復(fù)合材料織物層板修理后抗沖擊性能研究

邱運(yùn)朋

摘 要：苯并噁嗪碳纖維樹脂基復(fù)合材料是一種新興的復(fù)合材料，其高溫特性優(yōu)良、孔隙率較低、容易制備的特點(diǎn)尤為顯著，其在實(shí)際服役環(huán)境中，會(huì)頻繁地受到外部的損傷，如刮擦、切削、磨損等，會(huì)產(chǎn)生分層、裂紋、劃痕等形式的損傷，需要進(jìn)行修理，我們采用試驗(yàn)的方法，通過階梯挖補(bǔ)法修理，開展了固定能量低速?zèng)_擊試驗(yàn)，并最終實(shí)施了沖擊后壓縮強(qiáng)度測(cè)試的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，并結(jié)合斷口形貌分析和壓縮數(shù)據(jù)處理，以衡量其抗沖擊性能。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；挖補(bǔ)法修理；沖擊；壓縮

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）18-0066-01

復(fù)合材料是一種萌芽于上個(gè)世紀(jì)的高性能新材料，它是把多種可互為補(bǔ)充的材料依據(jù)合理的粘接固化方式熱壓成型，故此，其一方面可以弱化單一組分材質(zhì)的明顯短板，另一方面又能使得各組分材料的優(yōu)異性能更為突出和明顯。因?yàn)閺?fù)合材料所特有的如輕量化、耐受性良好、機(jī)械性能可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，故而受到航空宇航領(lǐng)域的青睞和認(rèn)可。在航空器的運(yùn)行中，會(huì)由于工具掉落、鳥擊或跑道碎石沖擊會(huì)造成其復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的損傷，沖擊作用會(huì)使層合結(jié)構(gòu)的主要機(jī)械性能在大幅削減，并且層間的分層和裂紋等會(huì)隨著材料結(jié)構(gòu)的繼續(xù)服役而愈發(fā)加劇，無疑會(huì)使材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加速退化，尤其在壓縮性能方面最為明顯，這就形成了嚴(yán)重的安全隱患。

1 驗(yàn)件的制備和編號(hào)

本試驗(yàn)采用Henkel公司生產(chǎn)的雙向織物型兩種苯并噁嗪樹脂基碳纖維預(yù)浸料作為主要試驗(yàn)材料，以膠膜、碳布和樹脂作為輔料，進(jìn)行制板固化和修理。依照ASTM D7137的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，把層板切削成沖擊用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件，長(zhǎng)寬尺寸是150mm×100mm[1]。其中，不同的層板因?yàn)槠滗亴禹樞?、修理材料、修理方式的不同而不同，具體，如表1所示。

2 試驗(yàn)及結(jié)論

2.1 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

為了與實(shí)際工況下的低速?zèng)_擊相符，本文采用Instron ceast 9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)按標(biāo)準(zhǔn)切削好的層板進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將層板水平放置在試驗(yàn)機(jī)的鏤空長(zhǎng)方形區(qū)域之上加以固定，沖擊能量定為30J。

2.2 沖擊后壓縮試驗(yàn)

沖擊后壓縮試驗(yàn)是選取了Instron 5982型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的，所用標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7137，本文分別對(duì)不同方式修理后并沖擊過的層板施加加持和壓縮。為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，我們不考慮層板出現(xiàn)整體失穩(wěn)的現(xiàn)象，為盡量減少，甚至避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，我們的夾具在側(cè)向也進(jìn)行了嚴(yán)密的貼合和支持。試驗(yàn)的加載速率為1.25mm/min，且為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層板在壓縮過程中的屈曲現(xiàn)象，我們?cè)趯影宓恼磧擅嫔希诎宓纳戏?，距離板左右兩側(cè)分別為25mm的位置處各粘貼了一個(gè)軸向應(yīng)變片，將應(yīng)變片與導(dǎo)線焊接好，并將導(dǎo)線與電橋相連，并連接到動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上進(jìn)行測(cè)量[2]。

2.3 試驗(yàn)件失效破壞形貌觀察

CAI試驗(yàn)的，目的在于驗(yàn)證層板的薄弱部位，即最易出現(xiàn)損傷且損傷表現(xiàn)最為嚴(yán)重的部位，是否為沖擊中心位置。由圖1觀察可知，試驗(yàn)件層板在壓縮后，沖擊損傷的中部區(qū)域的會(huì)出現(xiàn)明顯的壓塌現(xiàn)象，這符合我們的無損檢測(cè)預(yù)期，也為D7137測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的正常失效形式。故，我們對(duì)層板中央進(jìn)行拍照，并選取典型的層板試驗(yàn)件，從正面、背面、側(cè)面三個(gè)角度進(jìn)行觀察?？梢园l(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件層板在夾持后的壓縮作用下，在其正面與背面均形成了褶皺凸起的現(xiàn)象，并且，背面的凸起效果更為明顯，不僅如此，還在基體上造成了明顯的擠壓裂痕和纖維斷裂后的外露和極其明顯的斷口。而觀察試件的側(cè)面，還可以看出，分層現(xiàn)象出現(xiàn)在整個(gè)層板的厚度方向上，在正面的淺表層和背面的多層內(nèi)表現(xiàn)最為劇烈和明顯，并且，在相同條件下，補(bǔ)片的損傷較母板更為嚴(yán)重。原因則為，中間部位為主要損傷部位，其承載能力最為薄弱；且補(bǔ)片的層間結(jié)構(gòu)相比于二次固化區(qū)域較為疏松；補(bǔ)片與母板間的連接位置多為膠膜或者濕鋪層析出的樹脂膠層，為富膠區(qū)域，強(qiáng)度較低，故會(huì)出現(xiàn)此種現(xiàn)象。

2.4 壓縮強(qiáng)度與模量分析

壓縮強(qiáng)度為壓縮破壞載荷與壓縮時(shí)試件橫截面積的比值，而模量則為應(yīng)力與應(yīng)變的比值，此兩者將分別衡量層板的最大應(yīng)力與抗彈性變形的能力。

根據(jù)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，我們計(jì)算可得出表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)，可以看出，雖然修理后沖擊的層板其強(qiáng)度與模量不能達(dá)到未修理前的性能，但與未修理沖擊后的層板相比，其性能衰退并不特別明顯。對(duì)于雙向織物層板而言，其修理方式為本體單面修理、本體雙面修理、非本體單面修理、非本體雙面修理的CAI強(qiáng)度與未修理層板的CAI強(qiáng)度值之比分別為96.12%、89.39%、92.16%、86.88%，其壓縮模量之比分別為88.20%、74.97%、82.49%、67.51%。

這從一方面說明，修理對(duì)CFRP層板的性能恢復(fù)是非常有效可行的，另一方面，亦可說明，探索雙面修理后的CFRP層板的性能與非本體材料修理后的層板性能是具有明顯價(jià)值和意義的，會(huì)為將來的復(fù)合材料修理提供更多的解決方案和方法，并將可能會(huì)降低維修成本，縮短維修時(shí)間。同時(shí)，由于未經(jīng)修理的層板與經(jīng)過修理的層板，其沖擊后壓縮的性能差距并不明顯，側(cè)面也可說明，沖擊對(duì)復(fù)合材料造成的損傷非常明顯和巨大，并將極大地降低材料的使用壽命和承載能力，應(yīng)盡量避免。

參考文獻(xiàn)

[1]張紀(jì)奎，酈正能，程小全，等.復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)在大型民機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2007，（9）：38-43.

[2]林霜.安-70飛機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006，（3）：7-10.