含孔隙CFRP層合板沖擊損傷試驗

張阿櫻，張東興

(1.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，150001 哈爾濱;2.哈爾濱學院圖書館，150086 哈爾濱)

和傳統(tǒng)材料鋁和鋼相比，CFRP層合板由于具有比強度高、比模量高、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛地應用于航天、航空、國防等高技術領域［1－2］.但是復合材料層合板在受到?jīng)_擊作用時易產(chǎn)生內(nèi)部損傷，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，從而限制了復合材料層合板結(jié)構(gòu)的應用［3］.當受到?jīng)_擊荷載時，能量通過復合材料的彈性變形被吸收，當能量超過某一閾值時，復合材料會產(chǎn)生一些損傷模式［4］，包括壓痕(凹坑)、分層、基體開裂、纖維/基體脫粘、纖維斷裂、塑性變形等損傷［5－6］.CFRP 層合板在動態(tài)荷載作用下，尤其是沖擊荷載作用下其阻抗較低，導致復合材料力學性能顯著下降［7－9］.為了保證受到?jīng)_擊損傷的復合材料結(jié)構(gòu)在服役期間不發(fā)生突發(fā)性破壞，對復合材料的損傷容限性能進行研究，評價復合材料結(jié)構(gòu)沖擊后剩余強度具有重要意義［10］.

孔隙是復合材料中最為常見的制造缺陷之一［11－12］，大量研究表明，孔隙對復合材料結(jié)構(gòu)的物理及力學性能存在有害影響［13－15］.因此，分析孔隙對復合材料沖擊后力學性能的影響，對于合理有效地使用復合材料十分必要.目前，很多學者對復合材料的沖擊阻抗性能及損傷容限性能進行了研究［3－10］，但是，針對孔隙率對復合材料層合板沖擊損傷容限性能影響的研究還非常少見.因此，本文研究了三種孔隙率的CFRP層合板試樣分別受到3、6、9、12、15 J五種能量的沖擊后剩余拉伸強度，并采用超聲C掃描、金相顯微鏡、熱揭層及目視等方法對CFRP層合板試樣的沖擊損傷進行檢測.

1 試驗

1.1 不同孔隙率CFRP層合板制備

試驗原材料為織物碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料(T300/914)層合板，碳纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料由Hexel生產(chǎn)，纖維體積分數(shù)為52%.層合板鋪層方式為［(±45)4/(0，90)/(±45)2］S，采用熱壓罐成型工藝，固化壓力分別為0.4、0.2、0 MPa，利用掃描儀(Krautkramer Branson USD15)對層合板進行超聲A掃描，測量出不同固化壓力生產(chǎn)的層合板孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%.

1.2 金相顯微鏡檢測

根據(jù)GB/T 3365—2008《碳纖維增強塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗方法》用金相顯微鏡(VNT－100)對CFRP層合板試樣孔隙形貌進行檢測.

1.3 沖擊試驗

根據(jù)ASTMD 7136《纖維增強聚合物基復合材料落錘沖擊損傷阻抗測量標準試驗方法》對CFRP層合板進行沖擊試驗，層合板試樣尺寸為230 mm×25 mm×4.5 mm.采用落錘式?jīng)_擊試驗機(JLW-100)，鋼制半球形沖頭直徑為12.7 mm，沖頭質(zhì)量為5.0 kg.通過夾具將層合板試樣進行四邊簡支并固定，沖擊點位于層合板試樣跨中處.在室溫環(huán)境中對孔隙率為0.33%、0.71%及1.50%的 CFRP 層合板試樣分別進行 3、6、9、12、15 J五種能量的沖擊試驗，每組沖擊試驗取5個試樣.

1.4 沖擊損傷檢測方法

采用游標卡尺測量基體裂紋長度及凹坑深度，游標卡尺精度為0.02 mm.

采用光學顯微鏡(JX-2000B)檢測基體開裂、纖維斷裂及分層等沖擊損傷.

本試驗采用水浸式超聲C掃描設備(D9500C)檢測沖擊損傷，并用圖像分析軟件Image-Pro Plus測量沖擊損傷投影面積.

熱揭層方法是將配制的增強劑溶液注入沖擊損傷區(qū)域，然后將試樣放入設定溫度為425℃的馬弗爐中加熱30～40 min，待環(huán)氧樹脂基體熱解后，將沖擊試樣從馬弗爐中取出并在室溫中冷卻后，將試樣逐層剝開后觀察分層的沖擊損傷面積和損傷形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊凹坑深度

對受到不同能量沖擊作用的CFRP層合板的損傷狀況進行目視觀察，當沖擊能量為3 J時，試樣兩側(cè)目視均觀察不到?jīng)_擊損傷狀況;當沖擊能量為6 J時，CFRP層合板沖擊試樣正面能夠觀測到圓形凹坑;沖擊試樣背面觀察到基體開裂現(xiàn)象，并呈輕微外突狀;當沖擊能量超過9 J、提高至12 J及15 J時，試樣兩側(cè)損傷嚴重程度也增加，沖擊試樣正面的凹坑深度及凹坑面積呈增加趨勢，沖擊試樣背面凸出高度及基體裂紋長度也增加，并且CFRP層合板沖擊試樣兩側(cè)均出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象.

圖1為孔隙率為0.33%的CFRP層合板試樣受到不同能量沖擊作用后試樣背面基體裂紋平均長度.由圖1可知，隨著沖擊能量由3 J增至15 J，孔隙率為0.33%的CFRP層合板試樣背面基體裂紋平均長度呈線性增加趨勢.

圖1 孔隙率為0.33%的沖擊試樣背面基體裂紋平均長度

2.2 沖擊損傷投影面積

為了研究孔隙率對CFRP層合板沖擊損傷投影面積的影響，采用超聲C掃描對孔隙率分別為0.33%、0.71% 及1.50% 的CFRP層合板試樣的沖擊損傷投影面積進行檢測.圖2為不同孔隙率CFRP層合板沖擊損傷投影面積超聲C掃描照片.由圖2可知，隨著沖擊能量由3 J增至15 J，孔隙率為0.33% 、0.71%及1.50% 的CFRP層合板拉伸試樣的沖擊損傷投影面積均呈增長趨勢.當沖擊能量相同時，孔隙率對CFRP層合板的沖擊損傷投影面積形狀的影響并不顯著.

圖2 不同沖擊能量作用下沖擊損傷面積超聲C掃描照片

圖3為不同孔隙率的沖擊試樣損傷投影面積－凹坑深度曲線，在對應沖擊能量為9 J處損傷投影面積－凹坑深度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點.在沖擊能量9 J之前，CFRP層合板試樣的損傷投影面積隨著凹坑深度的增大快速增長;在沖擊能量9 J之后，雖然凹坑深度繼續(xù)增大，但是沖擊試樣的損傷投影面積增長速率明顯趨緩.

圖3 不同孔隙率沖擊試樣損傷投影面積－凹坑深度曲線

2.3 CFRP層合板沖擊損傷容限性能

復合材料的沖擊損傷容限可以用力學性能參數(shù)和沖擊損傷類型及尺寸之間的關系來表征.圖4為不同孔隙率的CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度－損傷投影面積曲線.在損傷投影面積對應沖擊能量為9 J處剩余拉伸強度－損傷投影面積曲線的斜率發(fā)生變化.在沖擊能量9 J之前，相同的損傷投影面積增量CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度下降速率較慢;在沖擊能量9 J之后，相同的損傷投影面積增量CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度下降速率明顯加快.

圖4 不同孔隙率試樣剩余拉伸強度-損傷投影面積曲線

2.4 CFRP層合板沖擊損傷破壞機理

為了研究CFRP層合板沖擊損傷性能在沖擊能量9 J前后發(fā)生突變的破壞機理，通過熱揭層試驗對沖擊損傷情況進行進一步檢測.采用熱揭層方法將沖擊試樣逐層剝開后發(fā)現(xiàn)，當沖擊能量為3 J及6 J時，沖擊試樣中只出現(xiàn)基體裂紋和分層損傷兩種沖擊損傷形式，纖維只出現(xiàn)輕微磨損，但是并未發(fā)生折斷.層合板的樹脂基體和纖維共同抵抗沖擊能量的作用.因此，在沖擊能量9 J之前，相同的沖擊能量增量，凹坑深度增長較小，但是分層面積增長較快.當沖擊能量超過9 J、提高至12 J及15 J時，沖擊試樣表面開始出現(xiàn)纖維折斷現(xiàn)象，沖擊試樣中出現(xiàn)基體裂紋、分層及纖維折斷三種沖擊損傷形式，并且隨著沖擊能量的增加，沖擊試樣中纖維斷裂現(xiàn)象越來越嚴重，即沖擊能量主要消耗于纖維斷裂.熱揭層試驗揭示了當沖擊能量超過9 J后，沖擊能量由CFRP層合板基體和纖維共同消耗轉(zhuǎn)移為主要由纖維抵抗沖擊能量.解釋了當沖擊能量超過9 J后，即使提高沖擊能量，分層損傷面積趨于穩(wěn)定、增長較為緩慢的原因.

2.5 CFRP層合板沖擊前后損傷形式

圖5是孔隙率分別為0.33%、0.71%及1.50%的CFRP層合板試樣跨中位置受到6 J能量沖擊前后的金相顯微照片.同圖5(a)、圖5(c)及圖5(e)中無損試樣相比，圖5(b)、圖5(d)及圖5(f)中受到6 J能量沖擊后孔隙率為0.33%、0.71%和1.50%的試樣中觀察到基體裂紋由孔隙處產(chǎn)生，并與層間裂紋相連接.

圖5 沖擊能量為6 J時拉伸試樣金相顯微照片

圖6是孔隙率分別為 0.33%、0.71%及1.50%的CFRP層合板試樣跨中位置受到15 J能量沖擊前后的金相顯微照片.同圖6(a)、圖6(c)及圖6(e)中無損試樣相比，圖6(b)、圖6(d)及圖6(f)中受到15 J能量沖擊后孔隙率為0.33%、0.71%和1.50%的試樣中出現(xiàn)非常明顯的基體裂紋和纖維/基體界面分層現(xiàn)象，基體裂紋由孔隙處產(chǎn)生，且基體裂紋與層間裂紋相互貫通.

同圖5 CFRP層合板試樣受到?jīng)_擊能量6 J的沖擊損傷相比，沖擊能量增至15 J后，層合板內(nèi)基體裂紋及界面分層裂紋等沖擊損傷程度明顯嚴重.

3 結(jié)論

1)相同沖擊能量作用下，孔隙率對CFRP層合板試樣的沖擊凹坑深度及沖擊損傷投影面積均存在不利影響.在沖擊能量9 J之后，雖然凹坑深度繼續(xù)增大，但是沖擊試樣的損傷面積增長速率明顯趨緩.

2)反映CFRP層合板試樣沖擊損傷容限性能的沖擊后剩余拉伸強度－損傷面積曲線在對應沖擊能量為9 J處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，沖擊后剩余拉伸強度的變化速率在沖擊能量9 J前后均發(fā)生突變.

3)通過熱揭層試驗揭示了由于能量耗散發(fā)生轉(zhuǎn)移，導致CFRP層合板沖擊性能在沖擊能量9 J前后發(fā)生突變的破壞機理.

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