蜂窝夹层复合材料修补结构低速抗冲击性能

2022-10-06路鹏程张璟璇

航空材料学报 2022年5期

李娜, 路鹏程, 才华, 张璟璇

（1．中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室, 天津 300300；2．中国民航大学理学院, 天津 300300）

铝蜂窝夹层复合材料结构具有比强度/比刚度高、耐腐蚀性能好、减震、储能特性优异和可设计性强等优点，在航空航天、交通运输、风力发电等领域得到了广泛应用[1-2]。在航空领域，飞机水平安定面、副翼、水平尾翼、发动机消音板等部件均大量采用了玻璃纤维面板铝蜂窝夹层复合材料结构，减轻了飞机结构质量，降低了设计和维护成本。在飞机服役过程中，铝蜂窝夹层复合材料结构部件表现出优异的耐腐蚀、减震、耐疲劳的性能。最常见的损伤来源是外来异物的冲击，如维修工具坠落、冰雹、鸟击、跑道沙砾冲击等[3-4]。冲击载荷会对夹层结构面层和蜂窝芯造成严重损坏，并导致结构强度和刚度的降低，给飞行安全带来隐患[5-6]。

由于夹层复合材料结构的耐冲击性能是保证结构安全的关键，人们对夹层复合材料结构的低速冲击响应进行了大量的数值模拟和实验研究[7-9]。He 等[10-11]采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了铝蜂窝夹层复合材料的低速冲击响应和损伤行为，结果表明：面板厚度对蜂窝结构的抗冲击性能有显著影响；蜂窝壁厚和蜂窝芯边长对蜂窝结构的冲击载荷和结构刚度也有显著影响，但对蜂窝芯的吸能影响不大；在弯曲载荷作用下，蜂窝芯刚度较低的试样通过芯部屈曲和压碎而失效，而蜂窝芯刚度较高的试样则通过顶层面板断裂而失效。Wowk 等[12]采用实验和有限元数值模拟方法对退役飞机蜂窝夹层复合材料面板的冲击性能进行了研究，结果表明：不同的面层凹痕深度、冲击速度、冲击头半径和质量对应的面板内蜂窝芯损伤深度是一致的；芯部损伤的深度仅取决于板芯胶的厚度，蜂窝芯损伤的面积处于面板凹痕正下方的区域，蜂窝芯形状对损伤深度没有显著影响。Crupi等[13]比较了两种不同芯胞尺寸铝蜂窝夹层板的低速冲击性能，采用基于能量平衡模型的理论方法研究了其冲击行为，发现蜂窝芯芯格尺寸对夹层板的能量吸收能力影响较大，蜂窝夹层板的破坏形式为蜂窝芯壁的渐进皱折及屈曲。Shin 等[14]研究了不同类型夹层结构在6 种能量水平下的低速冲击响应，结果表明，与金属铝面板夹层结构相比，玻璃纤维/环氧复合材料面板蜂窝夹层结构具有更好的抗冲击性能和质量减轻优势。Akatay 等[15]对玻璃纤维/环氧复合材料面板铝蜂窝夹层结构进行了低速重复冲击，研究发现，较低冲击能量水平会增加导致样品完全穿孔的冲击次数；与单次冲击试样相比，多次冲击试样的抗压强度明显降低。

综上所述，关于铝蜂窝夹层复合材料结构的低速冲击性能研究报道较多，但对铝蜂窝夹层复合材料修理结构的低速冲击性能实验研究却很少[16]。其中，单侧面板及蜂窝芯损伤是铝蜂窝夹层复合材料最常见的损伤形式，而铝蜂窝夹层复合材料修理面层材料和修理蜂窝拼接区域与原结构均不同。与原始结构相比，这些典型修理区域的抗冲击性能鲜见相关报道。因此，本工作采用热压罐工艺制造玻璃纤维/环氧复合材料面板铝蜂窝夹层复合材料结构试件，采用换芯挖补修理工艺对单侧面板和蜂窝芯损伤形式进行修理，通过修理蜂窝区和蜂窝拼接区的低速冲击性能对比，研究修理结构的抗冲击性能，并对修理结构的冲击后压缩性能及冲击破坏机理进行分析。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

面层材料为CYTEC 公司生产的CYCOM7781/7701 玻璃纤维织物/环氧树脂预浸料，铺层结构为[0]3，厚度约为0.7 mm；蜂窝芯材料为HEXCEL 公司生产的CR1115052 铝蜂窝，厚度约为25 mm；胶膜材料为HENKEL 公司生产的EA9696.06 NW 胶膜，用于蜂窝芯与面层之间的粘接。采用热压罐工艺制备玻璃纤维/环氧复合材料蒙皮铝蜂窝夹层板，以下简称蜂窝夹层板。热压罐固化温度为127 ℃，固化时间为90 min，固化压力为0.2 MPa。制备蜂窝夹层板的厚度约为26.4 mm。

1.2 铝蜂窝夹层板的修理

设计蜂窝夹层板缺陷为试样中心位置半穿透损伤，缺陷宽度为25.4 mm，采用换芯挖补修理方法对损伤面层及蜂窝芯进行修理。修理面层材料为玻璃纤维织物浸渍HENKEL 公司生产的 EA 9396 环氧树脂，修理蜂窝芯为原结构CR1115052铝蜂窝。修理过程如图1 所示：(a)去除试样中心位置损坏的蜂窝芯和面层，采用打磨工具将顶部面层进行楔形打磨，打磨锥度为1/30；(b) 将一层玻璃纤维织物浸渍EA 9396 环氧树脂湿铺层铺放到修理蜂窝芯底部作为填充粘接层；(c) 采用EA 9396环氧树脂与酚醛微珠混合物将裁剪后的CR1115052修理蜂窝芯粘贴到修理区域，在室温下预聚合4 h，并在90 ℃下固化60 min；(d) 对固化后的修理蜂窝芯进行打磨处理，使其表面与周围蜂窝齐平；(e) 裁剪玻璃纤维浸渍环氧树脂湿铺层材料，按照原结构铺层方向修理顶部面层；(f) 采用真空袋工艺对修理面层进行固化，固化温度为93 ℃，固化时间为120 min。采用高精度复合材料切割机床将蜂窝夹层板加工成尺寸为150 mm×100 mm 的试样，备用。

1.3 低速冲击实验

按照ASTM D7136 标准要求，将所有样品切割成150 mm×100 mm 的尺寸进行低速冲击实验。冲击实验设备为Instron9350 落锤冲击试验机，冲击头为半球形，直径为14 mm。为了对比分析修理结构对冲击性能的影响，将冲击试样分为三个系列，即完整的蜂窝夹层板（HS）、冲击点位于修理区域中心的修理蜂窝夹层板（HS-C）和冲击点位于蜂窝拼接区域的修理蜂窝夹层板（HS-S），如图2 所示。

1.4 X 射线数字成像表征

采用ERESCO 200 MF4-R 型X 射线数字摄像机(X-ray digital radiography, DR）研究冲击载荷对蜂窝夹层板内部损伤的影响。将损伤样品放置在水平平台上，采用200 kV/600 W 微聚焦X 射线管从顶部方向扫描，像素尺寸为200 μm。

1.5 CAI 测试

采用Instron5982 电子万能试验机测试蜂窝夹层板冲击后的剩余压缩强度(CAI)，测试标准为ASTM D7137，压缩加载速率为1.25 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 冲击测试

2.1.1 冲击损伤形貌

图3～图5 为不同的冲击能量下HS、HS-C 和HS-S 试样的正面和背面损伤宏观照片。从图中可以看出，在冲击能量为10 J 时，蜂窝夹层板的上面板出现轻微凹坑，HS 试样的凹坑面积最大，HSS 试样的凹坑最小。而内部蜂窝芯均无明显损伤。随着冲击能量的增加，试样的损伤程度越来越明显。从上面板的小凹坑发展为蜂窝芯出现不同程度的屈曲和压碎，进而发展为整个蜂窝夹层结构的穿透损伤。在相同的冲击能量下，修理后试样的损伤程度较完整试样轻。冲击能量为40 J 时，HS 试样发生了损毁性的穿透损伤，而HS-C 和HS-S 试样仅观察到上面板和部分蜂窝芯的损伤。当冲击能量为50 J 时， HS-C 试样出现上面板和整个蜂窝芯的损伤，下面板出现纤维断裂和分层。HS-S 试样仅出现上面板和内部蜂窝损伤。说明HS-C 和HS-S 的冲击损伤程度小于HS，HS-S 试样的冲击损伤程度最小。由于HS 试样在40 J 冲击能量下发生了明显的损毁性损伤，因此HS 试样在50 J 冲击能量下的冲击特性后续不再讨论。

图6 为不同冲击能量下完整试样和修理试样的X 射线数字成像照片，表征了内部蜂窝芯的损伤程度。从图6 可以看出，内部蜂窝芯的损伤变化趋势与宏观照片相同。随着冲击能量的增加，试样的内部损伤面积变大。在相同的冲击能量下，修理试样具有较小的内部损伤面积。HS-S 试样的蜂窝损伤面积最小。

2.1.2 冲击载荷

图7 为不同冲击能量下蜂窝夹层板冲击载荷-时间曲线。最常见的冲击特性分为三类载荷-时间曲线，即完全回弹型（A 型）、不完全回弹型（B 型）和部分或完全穿透型（C 型）[17-19]。A 型冲击载荷-时间曲线具有典型的加载上升和卸载下降阶段，表现为单峰载荷。随着冲击头与蜂窝夹层板上面板接触，冲击载荷增大，载荷-时间曲线迅速上升。当冲击载荷达到峰值时，上面板出现几乎不可见的压痕，并伴有轻微的基体树脂裂纹。之后冲击头开始反弹，载荷-时间曲线急剧下降。在这种情况下，上面板通常会在冲击区域周围发生局部弯曲和面内拉伸。从图7（a）可以看出，HS-S (10 J) 的载荷-时间曲线为A 型曲线。B 型载荷-时间曲线的特点是先出现一个单峰载荷，然后是一个延长的加载平台。与A 型不同的是，当冲击载荷达到峰值时，上面板出现基体树脂开裂和纤维断裂。一旦纤维出现断裂，载荷-时间曲线会有一定程度的下降。随着冲击头的下移，裂纹沿着纤维方向或垂直于纤维方向扩展，相应的载荷-时间曲线在峰值载荷后呈现一个延长的波动平台。在这种情况下，上面板通常会出现明显的压痕，并伴有不同程度的面板下蜂窝芯屈曲和压碎。如图7（b）～（e）所示，HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HS-S(20 J、30 J、40 J和50 J) 的载荷-时间曲线可以观察到这种现象。C 型冲击载荷-时间曲线为双峰曲线，这意味着冲击头穿透上面板后继续向下移动，顺序穿过内部蜂窝芯后接触底层面板。当载荷-时间曲线达到第一个峰值时，冲击头穿透上面板继续向下移动，蜂窝芯开始出现折叠和压碎，相应的载荷-时间曲线呈现出随峰值载荷而延长的波动平台。当冲击头穿透蜂窝芯并接触到下面板时，对应的载荷-时间曲线开始出现第二个峰值。从图7（b）～（e）可以看出，HS (30 J、40 J)、HS-C (40 J、50 J)的载荷-时间曲线属于C 型曲线。

对于C 型曲线，如果冲击能量不足以完全穿透试样，则第二个峰值低于第一个峰值，例如HS(30 J) 和HS-C (40 J)。然而，对于HS (40 J)和HSC(50 J)，第二个载荷峰值与第一个载荷峰值一样高，表明蜂窝夹层板几乎或者已经发生了穿透损伤。

对应于三种类型的冲击载荷-时间曲线，冲击载荷-位移曲线也可分为三种类型，并且随着冲击能量的增加，载荷-位移曲线逐渐由封闭曲线转变为开放曲线，如图8 所示。其中单峰闭合曲线表示冲击头在试样上出现完全回弹，例如HS-S（10 J）曲线。单峰载荷及延长加载平台为半开放曲线，表示它可能包含试样的部分屈服和冲击头的部分回弹。从HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HSS(20 J、30 J、40 J 和50 J) 的载荷-时间曲线可以观察到这种现象。如果试样完全屈服，且未发生冲击头反弹，则载荷-位移曲线应为一条完整的开放曲线[19]。此时冲击头接触到试样底层面板，甚至穿透试样。例如HS（30 J、40 J）曲线和HS-C（40 J、50 J）曲线。冲击载荷-位移曲线上升段的斜率代表冲击试样的弯曲刚度。从图8 可以看出，修理试样的弯曲刚度均高于完整试样。这主要是由于修理材料和母板材料不同造成的。同时，修理蜂窝与原蜂窝之间采用环氧树脂与酚醛微珠混合物粘接，修理蜂窝结构与原蜂窝相比强度也有一定的提高。

2.1.3 冲击能量

图9 为不同冲击能量下试样的吸收能量-时间曲线。从图9 可以看出，试样在不同冲击能量下的吸收能量过程可分为三种类型。A 型能量-时间曲线表现为一个能量单峰和一个延长的吸收能量平台，冲击能量分为不可逆和可逆能量。不可逆能量通过蜂窝板的永久损伤、振动、热等方式被吸收。可逆能量转化为冲击头的动能，当冲击力达到峰值载荷时，可逆能量转化为冲击头反弹的动能。其中HS（10 J）、HS-C（10 J），HS-S（10 J、20 J、30 J 和40 J）能量-时间曲线都可以观察到这一现象。B 型能量-时间曲线显示出与A 型曲线基本相似的趋势，只是回弹过程中很少或没有可逆能量，这意味着大部分冲击能量被蜂窝板吸收。其中，HS（20 J）、HS-C（20 J、30 J 和40 J）以及HS-S（50 J）曲线属于B 型曲线。C 型能量-时间曲线可分为两个典型阶段，在每个阶段中，一旦冲击头接触面板，吸收能量-时间曲线急剧上升。在这两个阶段之间，由于面板撕裂阻力和蜂窝芯破碎的摩擦阻力，吸收能量-时间曲线的上升变得缓慢。其中， HS（30 J、40 J）曲线和HS-C（50 J）曲线属于C 型曲线。

不同冲击能量下试样的最大冲击力和吸收能量如图10 所示。与HS 相比，HS-C 试样的最大冲击力分别提高了46.2%～91.2%，HS-S 试样的最大冲击力分别提高了136.8%～216.9%。修理前后的最大吸收能量无明显变化。

2.2 CAI 测试

图11 为不同冲击能量下试样的CAI 强度和模量。从图11 可以看出，随着冲击能量的增加，试样的CAI 强度逐渐降低。这主要是由于冲击坑的存在，破坏了试件的抗屈曲性能。10 J 冲击能量下试样的冲击损伤面积最小，CAI 强度最高；而在发生穿透损伤（HS 为40 J，HS-C 为50 J）时，冲击区域面板和蜂窝结构发生坍塌损伤，CAI 强度最低。相同冲击能量下，修理试样的CAI 强度最高，而且HS-S 的CAI 强度高于HS-C。这同样与冲击导致复合材料的损伤直接相关。以上数据表明，修理后的蜂窝结构，特别是蜂窝芯拼接区域的抗冲击性能优于原结构。

2.3 失效机理分析

图12 为三种类型的蜂窝夹层板冲击点处的宏观照片。HS 和HS-C 试样的冲击点分别位于原蜂窝芯和修理后的蜂窝芯上。铝蜂窝芯材料出现整体挤压坍塌现象。当冲击能量为40 J 时，冲击头完全穿透HS 试样的下面板。HS-C 试样具有较好的抗冲击性能，下面板无明显穿透损伤。这可能是因为修补材料的韧性比母材好。复合材料的抗冲击性能受纤维和树脂的双重影响，甚至树脂的性能更为重要。对于冲击能量为50 J 的HS-S 试样，冲击点位于蜂窝芯拼接区域。蜂窝芯拼接区域采用EA 9396 环氧树脂和酚醛微球增强，提高了HS-S 试样的抗冲击性能。

图13 为CAI 测试后蜂窝夹层板的正面和横截面损伤宏观形貌照片。从图13 可以看出，试样经过冲击破坏后在压缩作用下破坏区域继续扩展。冲击点是CAI 损伤最严重的区域。裂纹起始区位于冲击侧，垂直于压缩方向扩展至试样边缘，表现出两种破坏模式：裂纹扩展和分层屈曲。试样背面无裂纹扩展。蜂窝夹层板的断面形貌表明，随着冲击能量的增加，顶面板逐渐出现分层、基体开裂、纤维断裂等失效模式。此时，内部蜂窝芯结构开始出现不同程度的坍塌。HS 试样在30 J 和40 J 冲击能量下，HS-C 试样在40 J 和50 J 冲击能量下，内部铝蜂窝芯发生挤压坍塌现象。然而，对于HS-S试样，内部蜂窝结构的损伤模式是完全不同的。在较低的冲击能量下出现很小的凹坑，凹坑的深度随着冲击能量的增加而增大，最终发展为贯穿整个拼接区域的纵向裂纹。