航空用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料低溫環(huán)境下彎曲性能變化研究

緱建杰，熊俊，朱麗，羅海林，向海

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要由樹脂基體、碳纖維和上漿劑構(gòu)成：碳纖維主要承受應(yīng)力，樹脂基體起到傳遞應(yīng)力的作用；上漿劑是碳纖維和基體之間的過渡，起到增強(qiáng)樹脂和碳纖維粘接強(qiáng)度、改善界面性能的作用。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量，并在耐疲勞性能、抗沖擊性能、減震性能、耐腐蝕性能、耐高低溫性能等方面都有顯著的優(yōu)點(diǎn)，在航空行業(yè)應(yīng)用廣泛[1-3]。當(dāng)飛機(jī)在高空環(huán)境使用過程中，機(jī)身將長期服役于-50 ℃的低溫環(huán)境中，會承受彎曲等多種應(yīng)力的作用，因此，研究低溫環(huán)境下的彎曲性能變化具有重要意義[4-9]。由于復(fù)合材料彎曲試驗(yàn)方法的載荷狀態(tài)復(fù)雜，影響因素多，材料同時承受壓縮、拉伸和剪切載荷，與拉伸和壓縮試驗(yàn)相比，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，加載點(diǎn)附近的應(yīng)力狀態(tài)尤為復(fù)雜，可能發(fā)生的破壞形式多，且基于彎曲梁理論，不能夠在計算中體現(xiàn)出剪切影響[10-15]。為此，文中結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析研究了壓頭半徑、跨厚比、以及壓頭與試樣之間有無塑料薄膜襯墊等因素對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料低溫環(huán)境下彎曲性能測試數(shù)據(jù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

原材料為相同工藝條件下制作的中溫固化環(huán)氧碳纖維增強(qiáng)改性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料單向?qū)訅喊鍙澢嚇樱鐖D1所示。

1.2 試驗(yàn)過程

圖1 彎曲試驗(yàn)加載示意Fig.1 Loading diagram of bending test

將試樣在低溫環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行-50 ℃低溫試驗(yàn)3 h后，使用5982型100 kN英斯特朗電子萬能試驗(yàn)機(jī)對其彎曲性能進(jìn)行測試，并與室溫條件下的彎曲性能進(jìn)行對比。彎曲強(qiáng)度與其破壞形式密切相關(guān)，ASTM D 790—2017規(guī)定試樣下表面拉伸破壞為有效。影響彎曲試樣破壞形式的因素主要包括：壓頭半徑、跨厚比、試樣表面狀態(tài)、試驗(yàn)速率、試樣受力狀態(tài)等。其中，當(dāng)試驗(yàn)跨厚比L/h確定后，試驗(yàn)速度（R=ZL2/6h，Z為外層纖維的應(yīng)變速率，Z=0.01）也隨之確定。ASTM D 790—2017推薦的壓頭半徑為5 mm，如果發(fā)生加壓失敗或出現(xiàn)明顯的壓痕，其半徑還應(yīng)更大，加載頭的半徑最大不超過試樣厚度的4倍?？绾癖冗x擇應(yīng)以三點(diǎn)彎曲試樣縱向拉伸破壞和層間剪切破壞同時發(fā)生的臨界跨厚比L/h=σ/2τb為依據(jù)，由此確保試樣彎曲破壞首先發(fā)生在最外層纖維層來確定。對于復(fù)合材料，其面內(nèi)剪切強(qiáng)度較低，而平行于支撐跨距的抗拉強(qiáng)度相對較高，ASTM D 790—2017推薦采用跨厚比 32:1，但要求失效模式為外表面拉伸破壞，允許調(diào)整跨距。彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)中，壓頭與試樣剛性接觸，過度應(yīng)力集中將引起材料過早失效。文中結(jié)合ASTM D 790—2017試驗(yàn)方法，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法對復(fù)合材料層壓板施加載荷，在試樣中央或中間部位形成彎曲應(yīng)力分布場，測試層壓板的彎曲性能，試驗(yàn)方案見表1。

表1 彎曲強(qiáng)度測試方案Tab.1 Test scheme for bending strength

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù) ASTM D 790—2017計算其室溫及低溫環(huán)境下不同試驗(yàn)方式的彎曲性能。

彎曲強(qiáng)度計算公式為：

式中：σf為彎曲強(qiáng)度，MPa；P為試樣破壞時的最大載荷，N；L為支撐跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 改變壓頭半徑

當(dāng)跨厚比L/h=60:1、試樣袋面向上以及壓頭與試樣之間無塑料薄膜襯墊時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣在壓頭半徑R為5、10 mm的情況下進(jìn)行室溫及低溫-50 ℃彎曲性能測試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可以看出，隨壓頭半徑的增加，彎曲強(qiáng)度略有增加，但波動性變小。R=5 mm時的破壞形式為部分壓頭處破壞，部分下表面拉伸破壞，低溫環(huán)境比室溫環(huán)境平均彎曲強(qiáng)度下降 15%左右。R=10 mm時的破壞形式均為試樣中間斷裂，低溫環(huán)境比室溫環(huán)境平均彎曲強(qiáng)度下降8%左右。這是由于壓頭半徑小時，壓頭與試樣接觸面積減小，應(yīng)力較為集中，因此很容易引起壓頭處材料的過早破壞從而導(dǎo)致低溫對其彎曲性能影響較大。

表2 低溫-50 ℃與室溫環(huán)境下不同壓頭半徑對彎曲性能的變化（L/h=60:1）Tab.2 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and room temperature when changing the radius of head (L/h=60:1)

2.2 改變跨厚比

在壓頭半徑R=5 mm、試樣袋面向上以及壓頭與試樣之間無塑料薄膜襯墊時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣在跨厚比L/h為32:1、40:1和60:1的條件下進(jìn)行室溫與低溫-50 ℃彎曲性能對比，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3中可以看出，隨著跨厚比的增加，彎曲強(qiáng)度均值成遞增趨勢，且彎曲強(qiáng)度波動性變小。L/h為 32:1和 40:1時，失效形式為試樣中部斷裂；L/h=60:1時，失效形式為部分壓頭處破壞，下表面未斷，部分下表面拉伸破壞，隨著溫度的降低，彎曲性能也有不同的變化。這是由于隨著跨厚比的增加，試樣的彎曲強(qiáng)度也不斷增加，而剪應(yīng)力卻逐步下降；溫度對不同跨厚比時彎曲性能的影響不大。

2.4 增加塑料薄膜襯墊

在壓頭半徑R=5 mm、試樣袋面向上、L/h=32:1時，其他條件相同的情況下，分別對5個試樣增加塑料薄膜襯墊（單層），在室溫及低溫-50 ℃條件下進(jìn)行彎曲性能測試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4中可以看出，當(dāng)使用塑料薄膜襯墊時，試樣的彎曲強(qiáng)度均值均明顯增加，低溫環(huán)境下的試樣彎曲強(qiáng)度變化不明顯，且試樣的失效形式均表現(xiàn)為下表面拉伸破壞。

表3 低溫-50 ℃與室溫環(huán)境下不同跨厚比時彎曲性能的變化Tab.3 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and at room temperature with different L/h

表4 低溫-50 ℃與室溫環(huán)境下增加塑料薄膜襯墊時彎曲性能的變化Tab.4 Change of flexural property at low temperature -50 ℃ and at room temperature with plastic film gasket

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

1）隨著溫度的降低，高分子基體變脆，試樣韌性下降，因此導(dǎo)致彎曲性能降低。如需測量溫度對試樣彎曲性能的影響，建議選擇壓頭半徑較小，無塑料薄膜襯墊，跨厚比L/h為32:1的試驗(yàn)方案。

2）壓頭半徑的大小直接影響到試驗(yàn)過程中剪切力對試驗(yàn)結(jié)果的影響，壓頭半徑小時，很容易引起壓頭處材料的過早破壞而影響彎曲強(qiáng)度，有時甚至可以使承壓處材料產(chǎn)生擠壓-剪切破壞，且低溫對壓頭半徑小的試樣影響最為顯著。

3）對于復(fù)合材料，其面內(nèi)剪切強(qiáng)度較低，而平行于支撐跨距的抗拉強(qiáng)度相對較高，增大跨距將使彎曲強(qiáng)度值增加，但未發(fā)生明顯變化。適當(dāng)?shù)卦黾涌绾癖?，可防止試樣的外層纖維出現(xiàn)過早破壞，提升纖維在試樣表面僅僅由于彎曲力矩而破壞的概率。

4）增加一層塑料薄膜襯墊會顯著降低試樣上表面壓頭部位的應(yīng)力集中，試樣更容易發(fā)生下表面拉伸破壞，獲得較高的彎曲強(qiáng)度。且增加塑料薄膜后，低溫環(huán)境對試樣彎曲性能影響最小。