹脂和泡沫中由于高分子立體網狀結構的存在，位阻較大，不能通過基團的位移消耗掉外來的能量，因此當沖擊能量在樹脂中傳遞時，樹脂和泡沫需要斷裂化學鍵來消耗沖擊能量。

結合電鏡和超聲探傷的結果可知，碳纖維是含碳量高于90%的石墨層狀結構交錯形成的，具有較多的微觀孔隙結構，與樹脂基體的界面性能好，樹脂與纖維之間不易脫粘，因此，沖擊能量主要由樹脂基體吸收，形成大量微小孔洞，樹脂基體的疏松使得材料的變形量更大。而玻璃纖維中的微觀空隙結構較少，與樹脂之間的界面性能主要靠硅烷偶聯(lián)劑改善，但仍低于碳纖維的界面性能。受到沖擊時，沖擊能量一部分消耗在纖維和樹脂界面的破壞過程中，纖維脫出，一部分能量由樹脂基體吸收，形成孔洞。因此，含玻璃纖維層板的變型量在宏觀上小于碳纖維層板。

6結語

綜合測試結果和機理分析，得到的如下結論：

（1）樹脂和泡沫中化學鍵鍵能較低，且高分子立體網狀結構位阻較大，不能產生纖維微觀結構基團的軸向位錯滑移，受到沖擊時只能靠化學鍵斷裂來消耗沖擊能量，在沖擊能量值較低時即產生孔洞或破裂。

（2）碳纖維與樹脂基體的界面性能好，沖擊能量主要由樹脂基體吸收形成微小孔洞，材料宏觀形變量大，泡沫也提供了可變形的空間。

（3）玻璃纖維復合材料受到的沖擊能量一部分由樹脂基體吸收，形成孔洞，一部分由界面處吸收，纖維脫出，材料宏觀形變量較碳纖維復合材料小。

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