復合材料織物層板修理后抗沖擊性能研究

邱運朋

摘 要：苯并噁嗪碳纖維樹脂基復合材料是一種新興的復合材料，其高溫特性優良、孔隙率較低、容易制備的特點尤為顯著，其在實際服役環境中，會頻繁地受到外部的損傷，如刮擦、切削、磨損等，會產生分層、裂紋、劃痕等形式的損傷，需要進行修理，我們采用試驗的方法，通過階梯挖補法修理，開展了固定能量低速沖擊試驗，并最終實施了沖擊后壓縮強度測試的試驗環節，并結合斷口形貌分析和壓縮數據處理，以衡量其抗沖擊性能。

關鍵詞：復合材料；挖補法修理；沖擊；壓縮

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0066-01

復合材料是一種萌芽于上個世紀的高性能新材料，它是把多種可互為補充的材料依據合理的粘接固化方式熱壓成型，故此，其一方面可以弱化單一組分材質的明顯短板，另一方面又能使得各組分材料的優異性能更為突出和明顯。因為復合材料所特有的如輕量化、耐受性良好、機械性能可調的優點，故而受到航空宇航領域的青睞和認可。在航空器的運行中，會由于工具掉落、鳥擊或跑道碎石沖擊會造成其復合材料層合結構的損傷，沖擊作用會使層合結構的主要機械性能在大幅削減，并且層間的分層和裂紋等會隨著材料結構的繼續服役而愈發加劇，無疑會使材料的結構強度加速退化，尤其在壓縮性能方面最為明顯，這就形成了嚴重的安全隱患。

1 驗件的制備和編號

本試驗采用Henkel公司生產的雙向織物型兩種苯并噁嗪樹脂基碳纖維預浸料作為主要試驗材料，以膠膜、碳布和樹脂作為輔料，進行制板固化和修理。依照ASTM D7137的試驗標準，把層板切削成沖擊用的標準試驗件，長寬尺寸是150mm×100mm[1]。其中，不同的層板因為其鋪層順序、修理材料、修理方式的不同而不同，具體，如表1所示。

2 試驗及結論

2.1 低速沖擊試驗

為了與實際工況下的低速沖擊相符，本文采用Instron ceast 9350落錘沖擊試驗機對按標準切削好的層板進行了低速沖擊試驗。試驗時，將層板水平放置在試驗機的鏤空長方形區域之上加以固定，沖擊能量定為30J。

2.2 沖擊后壓縮試驗

沖擊后壓縮試驗是選取了Instron 5982型電子萬能試驗機進行的，所用標準為ASTM D7137，本文分別對不同方式修理后并沖擊過的層板施加加持和壓縮。為保證試驗結果的有效性，我們不考慮層板出現整體失穩的現象，為盡量減少，甚至避免此類現象的發生，我們的夾具在側向也進行了嚴密的貼合和支持。試驗的加載速率為1.25mm/min，且為了實時監測層板在壓縮過程中的屈曲現象，我們在層板的正反兩面上，在板的上方，距離板左右兩側分別為25mm的位置處各粘貼了一個軸向應變片，將應變片與導線焊接好，并將導線與電橋相連，并連接到動態應變儀上進行測量[2]。

2.3 試驗件失效破壞形貌觀察

CAI試驗的，目的在于驗證層板的薄弱部位，即最易出現損傷且損傷表現最為嚴重的部位，是否為沖擊中心位置。由圖1觀察可知，試驗件層板在壓縮后，沖擊損傷的中部區域的會出現明顯的壓塌現象，這符合我們的無損檢測預期，也為D7137測試標準中的正常失效形式。故，我們對層板中央進行拍照，并選取典型的層板試驗件，從正面、背面、側面三個角度進行觀察。可以發現，試驗件層板在夾持后的壓縮作用下，在其正面與背面均形成了褶皺凸起的現象，并且，背面的凸起效果更為明顯，不僅如此，還在基體上造成了明顯的擠壓裂痕和纖維斷裂后的外露和極其明顯的斷口。而觀察試件的側面，還可以看出，分層現象出現在整個層板的厚度方向上，在正面的淺表層和背面的多層內表現最為劇烈和明顯，并且，在相同條件下，補片的損傷較母板更為嚴重。原因則為，中間部位為主要損傷部位，其承載能力最為薄弱；且補片的層間結構相比于二次固化區域較為疏松；補片與母板間的連接位置多為膠膜或者濕鋪層析出的樹脂膠層，為富膠區域，強度較低，故會出現此種現象。

2.4 壓縮強度與模量分析

壓縮強度為壓縮破壞載荷與壓縮時試件橫截面積的比值，而模量則為應力與應變的比值，此兩者將分別衡量層板的最大應力與抗彈性變形的能力。

根據壓縮試驗結果，我們計算可得出表2所示。

由表2中數據，可以看出，雖然修理后沖擊的層板其強度與模量不能達到未修理前的性能，但與未修理沖擊后的層板相比，其性能衰退并不特別明顯。對于雙向織物層板而言，其修理方式為本體單面修理、本體雙面修理、非本體單面修理、非本體雙面修理的CAI強度與未修理層板的CAI強度值之比分別為96.12%、89.39%、92.16%、86.88%，其壓縮模量之比分別為88.20%、74.97%、82.49%、67.51%。

這從一方面說明，修理對CFRP層板的性能恢復是非常有效可行的，另一方面，亦可說明，探索雙面修理后的CFRP層板的性能與非本體材料修理后的層板性能是具有明顯價值和意義的，會為將來的復合材料修理提供更多的解決方案和方法，并將可能會降低維修成本，縮短維修時間。同時，由于未經修理的層板與經過修理的層板，其沖擊后壓縮的性能差距并不明顯，側面也可說明，沖擊對復合材料造成的損傷非常明顯和巨大，并將極大地降低材料的使用壽命和承載能力，應盡量避免。

參考文獻

[1]張紀奎，酈正能，程小全，等.復合材料整體結構在大型民機上的應用[J].航空制造技術，2007，（9）：38-43.

[2]林霜.安-70飛機結構系統分析[J].航空科學技術，2006，（3）：7-10.