T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能

王 莉, 熊 舒, 肇 研, 楊 利

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；2.北京航空航天大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)、高比模、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)航空航天結(jié)構(gòu)中[1-4]，由于復(fù)合材料自身層合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在厚度方向受到?jīng)_擊時(shí)，易產(chǎn)生沖擊損傷，主要表現(xiàn)為內(nèi)部基體開(kāi)裂、分層以及纖維斷裂，這些損傷在材料表面目視困難，卻使得構(gòu)件壓縮性能明顯下降，這對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的使用安全造成巨大威脅[5-6]。在對(duì)飛行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析時(shí)，復(fù)合材料抗沖擊性能是非常重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，合理的設(shè)計(jì)值是飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全的重要保證。復(fù)合材料抗沖擊性能包括損傷阻抗性能和損傷容限性能，具有高損傷阻抗的材料其抵抗外界沖擊的能力較強(qiáng)，產(chǎn)生特定的凹坑深度需要較大的沖擊能量[7-10]。具有高損傷容限的材料沖擊時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，但會(huì)具有很高的沖擊后壓縮強(qiáng)度。為了保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐久性和損傷容限，有必要在材料研制和結(jié)構(gòu)選材階段對(duì)材料體系的抗沖擊性能進(jìn)行評(píng)定。

T800級(jí)碳纖維作為新一代高強(qiáng)中模碳纖維的代表，國(guó)外已越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[11-12]，國(guó)內(nèi)針對(duì)新一代航空裝備對(duì)T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料的需求，開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維匹配的樹(shù)脂基體、預(yù)浸料制備和復(fù)合材料成型工藝研究[13]，國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料體系在航空結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用正處于論證及設(shè)計(jì)階段，因此，對(duì)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)復(fù)合材料材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值的研究很有必要。對(duì)于復(fù)合材料抗沖擊性能，材料許用值研究關(guān)注沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI），即采用落錘沖擊方法，沖擊能量為6.7 J/mm沖擊能量下得到的壓縮強(qiáng)度。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壓縮設(shè)計(jì)許用值應(yīng)包含目視勉強(qiáng)可見(jiàn)沖擊損傷（BVID，凹坑深度1.3 mm左右）時(shí)的壓縮強(qiáng)度。本研究結(jié)合材料許用值及設(shè)計(jì)許用值的要求開(kāi)展國(guó)產(chǎn)T800碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能的研究。采用改變沖擊能量的方法，研究三種不同鋪層厚度的國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板的抗沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試件

所用材料為國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。試件包括三種典型鋪層[45/0/-45/90]3s，[45/0/-45/90]4s，[45/0/-45/90]5s；編號(hào)分別為 A，B，C；厚度分別為3.42 mm，4.46 mm，5.55 mm。試件編號(hào)、鋪層形式、厚度及沖擊能量等見(jiàn)表1。

1.2 沖擊實(shí)驗(yàn)

參照ASTM D 7136—2007進(jìn)行。采用Instron 9350全自動(dòng)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。落錘總質(zhì)量為（5.5 ± 0.25） kg，沖擊頭直徑為（12.7 ± 0.1） mm。每組試樣按照10種不同沖擊能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（表1）。沖擊過(guò)程中確認(rèn)防二次沖擊裝置正常開(kāi)啟，試樣未發(fā)生二次沖擊。在沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立即測(cè)量凹坑深度，沖擊后的試件采用超聲C掃描檢測(cè)內(nèi)部損傷情況。

表 1 試件鋪層、厚度及沖擊能量Table 1 Specimen layer, thickness and impact energy

圖 1 Instron 9350全自動(dòng)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig. 1 Instron 9350 automatic drop hammer impact test machine

1.3 沖擊后壓縮實(shí)驗(yàn)

沖擊后壓縮實(shí)驗(yàn)參照ASTM D 7137—2007進(jìn)行，在沖擊后壓縮試樣正反兩面背對(duì)背粘貼4個(gè)應(yīng)變計(jì)，使應(yīng)變片的中心距離試樣上邊緣和側(cè)邊緣25 mm，貼片位置如圖2所示。沖擊后壓縮實(shí)驗(yàn)在INSTRON 5985試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣夾持狀態(tài)如圖3所示。加載速率為1.25 mm/min，加載至最大值，并且載荷掉落至最大載荷的30%時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

圖 2 應(yīng)變片貼片位置示意圖Fig. 2 diagram of patch position of strain slice

圖 3 沖擊后壓縮實(shí)驗(yàn)夾持狀態(tài)Fig. 3 Clamping state of compression test after impact

2 結(jié)果與分析

2.1 損傷阻抗性能

損傷阻抗性能是指抵抗沖擊的能力，可用復(fù)合材料沖擊后壓縮實(shí)驗(yàn)的沖擊能量-凹坑深度曲線表征。將A，B，C三組試件沖擊后的凹坑深度與沖擊能量作圖，沖擊能量-凹坑深度曲線如圖4所示。從圖4可看出，A，B，C三組試件的沖擊能量-凹坑深度關(guān)系曲線均存在拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前，沖擊能量增大，凹坑深度增長(zhǎng)緩慢，在拐點(diǎn)之后，隨著沖擊能量的增加，凹坑深度快速增長(zhǎng)，表明復(fù)合材料在拐點(diǎn)附近損傷阻抗性能發(fā)生了突變。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诠拯c(diǎn)以前，沖擊損傷只引起層合板少量的分層，而在出現(xiàn)拐點(diǎn)之后，復(fù)合材料中出現(xiàn)纖維斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料層壓板基本失去了繼續(xù)抵抗沖擊的能力，從而出現(xiàn)沖擊能量增加，復(fù)合材料凹坑深度快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象。三組試件沖擊能量-凹坑深度關(guān)系曲線拐點(diǎn)位置為：A組0.70 mm，B組0.76 mm，C組0.45 mm，均小于BVID對(duì)應(yīng)的凹坑深度。從圖4還可看出，同一沖擊能量下，產(chǎn)生的凹坑深度為C組 ＜ B組 ＜ A組，表明相同鋪層條件下，層合板厚度越大，抵抗沖擊性能越好，即損傷阻抗性能越好。

圖 4 沖擊能量-凹坑深度關(guān)系曲線Fig. 4 Relation curves of impact energy vs. dent depth

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示，擬合公式及相關(guān)性如表2所示。后續(xù)可根據(jù)擬合公式計(jì)算該材料在不同沖擊能量下的凹坑深度。

表 2 試件沖擊能量（x）-凹坑深度（y）曲線擬合公式Table 2 Fitting formula of impact energy （x）-dent depth（y） curve

2.2 損傷容限性能分析

損傷容限是材料或結(jié)構(gòu)在受到損傷后保證安全性的能力，即材料受到?jīng)_擊損傷后剩余壓縮強(qiáng)度或壓縮破壞應(yīng)變，可由凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度和凹坑深度-壓縮破壞應(yīng)變曲線表示。

將A，B，C三組試件凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度、凹坑深度-破壞應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，并用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行擬合，凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度如圖5所示，凹坑深度-破壞應(yīng)變曲線圖如圖6所示。從圖5可看出，A，B，C三組試件凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度曲線也存在拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前，剩余壓縮強(qiáng)度隨著凹坑深度的增加而迅速下降，而拐點(diǎn)之后隨凹坑深度的增加而緩慢下降后趨于不變，且A組拐點(diǎn)位置為0.70 mm，B組0.76 mm，C組0.45 mm，與損傷阻抗性能研究中的沖擊能量-凹坑深度關(guān)系曲線中出現(xiàn)的拐點(diǎn)一致。對(duì)于沖擊后產(chǎn)生同一凹坑深度時(shí)，其剩余壓縮強(qiáng)度表現(xiàn)為：C組 ＞ B組 ＞ A組，表明同一鋪層比例條件下，復(fù)合材料層合板厚度越大，其損傷容限性能越好。圖6中凹坑深度-破壞應(yīng)變曲線與圖5規(guī)律一致。

圖 5 凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig. 5 Relation curves of dent depth vs. residual compression strength

圖 6 凹坑深度-破壞應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 6 Relation curves of dent depth vs. failure strain

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行擬合，凹坑深度（x）-剩余壓縮強(qiáng)度（y）曲線擬合公式及相關(guān)性如表3所示，凹坑深度（x）-破壞應(yīng)變（y）曲線擬合公式及相關(guān)性如表4所示?？筛鶕?jù)擬合公式計(jì)算該材料在不同凹坑深度下的剩余壓縮強(qiáng)度和破壞應(yīng)變，方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表 3 凹坑深度（x）-剩余壓縮強(qiáng)度（y）曲線擬合公式Table 3 Fitting formula of dent depth （x）-residual compression strength （y） curve

表 4 凹坑深度（x）-破壞應(yīng)變（y）曲線擬合公式Table 4 Fitting formula of dent depth （x）-destruction strain（y） curve

2.3 材料許用值 CAI與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值 CAI

材料許用值中的CAI是按照6.7 J/mm能量沖擊后得到的沖擊后壓縮強(qiáng)度，可用CAI6.7J/mm表示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值中CAI是產(chǎn)生目視勉強(qiáng)可見(jiàn)損傷（BVID）時(shí)的沖擊后壓縮強(qiáng)度，即沖擊后產(chǎn)生1.3 mm凹坑深度時(shí)的沖擊后壓縮強(qiáng)度，可用CAIBVID表示。將三組試件的CAI6.7J/mm與CAIBVID列于表5中。從表5可看出，三組試件均表現(xiàn)為CAIBVID值低于CAI6.7J/mm。隨著材料性能的提高，目前國(guó)內(nèi)的T800級(jí)復(fù)合材料6.7 J/mm的沖擊能量一般均無(wú)法出現(xiàn)BVID，因此，需要在材料許用值研究階段考慮產(chǎn)生BVID時(shí)的沖擊能量及剩余壓縮強(qiáng)度。

將三組試件產(chǎn)生BVID（凹坑深度1.3 mm）時(shí)所需要的沖擊能量作圖并進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，材料厚度與其目視勉強(qiáng)可見(jiàn)沖擊損傷（1.3 mm）所需沖擊能量基本成線性關(guān)系，線性關(guān)系式為Y = 14.5623X - 21.1907。目前，在進(jìn)行新研復(fù)合材料沖擊后壓縮設(shè)計(jì)許用值實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常的做法是先通過(guò)大量的試件去實(shí)驗(yàn)得出產(chǎn)生BVID時(shí)所需能量值，而本研究給出厚度與產(chǎn)生BVID所需沖擊能量關(guān)系式后，進(jìn)行沖擊后壓縮設(shè)計(jì)許用值實(shí)驗(yàn)時(shí)可先根據(jù)公式進(jìn)行初步計(jì)算，得出所需的沖擊能量，然后通過(guò)少量試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校核，這樣就可以避免浪費(fèi)大量試件，節(jié)約成本，提高效率。

表 5 復(fù)合材料層合板的CAI6.7 J/mm與CAIBVIDTable 5 CAI6.7 J/mm and CAIBVID of composites

圖 7 材料厚度-產(chǎn)生BVID所需能量關(guān)系曲線Fig. 7 Relation curves of thickness vs. energy of BVID

3 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)T800級(jí)復(fù)合材料層合板的損傷阻抗性能（沖擊能量-凹坑深度曲線）與其損傷容限性能（凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度曲線，凹坑深度-壓縮破壞應(yīng)變曲線）均出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象，且拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)凹坑深度均小于目視勉強(qiáng)可見(jiàn)損傷（BVID）規(guī)定的凹坑深度。

（2）相同鋪層情況下，隨著復(fù)合材料層合板厚度的增加，復(fù)合材料抗沖擊性能提高。

（3）對(duì)于國(guó)產(chǎn)T800級(jí)復(fù)合材料，CAI6.7J/mm值高，而CAIBVID值低，因此在選材時(shí)要考慮產(chǎn)生BVID時(shí)的剩余壓縮強(qiáng)度。