CFRP孔板拉伸疲劳环境效应的正交试验

孙崇强 张建宇 费斌军

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京100191)

碳纤维/树脂基复合材料具有比质量小，比强度、比模量高，耐腐蚀，抗疲劳等特点，在国防、航空航天等领域的应用日益广泛.在实际使用过程中，复合材料结构除了承受各种复杂的载荷外，还承受着各种环境因素的影响，包括温度、潮湿环境、紫外辐射、化学腐蚀等［1－2］.湿热环境对复合材料性能的影响［3－5］主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂-纤维粘接界面不同程度的破坏而引起其转变;温度变化产生热应力损伤;吸湿结晶化而产生裂纹扩展、基体的降解等.紫外辐射会［6－7］引起高分子聚合物类基体材料的老化，降低基体材料的强度、刚度等性能.涂层工艺［8－10］除了对恶劣环境具有防护作用，某些特殊的工艺还能改善复合材料表面性能，进而提高其力学性能.

国内外学者对单一或多个环境因素对碳纤维/树脂基复合材料影响做了大量的研究［1－10］，对于环境影响交互作用的研究还很少，为研究环境因素及其交互作用对T300/QY8911疲劳性能的影响，本文设计并开展了针对T300/QY8911含中心孔层压板拉-拉疲劳的正交试验.试验中采用标准试件在给定环境条件下测试其拉-拉疲劳寿命，并通过对正交试验结果的方差分析研究了有无涂层、紫外辐射、湿度等环境因素及其交互作用对T300/Y8911复合材料孔板拉-拉疲劳寿命影响的显著性.

1 试验设计

1.1 试 验 件

试验件材料体系为T300/QY8911，试验件形式为含中心孔拉伸层板，按照标准ASTM D5776设计加工，见图1.尺寸如下:300 mm×36 mm ×2.52 mm，中心孔尺寸为φ6，试件孔隙率不大于1%，试件的纤维体积含量(63±3)%.结构铺层:［45/－45/0/－45/45/0/－45/90/0/45/0］s.

图1 试件示意图

1.2 正交试验设计

为研究紫外、湿度、涂层3个环境因素及其交互作用对T300/QY8911孔板拉-拉疲劳寿命的影响，本文采用正交试验法［11］.如果考虑3个环境因素及其交互作用的影响，就相当于有6个因子，故选用L8(27)正交表，见表1.试验的因子和水平标记如下:

A:紫外(MJ/m2)，分别为0和600;

B:涂层，分别为无涂层和带涂层;

C:湿度，分别为干燥和湿润.

正交表的行数代表试验次数，各列中的数字“1”和“2”分别代表该列所填因子的相应水平，而每一行就是一个试验方案，各因子的各个水平代表哪一个具体数据也可以是随机的，但应该在排表前确定好.

按正交试验设计原则，对试验件进行分组，分组情况见表2.

表1 L8(2)正交表［11］

表2 试件分组情况 件

1.3 交互作用

利用正交设计可以方便地分析因素间的交互作用［11］.考虑交互作用时，表头设计变得相对复杂一些，各因子不能随便填在表头上，而把要考虑交互作用的2个因子排在某2列之后，要查交互作用表找出这2列的交互作用列，这一列决不能再排其他因子，否则在该列就会发生“混杂”.这样，当该列的变动平方和较大时，就不能区分是交互作用引起的还是第3个因子引起的.在正交表上作表头设计时，应避免“混杂”的出现，这是考虑交互作用的正交表头设计的一条基本原则，表3给出了考虑交互作用的表头.

表3 考虑交互作用的表头

2 试验及试验结果

2.1 紫外和湿润试验

按照 GJB150.7—86标准进行紫外试验，试验设备为国产的LXD270A氙气灯光老化试验箱.一组试件控制在温度(35±5)℃、干燥环境中进行紫外辐射，另一组控制在温度(35±5)℃、湿度(60±10)%RH的环境中进行了紫外辐射，紫外辐射量均为600 MJ/m2.紫外辐射后，试件表面呈现黄色，如图2所示.

2.2 静强度预试验

为确定疲劳寿命试验的载荷，选用无紫外试件进行静强度预试验.参照ASTM D3039标准，试验在Instron 8803液伺服材料试验机上完成.静力破坏效果见图3，试验结果见表4.

图2 有无涂层试件表面紫外辐射前后对比

图3 静力拉伸破坏试件

表4 静力拉伸试验数据

2.3 拉-拉疲劳寿命试验

选取静力拉伸破坏载荷的80%作为疲劳载荷的最大值，采用正弦波加载，应力比R=0.06，试验频率取为6～10 Hz，试验在Instron 8803电液伺服材料试验机上完成.由超声C扫描得到的典型拉-拉疲劳试件内部损伤随着循环数扩展情况见图4，拉-拉疲劳对数寿命试验结果列入表5.

图4 典型的拉-拉疲劳试件内部损伤扩展

表5 拉-拉疲劳对数寿命试验数据

3 试验结果分析

将表5的试验数据填入正交表中，对其进行统计分析［11］，见表 6，方差分析结果见表 7.表 6中，Ij和IIj表示第j列的各水平数据和，T为数据总和，Sj为各列的变动平方和，可由式(1)表示，ST为总的变动平方和，可由式(2)表示.

其中，n为数据总数;n1，n2分别为水平1，2所对应的数据数.

表7中，f为因子的自由度，各列的自由度皆为水平数减1，ST的自由度为n－1，且有:

即总变动平方和的自由度等于各列变动平方和的自由度之和.由柯赫伦分解定理可知，在因子作用不显著时，各列Sj相互独立，F的表达式由公式(4)给出:

其中，Se，fe分别为误差项及其自由度.

表6 正交试验表数据处理

表7 方差分析结果

当 F ＞F1－α(fj，fe)时，则以检验水平 α 推断因子作用的显著性.重复试验时，总的试验误差包含空列误差和重复试验误差两部分.若记空列误差和为Se1，重复试验误差为Se2，则总的试验误差为

其中，Se2的计算公式为各个条件下的数据变动平方和，即

Se2的自由度为各个条件下自由度之和，即

其中，ni为各个条件下的试验重复数.

当 F ＞ F1－α)时，则以检验水平 α 推断给因子作用的显著性，高度显著α取0.99，显著性 α 取0.95.

结果表明，在紫外、涂层、试件干湿状态及其中任意二者的交互作用中，有无涂层对复合材料孔板的拉-拉疲劳寿命影响高度显著，有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板的拉-拉疲劳寿命影响显著;而湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对复合材料孔板拉-拉疲劳寿命的影响均不显著.

对结果进一步分析，紫外辐射显著降低了该复合材料的疲劳寿命，而紫外与涂层的交互作用对其寿命影响不显著，这说明涂层对紫外辐射有防护作用.涂层工艺不仅起到防护作用，对复合材料表面也起到了处理作用，这可能是涂层显著提高该复合材料疲劳寿命的原因之一.湿润对复合材料影响不显著，但其与涂层的交互作用对复合材料寿命起到了显著影响，究其原因，可能是由于该涂层在湿润条件下与复合材料表面更好地结合，显著抑制了疲劳损伤的萌生与扩展.

4 结论

本文通过正交试验研究了环境因素及其交互作用对CFRP孔板拉-拉疲劳性能的影响，并得出以下结论:

1)紫外辐射后复合材料孔板表面发生了明显的颜色变化.

2)通过C扫描发现，复合材料孔板内部损伤(分层面积)随着拉-拉疲劳循环数的增加而扩展.

3)有无涂层对复合材料孔板的疲劳寿命影响高度显著;有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板的疲劳寿命影响显著;湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对疲劳寿命的影响均不显著.

4)复合材料涂层工艺对紫外起到了很好的防护作用，同时对复合材料孔板拉伸疲劳寿命会产生有利影响.

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