T800級碳纖維復合材料抗沖擊性能

王 莉, 熊 舒, 肇 研, 楊 利

（1.航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089；2.北京航空航天大學，材料科學與工程學院，北京 100191）

碳纖維增強樹脂基復合材料因其具有高比強、高比模、耐腐蝕以及可設計等特點而廣泛應用于各類航空航天結構中[1-4]，由于復合材料自身層合結構特點，在厚度方向受到沖擊時，易產生沖擊損傷，主要表現為內部基體開裂、分層以及纖維斷裂，這些損傷在材料表面目視困難，卻使得構件壓縮性能明顯下降，這對復合材料構件的使用安全造成巨大威脅[5-6]。在對飛行器進行結構設計及強度分析時，復合材料抗沖擊性能是非常重要的設計依據，合理的設計值是飛行器復合材料結構安全的重要保證。復合材料抗沖擊性能包括損傷阻抗性能和損傷容限性能，具有高損傷阻抗的材料其抵抗外界沖擊的能力較強，產生特定的凹坑深度需要較大的沖擊能量[7-10]。具有高損傷容限的材料沖擊時可能會產生不同程度的損傷，但會具有很高的沖擊后壓縮強度。為了保證復合材料結構的耐久性和損傷容限，有必要在材料研制和結構選材階段對材料體系的抗沖擊性能進行評定。

T800級碳纖維作為新一代高強中模碳纖維的代表，國外已越來越多地應用于航空航天領域[11-12]，國內針對新一代航空裝備對T800級碳纖維復合材料的需求，開展了國產T800級碳纖維匹配的樹脂基體、預浸料制備和復合材料成型工藝研究[13]，國產T800級碳纖維復合材料體系在航空結構上的應用正處于論證及設計階段，因此，對國產T800級復合材料材料許用值和結構設計許用值的研究很有必要。對于復合材料抗沖擊性能，材料許用值研究關注沖擊后壓縮強度（CAI），即采用落錘沖擊方法，沖擊能量為6.7 J/mm沖擊能量下得到的壓縮強度。復合材料結構壓縮設計許用值應包含目視勉強可見沖擊損傷（BVID，凹坑深度1.3 mm左右）時的壓縮強度。本研究結合材料許用值及設計許用值的要求開展國產T800碳纖維復合材料抗沖擊性能的研究。采用改變沖擊能量的方法，研究三種不同鋪層厚度的國產T800級碳纖維環氧樹脂復合材料層合板的抗沖擊性能。

1 實驗材料及方法

1.1 試件

所用材料為國產T800級碳纖維環氧樹脂復合材料。試件包括三種典型鋪層[45/0/-45/90]3s，[45/0/-45/90]4s，[45/0/-45/90]5s；編號分別為 A，B，C；厚度分別為3.42 mm，4.46 mm，5.55 mm。試件編號、鋪層形式、厚度及沖擊能量等見表1。

1.2 沖擊實驗

參照ASTM D 7136—2007進行。采用Instron 9350全自動落錘沖擊試驗機，實驗裝置如圖1所示。落錘總質量為（5.5 ± 0.25） kg，沖擊頭直徑為（12.7 ± 0.1） mm。每組試樣按照10種不同沖擊能量進行實驗（表1）。沖擊過程中確認防二次沖擊裝置正常開啟，試樣未發生二次沖擊。在沖擊實驗結束后立即測量凹坑深度，沖擊后的試件采用超聲C掃描檢測內部損傷情況。

表 1 試件鋪層、厚度及沖擊能量Table 1 Specimen layer, thickness and impact energy

圖 1 Instron 9350全自動落錘沖擊試驗機Fig. 1 Instron 9350 automatic drop hammer impact test machine

1.3 沖擊后壓縮實驗

沖擊后壓縮實驗參照ASTM D 7137—2007進行，在沖擊后壓縮試樣正反兩面背對背粘貼4個應變計，使應變片的中心距離試樣上邊緣和側邊緣25 mm，貼片位置如圖2所示。沖擊后壓縮實驗在INSTRON 5985試驗機上進行，試樣夾持狀態如圖3所示。加載速率為1.25 mm/min，加載至最大值，并且載荷掉落至最大載荷的30%時，停止實驗。

圖 2 應變片貼片位置示意圖Fig. 2 diagram of patch position of strain slice

圖 3 沖擊后壓縮實驗夾持狀態Fig. 3 Clamping state of compression test after impact

2 結果與分析

2.1 損傷阻抗性能

損傷阻抗性能是指抵抗沖擊的能力，可用復合材料沖擊后壓縮實驗的沖擊能量-凹坑深度曲線表征。將A，B，C三組試件沖擊后的凹坑深度與沖擊能量作圖，沖擊能量-凹坑深度曲線如圖4所示。從圖4可看出，A，B，C三組試件的沖擊能量-凹坑深度關系曲線均存在拐點，在拐點之前，沖擊能量增大，凹坑深度增長緩慢，在拐點之后，隨著沖擊能量的增加，凹坑深度快速增長，表明復合材料在拐點附近損傷阻抗性能發生了突變。出現這種現象的原因為：在拐點以前，沖擊損傷只引起層合板少量的分層，而在出現拐點之后，復合材料中出現纖維斷裂的現象，導致復合材料層壓板基本失去了繼續抵抗沖擊的能力，從而出現沖擊能量增加，復合材料凹坑深度快速增長的現象。三組試件沖擊能量-凹坑深度關系曲線拐點位置為：A組0.70 mm，B組0.76 mm，C組0.45 mm，均小于BVID對應的凹坑深度。從圖4還可看出，同一沖擊能量下，產生的凹坑深度為C組 ＜ B組 ＜ A組，表明相同鋪層條件下，層合板厚度越大，抵抗沖擊性能越好，即損傷阻抗性能越好。

圖 4 沖擊能量-凹坑深度關系曲線Fig. 4 Relation curves of impact energy vs. dent depth

將實驗結果用數據分析軟件進行擬合，擬合曲線如圖4所示，擬合公式及相關性如表2所示。后續可根據擬合公式計算該材料在不同沖擊能量下的凹坑深度。

表 2 試件沖擊能量（x）-凹坑深度（y）曲線擬合公式Table 2 Fitting formula of impact energy （x）-dent depth（y） curve

2.2 損傷容限性能分析

損傷容限是材料或結構在受到損傷后保證安全性的能力，即材料受到沖擊損傷后剩余壓縮強度或壓縮破壞應變，可由凹坑深度-剩余壓縮強度和凹坑深度-壓縮破壞應變曲線表示。

將A，B，C三組試件凹坑深度-剩余壓縮強度、凹坑深度-破壞應變實驗數據作圖，并用數據分析軟件進行擬合，凹坑深度-剩余壓縮強度如圖5所示，凹坑深度-破壞應變曲線圖如圖6所示。從圖5可看出，A，B，C三組試件凹坑深度-剩余壓縮強度曲線也存在拐點，在拐點之前，剩余壓縮強度隨著凹坑深度的增加而迅速下降，而拐點之后隨凹坑深度的增加而緩慢下降后趨于不變，且A組拐點位置為0.70 mm，B組0.76 mm，C組0.45 mm，與損傷阻抗性能研究中的沖擊能量-凹坑深度關系曲線中出現的拐點一致。對于沖擊后產生同一凹坑深度時，其剩余壓縮強度表現為：C組 ＞ B組 ＞ A組，表明同一鋪層比例條件下，復合材料層合板厚度越大，其損傷容限性能越好。圖6中凹坑深度-破壞應變曲線與圖5規律一致。

圖 5 凹坑深度-剩余壓縮強度關系曲線Fig. 5 Relation curves of dent depth vs. residual compression strength

圖 6 凹坑深度-破壞應變關系曲線Fig. 6 Relation curves of dent depth vs. failure strain

將實驗結果用數據分析軟件進行擬合，凹坑深度（x）-剩余壓縮強度（y）曲線擬合公式及相關性如表3所示，凹坑深度（x）-破壞應變（y）曲線擬合公式及相關性如表4所示。可根據擬合公式計算該材料在不同凹坑深度下的剩余壓縮強度和破壞應變，方便結構設計。

表 3 凹坑深度（x）-剩余壓縮強度（y）曲線擬合公式Table 3 Fitting formula of dent depth （x）-residual compression strength （y） curve

表 4 凹坑深度（x）-破壞應變（y）曲線擬合公式Table 4 Fitting formula of dent depth （x）-destruction strain（y） curve

2.3 材料許用值 CAI與結構設計許用值 CAI

材料許用值中的CAI是按照6.7 J/mm能量沖擊后得到的沖擊后壓縮強度，可用CAI6.7J/mm表示。結構設計許用值中CAI是產生目視勉強可見損傷（BVID）時的沖擊后壓縮強度，即沖擊后產生1.3 mm凹坑深度時的沖擊后壓縮強度，可用CAIBVID表示。將三組試件的CAI6.7J/mm與CAIBVID列于表5中。從表5可看出，三組試件均表現為CAIBVID值低于CAI6.7J/mm。隨著材料性能的提高，目前國內的T800級復合材料6.7 J/mm的沖擊能量一般均無法出現BVID，因此，需要在材料許用值研究階段考慮產生BVID時的沖擊能量及剩余壓縮強度。

將三組試件產生BVID（凹坑深度1.3 mm）時所需要的沖擊能量作圖并進行曲線擬合，擬合結果如圖7所示。從圖7可知，材料厚度與其目視勉強可見沖擊損傷（1.3 mm）所需沖擊能量基本成線性關系，線性關系式為Y = 14.5623X - 21.1907。目前，在進行新研復合材料沖擊后壓縮設計許用值實驗時，通常的做法是先通過大量的試件去實驗得出產生BVID時所需能量值，而本研究給出厚度與產生BVID所需沖擊能量關系式后，進行沖擊后壓縮設計許用值實驗時可先根據公式進行初步計算，得出所需的沖擊能量，然后通過少量試件進行實驗校核，這樣就可以避免浪費大量試件，節約成本，提高效率。

表 5 復合材料層合板的CAI6.7 J/mm與CAIBVIDTable 5 CAI6.7 J/mm and CAIBVID of composites

圖 7 材料厚度-產生BVID所需能量關系曲線Fig. 7 Relation curves of thickness vs. energy of BVID

3 結論

（1）國產T800級復合材料層合板的損傷阻抗性能（沖擊能量-凹坑深度曲線）與其損傷容限性能（凹坑深度-剩余壓縮強度曲線，凹坑深度-壓縮破壞應變曲線）均出現拐點現象，且拐點對應凹坑深度均小于目視勉強可見損傷（BVID）規定的凹坑深度。

（2）相同鋪層情況下，隨著復合材料層合板厚度的增加，復合材料抗沖擊性能提高。

（3）對于國產T800級復合材料，CAI6.7J/mm值高，而CAIBVID值低，因此在選材時要考慮產生BVID時的剩余壓縮強度。