M21/T800復(fù)合材料層壓板拉脫性能研究

陸鵬鵬，金 迪，衛(wèi)二冬

(中航西飛民用飛機有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

碳纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料是目前航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料，M21是第三代增韌環(huán)氧樹脂，T800是高強碳纖維。M21/T800復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用在A350客機上[1]。包建文[2]等對5228/T800復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)T800級復(fù)合材料的韌性和抗損傷性能有很大提高。賀崇武[3]等研究了T300級復(fù)合材料機械連接的拉脫載荷，研究表明：與金屬材料相比，相同厚度的復(fù)合材料抗拉脫載荷明顯低；對于不同連接件，高鎖螺栓抗拉脫性能最好，抽芯鉚釘次之，鉚釘最差；復(fù)合材料層合板厚度對抗拉脫載荷有顯著影響。劉達[4]等對T300級復(fù)合材料的拉脫性能進行了試驗，初步分析了拉脫破壞的機理，研究了拉脫破壞模式及影響因素。韓闖[5]對T700級復(fù)合材料T型接頭拉脫性能進行了試驗，研究了T700/TDE-85復(fù)合材料的拉脫性能規(guī)律。馬文龍[6]針對不同環(huán)境、不同厚度的碳/環(huán)氧復(fù)合材料層合板拉脫特性進行了試驗，研究了螺栓頭直徑的影響，與常溫干態(tài)條件下相比，高溫濕熱條件下失效載荷降低38.12%；低溫干態(tài)條件下，失效載荷為最大破壞載荷，且失效載荷提高34.53%。Chen和Lee[7]研究了螺栓緊固件的尺寸、鋪層順序及層合板的厚度對層合板拉脫響應(yīng)的影響，結(jié)果顯示，層合板的相對剛度變化會影響加載過程中緊固件接頭與層合板的接觸面，剛度較大的層合板會使得接觸面增大且緊固件的變形較明顯。

以上研究對復(fù)合材料層壓板拉脫性能研究提供了基礎(chǔ)，但是國內(nèi)外對T800級復(fù)合材料緊固件連接性能的研究相對較少。結(jié)構(gòu)中的任何一處連接都是潛在的破壞源，如果設(shè)計不正確，連接就可能成為損傷起始點，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度的損失和最終的構(gòu)件破壞。要保證結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計是可靠安全的，MIL-HDBK-17F上要求必須進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接試驗，這也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析所必需的[8]。本文主要進行復(fù)合材料緊固件拉脫試驗，通過分析試驗結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論，為飛機結(jié)構(gòu)上的連接設(shè)計提供參考，對M21/T800復(fù)合材料的進一步推廣應(yīng)用有重要意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗中所用復(fù)合材料預(yù)浸料是高溫固化碳纖增韌環(huán)氧樹脂碳帶預(yù)浸料M21，所用緊固件是抗拉型100°沉頭高鎖螺栓以及單面連接螺紋緊固件，下文提到的“螺紋抽釘”即為“單面連接螺紋緊固件”。復(fù)合材料層壓板是采用預(yù)浸料鋪貼后熱壓罐成型的方法進行制備的。

1.2 試驗件

緊固件拉脫試驗件按照不同緊固件類型、不同試驗件尺寸以及不同鋪層數(shù)共有10種構(gòu)型，如表1所示。每種構(gòu)型18件，在室溫干態(tài)、高溫濕態(tài)和低溫干態(tài)三種試驗環(huán)境下各做6件試驗，共180件。

表1 緊固件拉脫試驗件構(gòu)型

圖1 拉脫試驗件

按照ASTM D7332標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，試驗件為正方形層合板結(jié)構(gòu)形式，如圖1a所示，A為試驗件邊長，B=1/2A。試驗前把層合板用設(shè)計選用的緊固件與“U”型鋼件按實際使用條件進行裝配使其成一個整體，拉脫載荷是通過“U”型件拉伸緊固件，如圖1b所示。

1.3 試驗方法

拉脫試驗方法是按照ASTM D7332方法B試驗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造試驗夾具。把試驗件與“U”型件安裝在試驗夾具內(nèi)，在試驗機上通過上下拉桿(加載桿)實施加載，記錄拉脫時的破壞載荷-變形曲線，拉脫試驗狀態(tài)如圖2所示。

圖2 緊固件拉脫試驗

2 結(jié)果與討論

在拉脫試驗中每一個試驗件都有一條確定的載荷-位移關(guān)系曲線，在該曲線上查找初始亞臨界失效載荷(或失效載荷)與對應(yīng)的變形值，以及最大載荷，如圖3所示，然后對每一組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，得到統(tǒng)計結(jié)果，下文提到的“破壞載荷”即為“初始亞臨界失效載荷”。

圖3 拉脫試驗失效載荷確定

2.1 試驗數(shù)據(jù)對比分析

2.1.1 不同環(huán)境下的試驗結(jié)果對比分析

對比常溫和濕熱環(huán)境下10種構(gòu)型試樣的破壞載荷，如圖4所示。從圖4可以看出，常溫環(huán)境試驗的初始亞臨界失效載荷值和變形平均值大部分均高于濕熱環(huán)境試驗值，最高達23.4%，最低為4.7%，主要是濕熱環(huán)境下，樹脂與纖維間的界面結(jié)合強度變?nèi)?，宏觀表現(xiàn)為熱變形，降低了復(fù)合材料的破壞載荷，而且其塑性變形量也較低[9-10]。

圖4 10類試樣在常溫和濕熱環(huán)境下的破壞載荷

對比常溫和低溫環(huán)境下10種構(gòu)型試樣的破壞載荷，如圖5所示，10類試樣常溫破壞載荷高于低溫破壞載荷，高出范圍在2.6%～18.3%之間。這是因為低溫試驗的變形要比常溫和濕熱試驗變形大得多，這表明低溫環(huán)境會使層合板和緊固件產(chǎn)生收縮變形，而金屬緊固件的熱膨脹系數(shù)較之復(fù)合材料要大很多，使釘孔間隙比常溫狀態(tài)大，所以破壞載荷低于常溫狀態(tài)破壞載荷。

圖5 10類試樣在常溫和低溫環(huán)境下的破壞載荷

2.1.2 不同層合板厚度試樣的試驗結(jié)果對比分析

對比常溫下同一緊固件類型、四種不同板厚的連接件試樣，表1中的7101、7103、7107和7109。四種板厚試樣破壞載荷大小比較，如圖6所示。從圖中可以看出，直徑代號-5的高鎖螺栓及直徑代號-6的高鎖螺栓試樣，試樣的拉脫破壞載荷均隨著板厚的增加而增大，所以得出結(jié)論：對于相同環(huán)境、相同釘類型的復(fù)合材料層壓板，試樣的拉脫破壞載荷隨著板厚的增加而增大。

圖6常溫下不同板厚層壓板單釘擠壓強度

圖7四種不同抽釘直徑試樣的破壞載荷

2.1.3 不同抽釘直徑試樣的試驗結(jié)果對比分析

對比常溫下相同板厚、不同抽釘直徑的連接件試樣，表1中的7105、7106、7107和7108，結(jié)果如圖7中所示。首先對于同一種抽釘?shù)念愋停徽撌歉哝i還是螺紋抽釘，隨著抽釘直徑的增加，拉脫破壞載荷增大，由于緊固件直徑增大，緊固件釘頭和螺母直徑也增大，緊固件釘頭與試板接觸面積增大，可以有效地改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉脫性能。對于不同種抽釘?shù)念愋?，同?6的直徑，高鎖的破壞載荷高于螺紋抽釘約1000N，這是因為直徑代號-6的高鎖釘頭截面尺寸大于螺紋抽釘?shù)慕孛娉叽?，但是對于直徑代?8的釘，螺紋抽釘?shù)钠茐妮d荷與高鎖的破壞載荷相當(dāng)，螺紋抽釘略高于高鎖約100N，這主要因為-8直徑螺紋抽釘釘頭截面尺寸略大于高鎖的釘頭截面尺寸，但是整體上高鎖和抽釘破壞載荷相差不是很大。

2.2 試驗件失效模式

通過對三種環(huán)境試驗的釘拉脫試驗結(jié)果分析，絕大多數(shù)試驗件失效模式是圖8中第一種失效模式(PLT)，即層壓板承載孔拉脫，在拉脫過程中伴著緊固件被拔出，典型失效模式如圖9(a)所示。而構(gòu)型10中出現(xiàn)了兩種失效模式，如圖9(b)，主要是圖8中第五種失效模式FBH，即緊固件拉伸，螺紋脫扣，但螺帽還沒有脫掉，在層壓板和“U”型加載件之間產(chǎn)生了較大的間隙，同時也伴隨有第一種PLT失效模式。

圖8 緊固件擠壓失效模式

圖9 典型失效模式

3 結(jié)論

從M21/T800復(fù)合材料拉脫試驗的載荷-變形曲線可以看出，全部試驗正常，試驗數(shù)據(jù)有效，未有異常情況發(fā)生。通過試驗數(shù)據(jù)對比分析可得出以下結(jié)論：

(1)M21/T800復(fù)合材料層壓板拉脫主要失效模式是層壓板承載孔拉脫；

(2)濕熱環(huán)境下的拉脫強度總體低于常溫環(huán)境下的拉脫強度，降低約4%～23%。對于低溫環(huán)境下的拉脫強度與常溫環(huán)境比較，整體相差不大；

(3)相同環(huán)境、相同緊固件類型及直徑條件下，層壓板拉脫強度隨著板厚的增加而增大；

(4)相同環(huán)境、相同板厚及緊固件類型條件下，層壓板拉脫強度隨著抽釘直徑的增加而增大。