冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

2018-10-10管清宇

航空材料学报 2018年5期

管清宇

（1．上海飞机设计研究院功能结构部，上海 201210；2．南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016）

玻璃纤维具有高强度与低成本的特性，为聚合物基结构复合材料中的主要材料之一[1]，在滑翔机和飞机整流装置等次要结构中应用广泛。由于其适当的介电性能，玻纤复合材料还被广泛应用于雷达罩和天线罩[2-3]。使用情况下复合材料难免会遭受外来物冲击，尤其是低速冲击[4]往往造成表面不可检或不易检的损伤，而这些损伤的内部却通常有较大的分层，使复合材料的压缩强度和寿命明显降低[5-7]。另外，复合材料在制造中不可避免的出现孔隙，使用过程中也常常会产生划痕等缺陷，含这类缺陷的复合材料力学性能通常用含开孔的试件进行表征。这些材料缺陷往往会导致拉伸强度和压缩强度急剧下降[8-9]，因此，研究玻纤复合材料冲击损伤和开孔后的力学性能有重要意义。

对于玻纤复合材料在冲击后的损伤状态和力学性能变化，国内外众多学者进行了研究。丁明聪等[10]对玻纤环氧树脂层合板低速冲击进行了实验，得出了冲击能量与凹坑深度的关系。蔡奕霖等[11]用透光描影及热揭层方法对二维编织玻纤复合材料的冲击损伤进行了研究，发现冲击损伤为椭圆形，损伤宽度与冲击能量基本成线性关系，并讨论了损伤宽度、面积与冲击能量对剩余强度的影响。张丹丹等[12]对玻纤增强环氧乙烯基酯树脂复合材料的多轴向铺层设计试件进行低速冲击、弯曲和剪切破坏性力学实验，分析了不同铺层方式的玻纤复合材料冲击、弯曲和剪切载荷作用下产生的损伤及失效模式。Joshi等[13]对玻纤复材层压板的冲击损伤进行了研究，对损伤产生的过程进行了分析。Hou等[14]建立了预计复合材料的冲击损伤的方法。Delbrey等[15]对玻纤织物复合材料的冲击后压缩强度进行了实验，并得出了该材料的冲击后压缩性能值。还有一些学者[16-19]研究了玻纤树脂基复合材料的冲击损伤过程及剩余强度等问题，但缺乏在各种典型的湿热环境情况下对冲击损伤对层压板压缩强度的影响进行全面地研究。

李明等[20]研究了开孔直径和形状对复合材料抗拉强度的影响，结果表明，开孔直径越大强度下降幅度越大；圆形孔比其他形状的开口强度下降幅度更小。邱家波等[21]研究了开孔玻纤乙烯基酯树脂复合材料织物的拉伸强度，发现随开孔增大层合板的强度减小，破坏模式主要为纤维断裂。李冬梅等[22]基于剪滞理论建立了有限元模型，对带缺口的玻璃纤维复合材料拉伸破坏行为进行了研究，预估其破坏规律。Adams等[23]研究了缺口对玻纤复合材料拉伸强度的影响，Chang等[24]通过研究指出了玻纤复合材料在拉伸载荷下考虑开孔的必要性。然而，以上研究没有全面地对比玻纤环氧复合材料在各类典型的湿热环境下开孔前后的拉伸强度和压缩强度的变化。

本工作测试CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板在CTD，RTD和ETW情况下无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度，研究冲击损伤和开孔对该材料的拉伸和压缩力学性能的影响。

1 实验材料和方法

1.1 材料与固化工艺

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料铺贴试板，随后在热压罐中中温固化，固化压力约为3个大气压。

1.2 铺层

表1给出了试件的铺层代码、铺层数量、铺层角度和铺层名义厚度。试件共有4种铺层，包括2种铺层角度和2种铺层厚度的组合。

表 1 试件铺层参数Table 1 Test specimen layup definition

1.3 测试项目及方法

分别测试复合材料层压板经向和纬向在CTD，RTD和ETW三种温度和湿度组合下的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度等性能。测试方法见表2。

表 2 CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板力学性能测试矩阵Table 2 Test matrix of mechanical property of CYCOM 7701/7781 composite

试件吸湿方法依据FAA的研究报告[25]进行。即将需吸湿处理的试件放入冲击损伤和开孔箱进行湿态调节，使试件在70 ℃，85%相对湿度的条件下达到吸湿平衡。

2 结果与分析

2.1 数据处理

为了得出冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响，对测试数据进行正则化处理[17]，以排除局部材料纤维体积含量变化引起的性能差异。正则化处理方法如下：

式中：Vnormalized代表正则化力学性能值；Vm代表测量的力学性能值；Tm代表测量的试件的平均单层厚度；Tnominal代表材料固化后单层名义厚度。

对测试数据的处理还包括：（1）剔除破坏模式不符合ASTM标准要求的数据；（2）计算同一力学性能数据的平均值和标准差；（3）对数据进行无量纲化处理。对拉伸或压缩强度，以相应的RTD、无缺口情况的强度平均值为基准，分别计算另外两种环境下无缺口强度和开孔强度的强度百分比。

2.2 冲击损伤和开孔对典型力学性能的影响

2.2.1 开孔对拉伸强度的影响

图1分别表示在CTD，RTD和ETW三种不同环境下CYCOM 7701/7781复合材料经向（图1（a））和纬向（图1（b））开孔拉伸强度和无缺口拉伸强度的强度百分比。其中，在CTD情况下，经向和纬向开孔拉伸强度相比无缺口拉伸强度分别下降了48%和45%；在RTD情况下，经向和纬向开孔拉伸强度相比无缺口拉伸强度分别下降了51%和52%；在ETW情况下，经向和纬向开孔拉伸强度相比无缺口拉伸强度分别下降了55%和52%。可以看出，在CTD，RTD和ETW三种环境情况下，开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料平均拉伸强度均有十分不利的影响。而开孔复合材料的拉伸强度变异系数却明显降低。在CTD情况下，经向和纬向拉伸强度变异系数分别降为3.0%（无缺口材料为4.0%）和5.4%（无缺口材料为9.7%）；在RTD情况下，经向和纬向拉伸强度变异系数分别降为4.0%（无缺口材料为8.8%）和4.9%（无缺口材料为7.7%）；在ETW环境下，经向和纬向拉伸强度变异系数分别降为4.9%（无缺口材料为10%）和3.0%（无缺口材料为7.2%）。说明在CTD，RTD和ETW三种环境下开孔使CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料的拉伸强度分散性明显降低。

邱家波等[21]对玻纤复合材料含开孔大小对拉伸强度的影响进行了研究，得出了开孔越大剩余拉伸强度越低的结论。一些研究[20,22]也得出了拉伸方向和横向的刚度相差越大应力集中系数越大的结论。因此在名义应力不变的情况下，局部的应力集中导致了材料强度的下降。

无缺口复合材料的拉伸强度具有较高的分散性，是因为纤维及纤维与基体界面的黏结本身具有一定的分散性，试件既有可能首先发生纤维断裂又有可能发生界面破坏，这导致了试件破坏的部位及初始破坏模式不尽相同。而开孔试件的破坏位置和破坏模式单一，为开孔区域的应力集中破坏。因此开孔降低了拉伸强度的变异系数。

2.2.2 冲击损伤和开孔对压缩强度的影响

图2分别为在CTD，RTD和ETW三种不同环境下CYCOM 7701/7781复合材料经向（图2（a））和纬向（图2（b））开孔压缩强度、冲击后压缩强度和无缺口压缩强度的强度百分比。其中，在CTD情况下，经向和纬向开孔压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了51%和48%；在RTD情况下，经向和纬向开孔压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了51%和45%；在ETW环境下，经向和纬向开孔压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了44%和47%。可以看出，在CTD，RTD和ETW三种环境下，开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料平均压缩强度均有十分不利的影响。

开孔对复合材料平均压缩强度的影响与拉伸情况相似，也主要有净截面损失和应力集中两个因素构成。因为截面损失率与拉伸强度试件一致，而且理论上应力集中系数与拉伸情况也相同，因此开孔对玻纤复合材料压缩强度的影响结果与拉伸情况也非常接近，均在50%左右。另外，开孔对不同湿热环境情况下的压缩强度影响较为一致，也可以看出玻纤环氧的压缩强度主要由玻纤主导。

而在CTD情况下，经向和纬向冲击后压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了62%和50%；在RTD情况下，经向和纬向冲击后压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了55%和41%；在ETW情况下，经向和纬向冲击后压缩强度相比无缺口压缩强度分别下降了35%和25%。可以看出，在CTD，RTD和ETW三种环境下，冲击损伤对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料平均压缩强度也均有十分不利的影响。

图 2 三种典型环境情况下冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料压缩强度的影响（a）径向;（b）纬向Fig. 2 Effect impact damage and open hole on compressive strength of CYCOM 7701/7781 composite in three typical environment conditions （a）warp direction;（b）fill direction

Joshi等[13]研究了复合材料层压板低能量冲击情况，指出试件受压时分层进一步扩展，直至完全开裂。关志东等[19]研究表明，复合材料件受压时分层区域会发生屈曲，促使分层进一步扩展，使试件提前发生破坏。因此不难理解玻纤复合材料在冲击后压缩强度明显下降。

另外，由于在高温湿态情况下水分子侵入树脂基体，导致树脂和纤维/基体界面性能退化[26-28]。水分子的侵入也会一定程度上降低纤维表面能，而且从聚合物中溶出的组分可能是纤维表面形成酸性的或碱性的状态[9]。同时，温度升高还会直接破坏树脂基体的分子链[29]，使基体与纤维的黏结能力下降，从而降低复合材料压缩强度。除此以外，温度升高和水分侵入分别造成了纤维和基体的不均匀膨胀，而玻璃纤维和树脂基体的热膨胀和湿膨胀的差异引起了复合材料的内应力。冲击后压缩强度的失效模式与无缺口的失效模式不同，主要由分层处的屈曲引起并进一步扩展使试件最终断裂，而局部的屈曲由复合材料的刚度决定，复合材料的刚度在高温湿热环境下的下降不明显，因此冲击后压缩强度的下降也不明显。这一点可以解释在ETW情况下无缺口试件和开孔试件压缩强度下降明显，而冲击后压缩强度反而下降不十分明显。

此外，由图2还可以看出开孔复合材料的压缩强度变异系数也有所降低。在CTD情况下，经向和纬向压缩强度变异系数分别降为4.9%（无缺口材料为5.8%）和4.2%（无缺口材料为6.4%）；在RTD情况下，经向和纬向压缩强度变异系数分别降为4.7%（无缺口材料为6.1%）和3.2%（无缺口材料为5.8%）；在ETW情况下，经向和纬向压缩强度变异系数分别降为6.6%（无缺口材料为8.8%）和6.1%（无缺口材料为6.9%）。说明在CTD，RTD和ETW三种环境下开孔使CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料的压缩强度分散性明显降低。冲击后复合材料的压缩强度变异系数也没有明显改善，甚至反而比无缺口试件的分散性更大。

开口降低玻纤复合材料的变异系数的原因与拉伸情况相似，也是由于破坏位置与破坏模式一致，减少了破坏模式引入分散性。而冲击后试件的分层情况复杂，纤维的断裂和基体开裂的情况也不尽相同，从而为压缩强度引入了额外的分散性。