2.5維機織復合材料沖擊剩余強度試驗研究

王柱成，溫衛東

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

為有效地減輕飛機質量和降低燃料成本,復合材料已廣泛應用于現代飛機的高科技部件。2.5維機織復合材料是一種新型碳纖維增強樹脂基復合材料，在制造、搬運、使用、維修過程中不可避免地會受到各種低速沖擊，復合材料內部會出現損傷。雖然沖擊損傷面積小，但是復合材料沖擊后的承載能力卻大不如前。同時隨著溫度的提升，樹脂的力學性能下降，導致了樹脂基復合材料的力學性能隨著溫度的提高而下降[1-3]。在溫度環境下受到沖擊后，2.5維機織復合材料力學性能的衰退更加顯著。因此，開展溫度環境下2.5維機織復合材料沖擊后剩余強度的試驗研究具有重要的工程意義。

對2.5維機織復合材料的試驗研究主要集中在室溫下靜載力學試驗。鄭君[4]通過對2.5維機織復合材料進行拉伸試驗，研究其力學性能及失效模式。試驗結果顯示：經向靜拉伸時2.5維編織復合材料的失效模式主要是經紗斷裂和緯紗基體開裂，應力應變曲線呈非線性趨勢。緯向拉伸時應力應變曲線呈線性，緯紗斷裂和經紗基體開裂是主要的失效模式。宋健[5]在溫度環境下對2.5維機織復合材料進行無損靜拉伸試驗。試驗結果表明2.5維機織復合材料經向拉伸時主要由經紗束承載，斷口在經紗和緯紗的交匯處，緯向拉伸時主要由平直的緯紗承載。

本文在20℃、140℃下分別對受到3 J、5 J能量沖擊后的2.5維機織復合材料進行經向拉伸試驗。通過分析試驗獲得的經向拉伸剩余強度，研究溫度和沖擊能量對2.5維機織復合材料力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

本文2.5維機織復合材料采用T300碳纖維為增強體，雙馬來酰亞胺QY8911-IV為樹脂基體。材料為淺交彎聯結構，見圖1。經紗排列密度為10根/cm，緯紗排列密度為3.5根/cm，緯紗層數為6層。委托天津工業大學織造，并由北京航空制造工程研究所經高溫RTM成型，試件尺寸如圖1所示。

本文的試驗在MTS809液壓伺服試驗機(力傳感器最大量程為250 kN)上完成。該設備自帶高溫加熱爐和水冷系統。試驗儀器如圖2所示。

由于目前尚沒有為T300/QY8911-IV樹脂基復合材料靜拉伸試驗及疲勞試驗制定統一標準，所以本文參考試驗標準ASTM D3039(《聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》)[6]對試驗作如下規定：

對于室溫靜態拉伸試驗，按1mm/min加載速率拉伸至試驗件斷裂；對于高溫環境下靜態試驗，將試驗件一端置于試驗機上夾頭夾緊(下端懸空以保證試件在升溫過程中可自由膨脹)后按10℃/min溫升速率，將加熱爐溫度從室溫升至目標溫度，保溫30 min，使試驗件溫度均勻。在此狀態下開始采集數據并按1mm/min加載速率拉伸至試驗件斷裂。

圖1 2.5維機織復合材料結構示意圖及試件尺寸圖

圖2 MTS809液壓伺服試驗機

2 試驗結果與分析

2.1 20 ℃下經向剩余強度試驗結果

圖3為20℃下不同能量沖擊后試驗件的經向拉伸斷口正面照片。從照片中可以看出，試驗件在沖擊凹坑的垂直方向斷裂，沒有發現明顯的頸縮現象。斷口集中在經、緯紗交匯處，大面積經紗束出現縱向斷裂，斷口比較齊整。圖4為20℃下受到不同沖擊能量的試驗件在靜拉伸過程中的載荷-位移曲線。從圖中可以看出，不同的沖擊能量沖擊后2.5維機織復合材料的拉伸載荷-位移曲線呈現擬線性變化。

圖3 20 ℃不同沖擊能量沖擊后剩余強度試驗件

表1為20℃時，在不同沖擊能量沖擊后的2.5維機織復合材料經向拉伸平均剩余強度。2.5維機織復合材料受到3J能量沖擊后的平均經向剩余強度為220.04MPa，受到5 J能量沖擊后剩余強度為181.55MPa。20℃時試驗件的經向拉伸剩余強度隨著沖擊能量的增加而不斷降低。

圖4 試件受不同能量沖擊、20 ℃下的 經向拉伸載荷-位移曲線

表1 不同沖擊能量沖擊、20 ℃下經向拉伸平均剩余強度

2.2 140 ℃下經向剩余強度試驗結果

圖5給出了140℃下受到3種沖擊能量后的2.5維機織復合材料試驗件的拉伸載荷-位移曲線。受到2種沖擊能量試件的載荷-位移曲線都大致呈弱線性趨勢，與常溫時含初始損傷的 2.5維機織復合材料的拉伸破壞過程相似。

140℃時，在不同沖擊能量沖擊后的2.5維機織復合材料試驗件的經向拉伸剩余強度見表2。2.5維機織復合材料受到3J能量沖擊后的平均經向剩余強度為213.74MPa，受到5 J能量沖擊后剩余強度為167.89MPa。經向拉伸剩余強度隨著沖擊能量的增加而不斷降低，這個規律與環境溫度為20℃時的結果一致。

圖5 試件受不同能量沖擊、140 ℃下的 經向拉伸載荷-位移曲線

表2 不同沖擊能量沖擊、140 ℃下經向拉伸剩余強度

以同樣溫度下3J能量沖擊后經向拉伸剩余強度為基準，表3給出了20℃、140℃下5J能量沖擊后2.5維復合材料經向拉伸剩余強度降低率。20℃時，與3J能量對比，5J能量沖擊后拉伸剩余強度下降了17.50%；140℃時，與3J能量對比，5J能量沖擊后拉伸剩余強度分別下降了21.45%。由此可見同樣溫度下，沖擊損傷對材料經向拉伸剩余強度的影響較大。表4給出了140℃下不同沖擊能量沖擊后材料經向拉伸剩余強度降低率。相對20℃，受3J能量后 140℃環境下拉伸剩余強度下降了2.86%。所以溫度的上升使拉伸剩余強度下降。

表3 不同能量沖擊后經向拉伸剩余強度降低率

表4 不同溫度下經向拉伸剩余強度降低率

3 結語

本文試驗方法研究沖擊能量、環境溫度對2.5維機織復合材料沖擊后剩余強度的影響規律，得到如下結論：

1) 溫度一定時，沖擊能量越大，經向拉伸剩余強度越小；

2) 沖擊能量一定時，經向拉伸剩余強度隨著溫度上升而降低；

3) 經向拉伸斷口集中在經、緯紗交匯處，大面積經紗束出現縱向斷裂，斷口比較齊整；由于沖擊凹坑的存在，使材料產生應力集中，所以斷口位置處于沖擊凹坑的垂直方向。