復(fù)合材料層壓板低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕損傷等效性的研究

閆 麗, 安學(xué)鋒, 蔡建麗, 張代軍, 益小蘇

(北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料重點實驗室,北京 100095)

隨著纖維增強復(fù)合材料在航空航天結(jié)構(gòu)日益廣泛的應(yīng)用,研究復(fù)合材料的損傷對其強度、剛度及疲勞壽命的影響愈來愈重要。目前普遍認(rèn)為纖維增強復(fù)合材料在使用過程中最嚴(yán)重的損傷是沖擊損傷[1,2]。采用低速沖擊試驗(Low-velocity impact, LVI)評定損傷阻抗的方法相對費時且昂貴,而且試驗結(jié)果分散性較大,相比之下采用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(Quasi-Static Indentation,QSI)采集信息量大且試驗過程容易控制。許多研究[3～11]證實了在目前所使用的低速沖擊速率的范圍內(nèi),兩種方法產(chǎn)生的損傷和含損傷的壓縮剩余強度相似,但是這些研究并不能很好地反映兩者的等效性關(guān)系,且國內(nèi)相關(guān)報道相對較少。

如何將低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕進(jìn)行等效是復(fù)合材料損傷容限和損傷阻抗亟待解決的問題。如果能夠建立低速沖擊損傷和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕損傷之間的相關(guān)性,那么就可以用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗替代低速沖擊試驗,這樣不但節(jié)省試驗成本、降低試驗難度、提高試驗效率,而且可有效指導(dǎo)高韌性和高損傷容限復(fù)合材料體系的研制。

復(fù)合材料低速沖擊試驗采用ASTM D7136-05標(biāo)準(zhǔn)[12],準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗采用ASTM D6264-98標(biāo)準(zhǔn)[13]。本研究采用相同的復(fù)合材料層壓板在相同的試驗條件下,依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗的損傷等效性進(jìn)行研究,這對于研究復(fù)合材料層壓板的損傷有積極意義。

2 試驗部分

2.1 試驗原料及方法

BMI(6421)樹脂：北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料重點實驗室提供;

增強纖維：T700單向織物,纖維面密度 192g/ m2,舟山市岱山飛舟新材料有限公司提供。

試驗體系：碳纖維增強雙馬樹脂基復(fù)合材料T700/6421,材料鋪層方式為準(zhǔn)各向同性：[45/0/-45/90]3s,采用 RTM成型工藝,纖維體分 55%± 1%。

2.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)與試驗設(shè)備

兩種試驗標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料層壓板的尺寸、支持方式及沖/壓頭等要求不一致,為了對比這兩種試驗,本研究以落錘沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn),即層壓板尺寸、支持方式及沖/壓頭等符合ASTM D 7136-05標(biāo)準(zhǔn)。層壓板試件尺寸為150mm×100mm;試驗夾具為125mm×75mm的矩形開口簡支支持夾具;沖頭(壓頭)直徑為16mm的鋼制半球體。

低速沖擊試驗在INSTRON 9250HV型落錘沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行。準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗在INSTRON 5569型電子拉伸試驗機(jī)進(jìn)行,加載速率為 1.25mm/ min。

本試驗測量的損傷參數(shù)為損傷面積和凹坑深度,用超聲波 C掃描檢測損傷面積,用游標(biāo)卡尺測量試樣受低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕后的凹坑深度,為防止凹坑深度隨時間松弛,測量在試驗卸載后即刻進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 損傷參數(shù)曲線分析

分別對 T700/6421復(fù)合材料層壓板由落錘沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗引入的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,可得到損傷面積和凹坑深度,并分別繪制沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷面積、沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷寬度和沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與凹坑深度三組關(guān)系曲線圖。其中本試驗中所采用的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力是每個沖擊能量下對應(yīng)的在沖擊過程中的最大接觸力。

圖1給出了沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷面積的關(guān)系,由圖 1可知,沖擊能量與損傷面積、準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力與損傷面積均具有很好的對應(yīng)性和規(guī)律性,能夠明顯地反映復(fù)合材料體系損傷阻抗的變化。圖 1a可以看出,當(dāng)沖擊能量較低時,損傷面積隨沖擊能量的增加近似成線性緩慢增加,這是由于在低能量沖擊時,層壓板由纖維和基體共同抵抗沖擊作用,層合板的損傷形式是分層損傷,因而損傷增加速度比較緩慢。當(dāng)沖擊能量達(dá)到 35J附近時,沖擊能量與損傷面積關(guān)系出現(xiàn)了拐點,即對應(yīng)的損傷面積為1400mm2,拐點為纖維和基體整體抵抗沖擊(損傷阻抗)的最大能力,拐點之后,隨著沖擊能量的增加,損傷面積的增速加快。圖 1b可知,在小載荷階段,隨著準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的增大,損傷面積逐漸增加,但增加速率較慢,當(dāng)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力達(dá)到1.15kN附近時(沖擊能量為 35J時對應(yīng)的最大接觸力為1.04kN),曲線產(chǎn)生了拐點,對應(yīng)的損傷面積為1550mm2,拐點之后,損傷面積隨著準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的上升迅速增加。

由圖1a,b分析可知,落錘沖擊能量-損傷面積關(guān)系曲線與準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力-損傷面積關(guān)系曲線有著同樣的變化趨勢。落錘沖擊試驗中損傷面積的拐點在1400mm2附近,而準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗中損傷面積的拐點在1550mm2附近,這兩個拐點相差較小,說明了用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗替代落錘低速沖擊試驗是可行的。圖1c中,低的沖擊能量(小于 30J,接近拐點值)和對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力對復(fù)合材料層壓板產(chǎn)生的損傷面積近似相等,而高能量(大于30J)則相差較大。即在較低能量下準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力可近似看作相對應(yīng)的沖擊能量下沖擊過程中的最大接觸力。

圖1 沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷面積的關(guān)系Fig.1 Relationship between impactenergy(or quasi-static indentation force)and damage area (a)low-velocity impact testing;(b)quasi-static indentation testing;(c)comparison with impactand indentation testing

圖2給出了沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷寬度的關(guān)系,由圖 2a和圖2b可知,沖擊能量與損傷寬度、準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力與損傷寬度均具有很好的對應(yīng)性和規(guī)律性,能夠明顯地反映復(fù)合材料體系損傷阻抗的變化。損傷寬度的變化趨勢和損傷面積的變化趨勢近似,且兩類試驗的曲線同樣都出現(xiàn)了拐點,落錘沖擊試驗中損傷寬度在 35J時產(chǎn)生拐點,對應(yīng)的損傷寬度為 45mm,準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗中當(dāng)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力達(dá)到1.06kN附近時(沖擊能量為35J時對應(yīng)的最大接觸力為1.04kN),損傷寬度出現(xiàn)了拐點,此時對應(yīng)的損傷寬度為45mm,故在拐點處準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力近似等于相對應(yīng)的沖擊能量下沖擊過程中的最大接觸力。從圖2c中亦可以看出在沖擊能量小于35J (拐點之前)時,其和對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力對復(fù)合材料層壓板產(chǎn)生的損傷寬度近似相等,在沖擊能量大于 35J后則相差較大。即在較低能量下準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力可近似看作相對應(yīng)的沖擊能量下沖擊過程中的最大接觸力。

圖2 沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷寬度的關(guān)系Fig.2 Relationship between impact energy(or quasi-static indentation force)and damage width (a)low-velocity impact testing;(b)quasi-static indentation testing;(c)com parison with impactand indentation testing

圖3給出了沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與凹坑深度之間的關(guān)系。由圖3a,b可知,沖擊能量與凹坑深度、準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力與凹坑深度均具有很好的對應(yīng)性和規(guī)律性,能夠明顯地反映出復(fù)合材料體系損傷阻抗的變化。由圖 3a可知,沖擊能量較小時,凹坑深度隨著沖擊能量的增加近似成線性增加,但增加的速度比較緩慢,沖擊能量從 10J增加到40J時,對應(yīng)的凹坑深度從0.14mm增加到0.24mm,當(dāng)沖擊能量達(dá)到40J附近時,即凹坑深度為0.24mm時,曲線出現(xiàn)了拐點,之后隨著沖擊能量的增加,凹坑深度迅速增加。在圖 3b中準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力與凹坑深度有著同樣的趨勢,在小載荷階段,隨著準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的增大,凹坑深度緩慢增加,當(dāng)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力達(dá)到 1. 15kN(沖擊能量為40J時對應(yīng)的最大接觸力為 1. 19kN)時,凹坑深度為0.29mm,曲線出現(xiàn)了拐點,之后隨著準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的增加,凹坑深度亦迅速增加。

由圖3a,b分析可知,落錘沖擊能量-凹坑深度關(guān)系曲線與準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力-凹坑深度關(guān)系曲線有著同樣的變化趨勢。落錘沖擊試驗中凹坑深度的拐點在0.24mm附近,而準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗中凹坑深度的拐點在0.29mm附近,這兩個拐點相差較小,從而進(jìn)一步說明了準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗替代落錘低速沖擊試驗的可行性。從圖 3c中可以看出,在沖擊能量小于35J(拐點之前)時,其和對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力對復(fù)合材料層壓板產(chǎn)生的凹坑深度近似相等,在沖擊能量大于 35J后則相差較大。即在較低能量下準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力可近似看作相對應(yīng)的沖擊能量下沖擊過程中的最大接觸力。

圖3 沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與凹坑深度的關(guān)系Fig.3 Relationship between impactenergy(or quasi-static indentation force)and dent depth (a)low-velocity impact testing(b)quasi-static indentation testing;(c)comparison with impact and indentation testing

綜上所述,由圖 1、圖 2和圖 3分析可得,沖擊 能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷面積、沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與損傷寬度、沖擊能量(準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力)與凹坑深度均有很好的對應(yīng)關(guān)系和規(guī)律性,在落錘沖擊試驗中,損傷面積、損傷寬度和凹坑深度均在沖擊能量 35～40J之間產(chǎn)生拐點,在準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗中,損傷面積、損傷寬度和凹坑深度均在準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力1.15kN附近產(chǎn)生拐點,同時此壓痕力介于沖擊能量35J和 40J的沖擊過程中對應(yīng)的最大接觸力1.04kN和1.19kN之間,因而損傷面積、損傷寬度和凹坑深度均可作為損傷表征參數(shù)來建立落錘低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗之間的等效性關(guān)系。

3.2 低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗過程分析

從圖 4～6中可以看出,低速沖擊試驗過程和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗過程曲線有著相同的趨勢,開始僅是基體的開裂,然后隨著載荷的增加,到達(dá)F1(分層起始載荷)時,層壓板開始出現(xiàn)分層損傷并且載荷出現(xiàn)下降,載荷繼續(xù)增加,層壓板分層面積增大,層壓板開始逐步出現(xiàn)纖維損傷并且載荷呈鋸齒狀變化,背部纖維開始劈裂,最終失去承載能力達(dá)到最大載荷Fmax(該值反映層壓板抵抗外來事件力或者低速沖擊的能力)。隨著沖擊能量的增加,層板發(fā)生分層起始損傷的時間提前,并且分層起始載荷也相應(yīng)增加;隨著準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的增加,層壓板的分層起始載荷也相應(yīng)增加。低速沖擊過程中,沖擊能量在 10～60J之間,初始分層載荷在 4500～5500N之間,準(zhǔn)靜態(tài)壓痕過程中,準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力在5.5～12.8kN(由相應(yīng)的沖擊能量下產(chǎn)生的最大接觸力)之間,初始分層載荷在 4000～5000N之間,準(zhǔn)靜態(tài)壓痕的分層初始載荷較沖擊的分層起始載荷稍低一些[13],但載荷的整體變化趨勢相同。

圖4 沖擊過程的接觸力-撓度曲線Fig.4 Force-Deflection curves during impact

綜合低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗過程分析,載荷的曲線變化趨勢相同。初步證明了低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗是可以等效的,用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗替代落錘低速沖擊試驗是可行的。

3.3 下一步試驗計劃

本文對復(fù)合材料層壓板低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗等效性進(jìn)行了初步研究,對此還需要大量的工作進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

(1)評價多種纖維、基體體系,尋找各種體系在建立低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)試驗等效性時共有的特性及哪些是受具體材料體系影響的行為。

(2)建立低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗比較可靠的關(guān)聯(lián)性,還需要大量批次的試驗數(shù)據(jù)作為支撐。

4 結(jié)論

(1)凹坑深度、損傷面積和損傷寬度均可作為損傷參數(shù)來建立低速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕之間的損傷等效性關(guān)系;

(2)落錘低速沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗損傷面積、損傷寬度和凹坑深度均出現(xiàn)了拐點,兩類試驗的拐點相差很小,且兩類試驗變化趨勢相同,初步說明了準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗替代落錘低速沖擊試驗是可行的。

(3)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗過程的初始分層載荷比沖擊過程的初始分層載荷較低,但兩類試驗過程中載荷的變化趨勢相同,也可以說明落錘沖擊試驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗是可以等效的。

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