T800级碳纤维复合材料抗冲击性能

2018-10-10王莉,熊舒,肇研,杨利

航空材料学报 2018年5期

王莉, 熊舒, 肇研, 杨利

（1.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089；2.北京航空航天大学，材料科学与工程学院，北京 100191）

碳纤维增强树脂基复合材料因其具有高比强、高比模、耐腐蚀以及可设计等特点而广泛应用于各类航空航天结构中[1-4]，由于复合材料自身层合结构特点，在厚度方向受到冲击时，易产生冲击损伤，主要表现为内部基体开裂、分层以及纤维断裂，这些损伤在材料表面目视困难，却使得构件压缩性能明显下降，这对复合材料构件的使用安全造成巨大威胁[5-6]。在对飞行器进行结构设计及强度分析时，复合材料抗冲击性能是非常重要的设计依据，合理的设计值是飞行器复合材料结构安全的重要保证。复合材料抗冲击性能包括损伤阻抗性能和损伤容限性能，具有高损伤阻抗的材料其抵抗外界冲击的能力较强，产生特定的凹坑深度需要较大的冲击能量[7-10]。具有高损伤容限的材料冲击时可能会产生不同程度的损伤，但会具有很高的冲击后压缩强度。为了保证复合材料结构的耐久性和损伤容限，有必要在材料研制和结构选材阶段对材料体系的抗冲击性能进行评定。

T800级碳纤维作为新一代高强中模碳纤维的代表，国外已越来越多地应用于航空航天领域[11-12]，国内针对新一代航空装备对T800级碳纤维复合材料的需求，开展了国产T800级碳纤维匹配的树脂基体、预浸料制备和复合材料成型工艺研究[13]，国产T800级碳纤维复合材料体系在航空结构上的应用正处于论证及设计阶段，因此，对国产T800级复合材料材料许用值和结构设计许用值的研究很有必要。对于复合材料抗冲击性能，材料许用值研究关注冲击后压缩强度（CAI），即采用落锤冲击方法，冲击能量为6.7 J/mm冲击能量下得到的压缩强度。复合材料结构压缩设计许用值应包含目视勉强可见冲击损伤（BVID，凹坑深度1.3 mm左右）时的压缩强度。本研究结合材料许用值及设计许用值的要求开展国产T800碳纤维复合材料抗冲击性能的研究。采用改变冲击能量的方法，研究三种不同铺层厚度的国产T800级碳纤维环氧树脂复合材料层合板的抗冲击性能。

1 实验材料及方法

1.1 试件

所用材料为国产T800级碳纤维环氧树脂复合材料。试件包括三种典型铺层[45/0/-45/90]3s，[45/0/-45/90]4s，[45/0/-45/90]5s；编号分别为 A，B，C；厚度分别为3.42 mm，4.46 mm，5.55 mm。试件编号、铺层形式、厚度及冲击能量等见表1。

1.2 冲击实验

参照ASTM D 7136—2007进行。采用Instron 9350全自动落锤冲击试验机，实验装置如图1所示。落锤总质量为（5.5 ± 0.25） kg，冲击头直径为（12.7 ± 0.1） mm。每组试样按照10种不同冲击能量进行实验（表1）。冲击过程中确认防二次冲击装置正常开启，试样未发生二次冲击。在冲击实验结束后立即测量凹坑深度，冲击后的试件采用超声C扫描检测内部损伤情况。

表 1 试件铺层、厚度及冲击能量Table 1 Specimen layer, thickness and impact energy

图 1 Instron 9350全自动落锤冲击试验机Fig. 1 Instron 9350 automatic drop hammer impact test machine

1.3 冲击后压缩实验

冲击后压缩实验参照ASTM D 7137—2007进行，在冲击后压缩试样正反两面背对背粘贴4个应变计，使应变片的中心距离试样上边缘和侧边缘25 mm，贴片位置如图2所示。冲击后压缩实验在INSTRON 5985试验机上进行，试样夹持状态如图3所示。加载速率为1.25 mm/min，加载至最大值，并且载荷掉落至最大载荷的30%时，停止实验。

图 2 应变片贴片位置示意图Fig. 2 diagram of patch position of strain slice

图 3 冲击后压缩实验夹持状态Fig. 3 Clamping state of compression test after impact

2 结果与分析

2.1 损伤阻抗性能

损伤阻抗性能是指抵抗冲击的能力，可用复合材料冲击后压缩实验的冲击能量-凹坑深度曲线表征。将A，B，C三组试件冲击后的凹坑深度与冲击能量作图，冲击能量-凹坑深度曲线如图4所示。从图4可看出，A，B，C三组试件的冲击能量-凹坑深度关系曲线均存在拐点，在拐点之前，冲击能量增大，凹坑深度增长缓慢，在拐点之后，随着冲击能量的增加，凹坑深度快速增长，表明复合材料在拐点附近损伤阻抗性能发生了突变。出现这种现象的原因为：在拐点以前，冲击损伤只引起层合板少量的分层，而在出现拐点之后，复合材料中出现纤维断裂的现象，导致复合材料层压板基本失去了继续抵抗冲击的能力，从而出现冲击能量增加，复合材料凹坑深度快速增长的现象。三组试件冲击能量-凹坑深度关系曲线拐点位置为：A组0.70 mm，B组0.76 mm，C组0.45 mm，均小于BVID对应的凹坑深度。从图4还可看出，同一冲击能量下，产生的凹坑深度为C组＜ B组＜ A组，表明相同铺层条件下，层合板厚度越大，抵抗冲击性能越好，即损伤阻抗性能越好。

图 4 冲击能量-凹坑深度关系曲线Fig. 4 Relation curves of impact energy vs. dent depth

将实验结果用数据分析软件进行拟合，拟合曲线如图4所示，拟合公式及相关性如表2所示。后续可根据拟合公式计算该材料在不同冲击能量下的凹坑深度。

表 2 试件冲击能量（x）-凹坑深度（y）曲线拟合公式Table 2 Fitting formula of impact energy （x）-dent depth（y） curve

2.2 损伤容限性能分析

损伤容限是材料或结构在受到损伤后保证安全性的能力，即材料受到冲击损伤后剩余压缩强度或压缩破坏应变，可由凹坑深度-剩余压缩强度和凹坑深度-压缩破坏应变曲线表示。

将A，B，C三组试件凹坑深度-剩余压缩强度、凹坑深度-破坏应变实验数据作图，并用数据分析软件进行拟合，凹坑深度-剩余压缩强度如图5所示，凹坑深度-破坏应变曲线图如图6所示。从图5可看出，A，B，C三组试件凹坑深度-剩余压缩强度曲线也存在拐点，在拐点之前，剩余压缩强度随着凹坑深度的增加而迅速下降，而拐点之后随凹坑深度的增加而缓慢下降后趋于不变，且A组拐点位置为0.70 mm，B组0.76 mm，C组0.45 mm，与损伤阻抗性能研究中的冲击能量-凹坑深度关系曲线中出现的拐点一致。对于冲击后产生同一凹坑深度时，其剩余压缩强度表现为：C组＞ B组＞ A组，表明同一铺层比例条件下，复合材料层合板厚度越大，其损伤容限性能越好。图6中凹坑深度-破坏应变曲线与图5规律一致。

图 5 凹坑深度-剩余压缩强度关系曲线Fig. 5 Relation curves of dent depth vs. residual compression strength

图 6 凹坑深度-破坏应变关系曲线Fig. 6 Relation curves of dent depth vs. failure strain

将实验结果用数据分析软件进行拟合，凹坑深度（x）-剩余压缩强度（y）曲线拟合公式及相关性如表3所示，凹坑深度（x）-破坏应变（y）曲线拟合公式及相关性如表4所示。可根据拟合公式计算该材料在不同凹坑深度下的剩余压缩强度和破坏应变，方便结构设计。

表 3 凹坑深度（x）-剩余压缩强度（y）曲线拟合公式Table 3 Fitting formula of dent depth （x）-residual compression strength （y） curve

表 4 凹坑深度（x）-破坏应变（y）曲线拟合公式Table 4 Fitting formula of dent depth （x）-destruction strain（y） curve

2.3 材料许用值 CAI与结构设计许用值 CAI

材料许用值中的CAI是按照6.7 J/mm能量冲击后得到的冲击后压缩强度，可用CAI6.7J/mm表示。结构设计许用值中CAI是产生目视勉强可见损伤（BVID）时的冲击后压缩强度，即冲击后产生1.3 mm凹坑深度时的冲击后压缩强度，可用CAIBVID表示。将三组试件的CAI6.7J/mm与CAIBVID列于表5中。从表5可看出，三组试件均表现为CAIBVID值低于CAI6.7J/mm。随着材料性能的提高，目前国内的T800级复合材料6.7 J/mm的冲击能量一般均无法出现BVID，因此，需要在材料许用值研究阶段考虑产生BVID时的冲击能量及剩余压缩强度。

将三组试件产生BVID（凹坑深度1.3 mm）时所需要的冲击能量作图并进行曲线拟合，拟合结果如图7所示。从图7可知，材料厚度与其目视勉强可见冲击损伤（1.3 mm）所需冲击能量基本成线性关系，线性关系式为Y = 14.5623X - 21.1907。目前，在进行新研复合材料冲击后压缩设计许用值实验时，通常的做法是先通过大量的试件去实验得出产生BVID时所需能量值，而本研究给出厚度与产生BVID所需冲击能量关系式后，进行冲击后压缩设计许用值实验时可先根据公式进行初步计算，得出所需的冲击能量，然后通过少量试件进行实验校核，这样就可以避免浪费大量试件，节约成本，提高效率。