复合材料层合板低速冲击损伤试验技术研究

周翔

航空工业济南特种结构研究所/高性能电磁窗航空科技重点实验室 山东济南 250023

复合材料与传统的金属合金材料相比，具有更高的比刚度和强度，但复合材料容易受到低速冲击，特别是对于层合复合材料。与各向同性材料不同，层合复合材料在横向载荷作用下容易产生几乎看不见的冲击损伤（BVID），其程度从表面上看不清楚，但会导致内部损伤。如果冲击速度较低，冲击损伤通常由树脂或基体的性能决定，而不会导致纤维失效。在层间剪切的驱动下，层间发生分层，在面内压缩载荷作用下容易扩展，最终导致复合材料整体失效。因此，开展复合材料低速冲击下的损伤行为研究具有重要意义[1-5]。

1 试验

本试验采用ASTM D7136试验标准进行，采用的试验测试设备按照标准中的要求执行；试验件的制造和加工也是按照标准中的要求执行。

1.1 试验件

试验件材料为单向石英纤维氰酸酯树脂复合材料层合板。试验件铺层定义：[(45/0)(-45)/90]，层合板单层厚度：0.13mm。

1.2 试验设备

冲击试验设备由美特斯工业系统（中国）有限公司生产制造，设备型号为ZCJ9302。

2 分析与讨论

2.1 层合板冲击损伤目视检测分析

6J能量冲击后，受冲击面有很小凹坑，未受冲击面有微小凸起。12J能量冲击后层合板损伤凹坑略有增大，未受冲击面有较小凸起。18J能量冲击后，受冲击面有明显凹坑，未受冲击面凸起也较为明显。24J能量冲击后，受冲击面凹坑较大，未受冲击面凸起较大。30J能量冲击后，受冲击面凹坑明显可见，未受冲击面出现了基体的裂纹。

2.2 冲击后试验件凹坑深度分析

将冲击后凹坑深度与冲击能量建立联系，绘制试验数据图如图1所示。

图1 凹坑深度与冲击能量关系图

由图1可以看出，凹坑深度随冲击能量的增大而增大。

2.3 超声C扫描检测结果与分析

层合板冲击后C扫描检测的损伤面积和冲击能量的对应关系如图2所示，从图中可以看出，冲击能量与损伤C扫分层投影面积成正比，即冲击能量越大，分层投影面积也随之增大。

图2 分层投影面积与冲击能量的关系

通过试验我们可以看出，随着冲击能量的不断增大，复合材料层合板的凹坑损伤深度也是呈逐渐增大趋势，层合板的分层损伤面积也是呈逐渐增大的趋势，均与冲击能量成正比关系。

3 结语

通过试验得出，复合材料层合板的冲击损伤凹坑深度、冲击损伤面积、冲击力均与冲击能量成正比。试验表明，复合材料层合板受冲击后会表现出脆性，内部会产生损伤，损伤包括层内损伤和层间损伤。特别是在低能量冲击下，层合板冲击表面上只留下很小的可见损伤，但在层合板的内部已产生了分层和基体开裂。