飛行器用KT31/HFW285SA層壓板不同環(huán)境下的力學(xué)性能

俞 敏 李笑喃

（江蘇集萃碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究院有限公司，江蘇 常州 213002）

隨著人們對飛行器性能的要求越來越高，相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的材料難以滿足飛行器各部位對性能的要求，碳纖維復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、比模量高等特性受到青睞。例如某型無人直升機(jī)平尾采用EM103/HFW285SA/52和Rohace1151WF整體共固化成型。但由于樹脂本身耐高/低溫性能、耐濕/熱性能以及斷裂韌性較低，會影響碳纖維復(fù)合材料在某些特殊部位的推廣應(yīng)用。因此，須對新開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，擴(kuò)大復(fù)合材料在飛行器上的應(yīng)用范圍。

該文擬通過徑向/緯向拉伸、壓縮、彎曲試驗以及層間、縱橫剪切試驗全面探究環(huán)境溫度對KT31/HFW285SA層壓板力學(xué)性能的影響。試驗研究了層壓板在室溫干態(tài)（23 ℃）、低溫干態(tài)（-55 ℃）及高溫濕態(tài)（130 ℃）3種狀態(tài)下的強(qiáng)度和模量，為飛行器的輕量化設(shè)計和可靠性分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗項目

該試驗所進(jìn)行的試驗項目見表1。

表1 層壓板力學(xué)性能試驗項目

1.2 試驗件

試驗件材料KT31樹脂（RTM用）屬于高溫固化環(huán)氧樹脂體系，碳纖維織物為HFW285SA緞紋布。試驗件由江蘇集萃碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究院制備，由第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗。

試驗前根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求對試驗件的外觀、尺寸進(jìn)行檢驗、測量和記錄，結(jié)果表明，試驗件均為合格試樣。

試驗件鋪層、尺寸和數(shù)量見表2。

表2 試驗件鋪層、尺寸及數(shù)量

1.3 試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)

在試驗前，試樣在試驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下（溫度為（23±3） ℃，濕度為（50±10）% RH）至少放置24 h。

根據(jù)《樹脂基復(fù)合材合板濕熱環(huán)境濕熱試驗方法》（HB 7401—1996）的要求完成濕態(tài)試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)工作。濕態(tài)試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境如下：（70±3） ℃、（85±5）% RH。首先，將伴隨件稱重（）。其次，連同其他試驗件一起放入濕熱試驗箱，設(shè)置環(huán)境箱溫度為70℃、相對濕度為85%。最后，對試驗件進(jìn)行吸濕狀態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對伴隨件稱重并記錄，直到連續(xù)3次對伴隨件稱重得到的吸濕速率連續(xù)兩天內(nèi)吸濕量的變化均小于等于0.02%），連續(xù)測出三次也就是至少測4天，其中每個連續(xù)的兩天的結(jié)果都滿足，即達(dá)到吸濕飽和狀態(tài)，此時停止?fàn)顟B(tài)調(diào)節(jié)。試驗件的吸濕量如公式（1）所示。

式中：W為試驗件的吸濕量，%；M為第次稱量的試驗件質(zhì)量，g；為試驗件工程干態(tài)質(zhì)量，g。

1.4 試驗測試

該文的試驗測試共包括3種試驗環(huán)境條件：1） 室溫干態(tài)。溫度為23 ℃，濕度為（50±10）% RH。2） 低溫干態(tài)。溫度為-55 ℃。3） 高溫濕態(tài)。溫度為130 ℃（試驗件須根據(jù)第1.3.2節(jié)完成濕態(tài)試驗件狀態(tài)調(diào)節(jié)工作）。試驗前根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求對試驗件進(jìn)行測量、檢驗和記錄，如果存在缺陷和不符合尺寸及制備要求的試驗件，就對其進(jìn)行作廢處理。

低溫干態(tài)和室溫干態(tài)試驗采用應(yīng)變計測量應(yīng)變，高溫濕態(tài)采用引伸計測量應(yīng)變。應(yīng)變計均采用中航電測生產(chǎn)的室溫應(yīng)變計（BE120-3AA或BE120-2BB）和低溫應(yīng)變計（BA120-3AA150）。應(yīng)變數(shù)據(jù)由ST-16數(shù)據(jù)采集儀采集。

對在130 °C和-55 °C溫度條件下進(jìn)行性能測試的試樣來說，相關(guān)試驗均在力學(xué)試驗機(jī)高低溫環(huán)境箱中進(jìn)行。在高溫試驗的過程中，當(dāng)環(huán)境箱內(nèi)溫度達(dá)到指定的溫度后，保溫2 min～3 min，將試樣溫度保持在所需試驗溫度的±3 ℃范圍內(nèi)再進(jìn)行試驗。在低溫試驗的過程中，當(dāng)環(huán)境箱內(nèi)溫度達(dá)到指定的溫度后，保溫5 min～6 min，將試樣溫度保持在所需試驗溫度的±3 ℃范圍內(nèi)再進(jìn)行試驗。

根據(jù)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 3354—1999）的要求進(jìn)行經(jīng)向/緯向拉伸試驗，根據(jù)如圖1所示的位置背靠背地粘貼在應(yīng)變計上。以2 mm/min的速率對試驗件進(jìn)行連續(xù)加載并采集載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。在1 000 me～3 000 me的縱向應(yīng)變區(qū)間內(nèi)測得拉伸模量。

圖1 經(jīng)向/緯向拉伸試驗件貼片圖（單位：mm）

根據(jù)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行經(jīng)向/緯向壓縮試驗。根據(jù)如圖2所示的位置背靠背地黏貼應(yīng)變計。以1 mm/min的速率對試驗件進(jìn)行連續(xù)加載并采集載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。在1 000 με～3 000 με的縱向應(yīng)變區(qū)間內(nèi)測得拉伸模量。

圖2 壓縮試驗件貼片圖（單位：mm）

根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法》（GB/T 1449-2005）的要求進(jìn)行經(jīng)向/緯向彎曲試驗。以1.0 mm/min的加載速率對試驗件施加壓縮載荷，直至彎曲應(yīng)變超過5 000 με，此后將加載速率提高至5.0 mm/min，連續(xù)加載，直至試驗件破壞并記錄試驗件的破壞載荷和破壞模式。經(jīng)向/緯向彎曲試驗狀態(tài)如圖3所示。

圖3 彎曲試驗狀態(tài)

根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料 短梁法測定層間剪切強(qiáng)度》（JC/T 773—2010）的要求進(jìn)行層間剪切試驗。以1 mm/min的加載速率對試驗件進(jìn)行連續(xù)加載，直到載荷下降至最大載荷的30%為止，記錄試件的破壞載荷和破壞模式。短梁剪切試驗狀態(tài)如圖4所示。以2 mm/min的速率對試驗件進(jìn)行連續(xù)加載，采集載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。

圖4 層間剪切試驗狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行縱橫剪切試驗，根據(jù)如圖5所示的位置背靠背地粘貼在應(yīng)變計上。以2 mm/min的速率對試驗件進(jìn)行連續(xù)加載，采集載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，直至試件破壞并記錄試驗件的最大載荷和破壞模式。

圖5 縱橫剪切試驗件貼片圖（單位：mm）

2 試驗結(jié)果

KT31/HFW285SA層壓板在不同環(huán)境狀態(tài)下試件強(qiáng)度和模量試驗結(jié)果的統(tǒng)計值見表3?？瞻撞糠?jǐn)?shù)據(jù)缺失（在130 ℃環(huán)境下應(yīng)變片黏接強(qiáng)度低，無法測量應(yīng)變數(shù)據(jù)，無法計算模量以及特定應(yīng)變下的強(qiáng)度）。拉伸試驗采用高溫引伸計測得相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3 力學(xué)性能試驗結(jié)果統(tǒng)計值

由表2可知，KT31/HFW285SA層壓板強(qiáng)度性能表現(xiàn)良好，所有強(qiáng)度性能均達(dá)到指標(biāo)要求（表1）。其中，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的41.3%，緯向拉伸強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的52.0%，經(jīng)向壓縮強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的4.0%，緯向壓縮強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的10.7%，經(jīng)向彎曲強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的63.4%，緯向彎曲強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的65.4%，縱橫剪切超過指標(biāo)最低要求值的4.6%，層間剪切強(qiáng)度超過指標(biāo)最低要求值的7.7%。除緯向壓縮模量外，KT31/HFW285SA層壓板所有模量性能均達(dá)到指標(biāo)要求。其中，緯向模量指標(biāo)最低要求值為60.0 GPa，其實際測量值為59.3 GPa，略低于指標(biāo)的最低要求值。

3 結(jié)語

綜合測試結(jié)果可見，經(jīng)過濕熱環(huán)境處理后的H301RTM/HFW285SA層壓板的力學(xué)性能會明顯受環(huán)境溫度的影響。該文通過試驗得出以下4個結(jié)論：1） 在經(jīng)歷短時低溫（-55℃）后，層壓板的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及模量的值均比室溫干態(tài)環(huán)境下低，最高下降了12.4%；層壓板的壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的值比室溫干態(tài)環(huán)境下高，最高上升了51.1%。2） 在經(jīng)歷短時高溫（130 ℃）后，層壓板的拉伸強(qiáng)度的值比室溫干態(tài)環(huán)境下高，最高上升了11.8%；其余性能的值都比室溫干態(tài)環(huán)境下低（其中，剪切強(qiáng)度下降最明顯）。3） 有必要進(jìn)一步研究H301RTM/HFW285SA層壓板長期處于高溫或者低溫狀態(tài)下的力學(xué)性能。4） 初步判斷材料的基本性能滿足需求，需要進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計與許用值相關(guān)的開孔拉神、開孔壓縮、螺栓擠壓以及沖擊后壓縮試驗等，以便更全面地對材料進(jìn)行評價。