M21/T800復合材料層壓板擠壓性能研究

陸鵬鵬 王新年 金迪

摘要：采用ASTM D 5961標準試驗方法對M21/T800復合材料擠壓性能進行研究。對不同層壓板厚度、不同環(huán)境以及不同緊固件類型下的層壓板擠壓試驗結(jié)果進行了比較，對層壓板擠壓強度和破壞模式進行了總結(jié)。結(jié)果表明，由于層壓板的厚度和孔形式不同，單釘單搭接的極限擠壓強度在433.6-856MPa間，即最低值和最高值分別為433.6MPa和856MPa，差值接近一倍;M21/T800復合材料的擠壓強度受環(huán)境影響不大;常溫和濕熱環(huán)境擠壓強度相當;板厚較小的層壓板擠壓強度受釘類型的影響比較大，最大擠壓強度差值為174.01MPa。

關(guān)鍵詞：T800纖維;M21增韌樹脂;緊固件;復合材料層壓板;擠壓性能

中圖分類號：V258文獻標識碼：A 章編號：文001-5922（2019）04-0037-05

復合材料結(jié)構(gòu)設計連接設計不同于金屬結(jié)構(gòu)，復合材料連接部位孔邊應力分布較復雜，應力集中較嚴重，載荷分布更不均勻，連接部位通常是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，所以對于復合材料結(jié)構(gòu)，連接設計是結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且有必要的試驗作為技術(shù)支撐。復合材料層壓板釘孔擠壓強度是復合材料結(jié)構(gòu)設計的重要指標，賈普榮等人通過對碳纖維復合材料層壓板不同鋪層方向的試件進行打孔擠壓強度試驗，得出影響擠壓強度的主要因素。魏景超等研究了單面螺紋抽釘干涉配合對復合材料連接件擠壓強度的影響。

碳纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料是目前航空領(lǐng)域應用最廣泛的復合材料，在目前新研制的飛機結(jié)構(gòu)中已經(jīng)成為首選的結(jié)構(gòu)材料，M21是第3代增韌環(huán)氧樹脂，T800是高模高強碳纖維，M21/T800復合材料已經(jīng)成功應用在民用客機上，本文主要進行復合材料緊固件擠壓試驗，通過分析試驗結(jié)果，得出相應結(jié)論，為在飛機結(jié)構(gòu)上的連接設計提供參考，對發(fā)揮M21/T800復合材料的進一步應用有重要意義。

1實驗部分

1.1實驗材料

試驗中所用復合材料預浸料是美國Hexcel公司的高溫固化碳纖增韌環(huán)氧樹脂碳帶預浸料M21，所用緊固件是美國鎂鋁公司的鈦合金抗拉型100°沉頭高鎖螺栓以及單面連接螺紋緊固件。復合材料層壓板是采用預浸料鋪貼后熱壓罐成型的方法進行固化的，由中航工業(yè)西飛公司制造。

1.2試驗件

緊固件擠壓試驗件分為單釘擠壓試驗和雙釘擠壓試驗兩大類型，每種類型有17種構(gòu)型，其中每種構(gòu)型的單釘擠壓試驗有2組試驗件，一組為常溫環(huán)境試驗，另一組為濕熱環(huán)境試驗，雙釘擠壓只有常溫環(huán)境試驗。因此，單釘、雙釘擠壓試驗件共有17×3=51組，每組6件，共計51×6=306件。試驗件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.3試驗方法

緊固件擠壓試驗件是板條形狀（見圖1），有的是復材板與復材板搭接，有的是復材板和金屬板搭接，采用ASTM D5961方法B。試驗時直接把試驗件2端加持在試驗機的上、下夾頭中，施加拉伸載荷。試驗過程中記錄載荷一位移曲線，在曲線上確定0.2%割線載荷和變形，也可以確定最大擠壓載荷，并得到相應的擠壓應力。

由于緊固件一端為沉頭，一端為直孔螺帽，還有一些試驗件是兩種厚度，受力后試驗件2面變形不一致，因此，把引伸計安裝在試驗件側(cè)面，擠壓試驗照片如圖2所示。

2結(jié)果與討論

從單釘擠壓試驗平均值可以得到，由于層合板的厚度和孔形式不同，單釘單搭接的極限擠壓強度在433.6～856MPa間，如表1所示，即最低值和最高值分別為433.6MPa和856MPa，差值接近1倍，而且層合板厚度小的擠壓強度高于層壓板厚的擠壓強度;同時對于相同板厚的層壓板，平頭孔的擠壓強度高于沉頭孔的擠壓強度，高出約20%。

2.1試驗數(shù)據(jù)對比分析

1）不同環(huán)境試樣的試驗結(jié)果對比分析

對于同一種構(gòu)型，不同環(huán)境下的試樣，濕熱試驗擠壓應力結(jié)果與常溫試驗結(jié)果比較差異不大，如圖3所示，除了7050和7150類誤差為7%、7.25%外，其它類誤差均在5%以內(nèi)，而有9類濕熱值高于常溫值，表明濕熱變形可能使釘孔配合更為緊密。

2）不同層合板厚度試樣的試驗結(jié)果對比分析

對比常溫下4種不同層合板厚度的試樣：φ4mm高鎖螺栓的7070，7140以及φ5mm高鎖螺栓的7010，7030，結(jié)果如表2所示。

不同層合板厚度試樣的擠壓應力情況如圖4所示，相同釘直徑的試樣，試樣的擠壓應力隨著不同層合板厚度的增加而降低，且對于釘直徑小的試樣，擠壓應力隨著不同層合板厚度的增加下降明顯。

3）不同釘類型試樣的試驗結(jié)果對比分析

對比常溫下6組不同板厚的試樣：采用高鎖連接7030，7050，7070，7090，7120，7140以及采用抽釘連接的7040，7060，7080，7110，7130以及7150，結(jié)果如表3所示。

對于釘?shù)念愋蛠碚f，列出了同等條件下的6組數(shù)據(jù)，高鎖螺栓的擠壓強度高于抽釘，且釘類型的影響對于薄板擠壓強度影響比較大，如圖5所示，層合板厚度為1.84mm的7070與7080試樣，擠壓強度差值最大。對于厚板的影響相對較小。

2.2試驗件失效模式

與緊固件擠壓試驗標準ASTM D 5961給出的5種失效模式（如圖6所示）對照，本次擠壓試驗有3種失效模式，第1種是釘孔擠壓失效模式，這種失效模式主要出現(xiàn)在單釘單搭接、雙釘單搭接、雙釘雙搭接試驗件中，典型的失效狀態(tài)如圖7（a）、（b）、（C）所示。由于極限載荷的需要，緊固件產(chǎn)生了很大的偏轉(zhuǎn)使孔出現(xiàn)嚴重的擠壓破壞;第2種失效模式是剪出失效，主要發(fā)生在復合材料層壓板與金屬板的單釘雙搭試驗件中，這種連接形式層壓板不承受偏心力矩作用，孔擠壓強度高，使層壓板端部被剪出，典型失效模式如圖7（d）所示;第3種失效模式是孔擠壓損傷伴隨著緊固件軸向斷裂，這種現(xiàn)象主要發(fā)生在厚板的單釘單搭接試驗件中，是由于偏心力矩使緊固件繞兩板搭接面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使螺帽與層壓板之間產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，并隨著拉伸載荷的增加而增大，側(cè)向擠壓力在緊固件中又形成了軸向偏心拉伸載荷，由于螺紋根部存在較大的應力集中，導致緊固件在螺紋位置發(fā)生軸向斷裂，典型失效模式如圖7（e）所示。

3結(jié)論

1）對比濕熱環(huán)境與常溫環(huán)境下的擠壓破壞強度可知，對于擠壓試驗，環(huán)境對試驗結(jié)果的影響不大;

2）相同釘直徑的試樣，試樣的擠壓應力隨著層合板厚度的增加而降低，且對于釘直徑小的試樣，擠壓應力隨著層合板厚度的增加下降明顯;

3）對于釘?shù)念愋蛠碚f，高鎖螺栓的擠壓強度高于抽釘，且釘類型的影響對于層合板厚度較小的試樣影響比較大，對于層合板厚度較大的試樣影響相對較小。

4）對于相同層合板厚度、相同緊固件的試驗件，雙剪形式的擠壓強度要明顯高于單剪形式的擠壓強度。