碳/環氧復合材料管失效分析

王 影，謝國君，韓 露

(航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

碳/環氧復合材料以其優異的比強度特性，結構尺寸穩定、耐熱、耐低溫及材料性能可設計等優點，其既可以作用結構材料承載，又可以作為功能材料發揮其作用，因而越來越多地應用于航空航天領域［1-5］，而在使用中碳/環氧復合材料產品的失效也隨之增加［6-8］。

某產品所用的碳/環氧復合材料管是在彎曲疲勞試驗時發生開裂失效的，其疲勞次數遠低于設計要求。管子的結構如圖1所示，中部區域壁厚最厚，從中部向兩端壁厚逐漸減薄;管子本體所用材料為碳纖維增強樹脂基復合材料。管子的成型工藝為碳布纏繞固化成型，鋪層工藝從外圈到內圈為1層雙向碳纖維布/8～15層單向碳纖維布/2層雙向碳纖維布。對該管子進行宏觀、微觀檢測，以分析其失效原因，為避免出現同類故障提供借鑒。

1 觀察與分析

1.1 宏觀觀察

失效產品的宏觀形貌如圖2所示，管內壁裂紋位于安裝孔根部，裂紋長約140 mm，安裝孔邊緣部分區域的碳纖維復合材料翹起約30°，裂紋向兩側擴展;管子外壁裂紋位于包套邊緣，為周向裂紋，裂紋長約1/3周，與內壁裂紋位于同一側，從裂紋的宏觀形態判斷，最先破壞位置位于安裝孔根部區域。

采用砂輪切割機將開裂失效管子分區解剖觀察發現，鋼銷釘附近裂紋翹起，擴展區鼓起，表面開裂，管壁剖面的裂紋穿透整個管壁(圖3)。將裂紋面打開觀察可見，內壁裂紋和外壁裂紋為連續性裂紋，整個裂紋面較平滑，大部分區域為沿單向布開裂，該區域存在白色物質，對應安裝孔根部裂紋面為沿雙向布開裂，該區域呈黑色(圖4);裂紋源位于安裝孔附近，源區存在分層現象(分層位置位于單向布之間)，鋼銷釘上殘留部分斷裂的復合材料;裂紋擴展區斷口較平整，未見明顯的分層缺陷。

圖3 裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of crack

圖4 裂紋面(斷口)形貌Fig.4 Macro morphology of fracture surface

采用掃描電鏡對主要斷裂區域的斷口進行微觀形貌觀察。白色分層面上大部區域存在較多的呈聚集態分布的粉末狀潛伏性固化劑，局部區域粉末狀潛伏性固化劑較少，該區域可見原始的鋪層特征，未見斷裂特征，表明該區域未形成有效的粘接，為原始分層缺陷，尺寸約為20 cm2(圖5)。黑色裂紋面相對較干凈，部分區域存在疲勞開裂特征，部分區域纖維表面較光滑，殘留樹脂極少，表明該區域界面結合強度較低(圖6)。大部分斷面較平，局部存在分層(圖7)，纖維斷口呈脆性斷裂特征［1］。

1.2 紅外光譜分析

對管子樹脂和裂紋面上白色物質分別進行紅外光譜分析，結果見圖8。由圖可見，管子樹脂主成分為普通環氧樹脂;裂紋面上白色物質主成分為雙氰胺。紅外光譜分析結果表明裂紋面上白色物質為雙氰胺，是一種潛伏性固化劑。

圖8 樹脂基體的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrogram of the resin

1.3 金相分析

在斷口附近截取試樣制備成金相試樣進行結構觀察，結果見圖9，內壁和外壁為雙向碳布，中間為單向碳布，未見氣孔、分層缺陷［9］。

2 分析與討論

圖9 管內部形貌Fig.9 Inside appearance of pipe

從管子的形貌觀察可見，管子外壁裂紋與內壁裂紋是一個連續裂紋，裂紋面較平，大部分區域存在較多的呈聚集態分布的白色粉末狀潛伏性固化劑，結合管子成型工藝分析認為，聚集態潛伏性固化劑的存在應是由于固化劑的配比不合理或原料混合不均，導致固化后局部區域殘留較多潛伏性固化劑，導致該區域層與層之間未形成有效粘接，形成分層缺陷，使該區域的承載能力下降，同時由于分層缺陷管子的安裝位置附近，該位置處于彎曲疲勞試驗時變形量(應變量)較大的區域，而分層區域的變形與正常區域(未分層區)變形不一致，導致分層區域邊緣及包套邊緣區域的碳環氧材料發生折斷，形成宏觀裂紋。

由于安裝孔位于缺陷區域附近，導致復合材料管打孔的過程中孔的邊緣易產生缺陷(主要為分層缺陷)，孔邊緣的分層缺陷進一步降低該區域的承載能力，加速管子的疲勞失效。

3 結論

1)碳/環氧復合材料管失效性質為低周疲勞;

2)碳/環氧復合材料管局部區域存在分層缺陷，缺陷產生的原因是由于該區域富集較多的粉末狀固化劑;

3)發生疲勞失效的主要原因是由于安裝孔附近存在分層缺陷，導致該區域層間結合強度降低，導致碳/環氧復合材料管發生早期疲勞失效。

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