鋪層方向對碳纖維泡沫夾芯結構抗沖擊性能的影響

丁一寧，佟 剛，楊 麗，楊 康，王 鋒，張子傲

(1.沈陽航空航天大學 航空宇航學院，沈陽 110136；2.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心 制造檢查室，沈陽 110043;3.遼寧通用航空研究院 設計部，沈陽 110136)

碳纖維復合材料有巨大的潛在價值，是航空航天材料輕量化發展的重要方向。飛行器的主要承力件均涉及低速沖擊問題，所以抗沖擊能力是航空材料設計的一個關鍵問題。碳纖維復合材料抗沖擊性能差，等體積下相較于其他材料剛度低[1-2]；傳統金屬材料密度大，具有更大的質量，需要更強大的推進能力。同時金屬材料制備工藝冗長且成本更大，具有較弱的抗腐蝕性，很難滿足嚴苛飛行條件下的設計要求。相較于碳纖維復合材料，碳纖維泡沫夾芯結構在抗沖擊應用中顯示出更優的比剛度和比強度，且能有效地減輕質量，成為飛行器輕量化設計的良好選擇。

傳統的碳纖維泡沫夾芯結構相比傳統金屬材料更敏感，在受到低速沖擊后，夾芯結構存在層間強度低、易分層、基體開裂和面芯界面脫粘等問題，其在受到沖擊后壓縮強度降低，嚴重影響了復合材料的整體性和夾芯結構的穩定性[3]。因此，如何提高碳纖維泡沫夾芯結構的抗低速沖擊能力已成為復合材料界關注的熱點。國內外學者通過試驗、仿真對泡沫夾芯復合材料的抗低速沖擊性能進行了大量的研究。曹海建等[4]、Davies等[5]及孫子恒等[6]通過低速沖擊的方法對不同復合材料抗沖擊性能進行研究。Tomasz等[7]比較不同沖擊能量對缺陷層合板造成的損傷，分析了鋪層順序對損傷形式的影響。Abrate等[8]通過研究發現,由于復合材料夾芯結構的芯材吸收了大部分沖擊能量，比復合材料層合板表現出更顯著的抗沖擊性能。Crupi等[9-11]制備多種復合材料夾芯結構，并利用落錘試驗機進行低速沖擊試驗，利用三維計算機斷層掃描等方法對試驗件的損傷情況進行研究。王遙等[12]研究了不同能量沖擊后復合材料的抗壓縮能力及失效形式，測定單螺栓對層合板抗壓縮能力的修復能力。

國內外的相關研究取得一定進展，但有關不同鋪層方向對泡沫夾芯結構的抗沖擊性能的測試研究鮮有報道。本文通過制備不同鋪層順序的碳纖維泡沫夾芯結構并對其進行不同沖擊能量落錘沖擊試驗，試驗后對沖擊損傷區域進行超聲C掃分析，最終得出沖擊能量和鋪層順序對泡沫夾芯結構沖擊損傷的影響，為泡沫夾芯結構的設計提供理論參考和數據支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗件的制備

本次試驗的試件為碳纖維復合泡沫夾芯結構，碳纖維編織布牌號W-3021FF，泡沫材料編號H60的試驗件均采用手糊真空袋壓工藝。該泡沫夾芯板增強纖維材料的鋪層、泡沫厚度情況如表1所示，成型后的復合材料夾芯試驗件采用水切割機切割成150 mm×100 mm的標準試件(如圖1所示)，試件的結構示意圖如圖2所示。

圖2 試件結構示意圖

表1 不同泡沫夾層板的鋪層方式

圖1 標準試件尺寸及沖擊位置示意圖

1.2 試驗方法

此次試驗為ASTM D7136標準試驗，采用落錘沖擊損傷，如圖3a所示。試件支撐窗口尺寸為125 mm×75 mm，沖擊物為鋼質半球型沖頭，沖頭直徑為20 mm，錘頭質量5.5 kg，使用不同的沖擊能量，試驗環境溫度/濕度為25 ℃/40%RH。用夾頭夾住試件邊緣，試驗中沖擊能量設置為10.58、21.17、31.75、42.34J。為提高試驗可靠性，每組測試的多個試件結果都要取平均值。沖擊損傷檢測采用超聲C掃描的方法表征沖擊后的損傷特征，如圖3b所示。

圖3 試驗設備和過程

2 試驗結果

2.1 沖擊能量的影響

試件沖擊損傷典型圖如圖4所示。由圖4可知，隨著沖擊能量的提高，試件受沖擊區域表面出現損傷情況越明顯。當沖擊能量為10.58J時，試件表面出現輕微的凹痕，在42.34J時，B02、B03、B04組試件被完全穿透，觀察被沖擊壓碎的泡沫，上面板產生了X形破壞痕跡;B01組試件上面板也出現了少量的纖維斷裂，未完全失效。所有試件的被沖擊處均可觀察到沿45°方向的纖維裂紋。

圖4 試驗件B03在不同能量下沖擊損傷典型圖

在完成低速沖擊試驗后，采用超聲C掃描對試樣損傷的深度和直徑進行測試。圖5、圖6是B03在不同能量下沖擊損傷深度和損傷面直徑的超聲C掃結果，表2、表3 分別為各組試件在不通沖擊能量下沖擊損傷區域深度和表面損傷直徑的數據，可知各組試驗件在不同沖擊能量下沖擊損傷區域深度與面積的變化規律相同，隨著沖擊能量的增大，試驗件沖擊損傷區域深度與損傷直徑均逐漸增大。

圖5 試件B03在不同沖擊能量的深度電鏡C掃典型圖

圖6 試件B03在不同沖擊能量下面直徑損傷的電鏡C掃典型圖

2.2 鋪層順序的影響

圖7、圖8分別為沖擊能量對不同鋪層順序試件沖擊深度和表面直徑的影響，由表2和圖7的試驗結果可知，在沖擊能量相同的情況下，B02和B03組的受沖擊深度最大，在21.17J時分別為3.04、3.72 mm，B01、B04組試樣的受沖擊深度最小，在21.17J時分別為1.51、1.57 mm。隨著沖擊能量的增加，B03、B02、B04相繼完成貫穿，B01增長相對緩慢，在42.34J時為2.21 mm。由表3、圖8的試驗結果可知，當受到能量較低的沖擊時，B02組試樣損傷面直徑最大，在10.58J時為10 800 μm，是B01、B03、B04組試件的1.5倍以上。隨著沖擊能量的增加，B01、B02增長速度較快，B03、B04增長速度緩慢，在42.34J時B01、B02直徑損傷較大，分別為14 800、16 801 μm；B03、B04較小，分別為12 302、11 300 μm，可以發現鋪層順序對試件抗沖擊能力有很大的影響。

表2 各個試件的深度損傷

表3 各個試件的表面的直徑損傷

對比圖7、圖8中B03和B04發現，在相同沖擊能量下B04的損傷更小；在沖擊能量不超過21.71J時，兩種鋪層順序的夾芯試驗件沒有出現明顯的損傷；當沖擊能量達到31.75J之后，B03的鋪層結構夾芯試驗件抗沖擊載荷能力明顯下降，B04的抗沖擊性更好；研究發現，增加±45°層數比例的鋪層結構可以提高夾芯試件的抗沖擊性能。在碳纖維編織布層數不同的情況下，對比試件B01與試件B03、B04，在相同沖擊能量下B01的深度損傷更小，在42.34J時仍未穿透，但損傷面的損傷直徑為三者最大，為14 800 μm。試驗結果發現，在相同沖擊能量下，夾芯試驗件碳纖維布排布層數越多，深度損傷程度越大，損傷面直徑越小。這是因為編織布鋪層的試樣每一層的纖維相互交織排布，存在交織點，所以抗分層能力隨纖維排布增多而增強。當沖擊能量增大到42.34J時，B03、B04深度損傷程度較大，試件被完全穿透，但由于更多纖維互相交錯，有效地抑制了裂紋向更大范圍擴展，沖擊能量集中在沖擊點附近，深度方向造成嚴重的局部損傷，所以損傷面的直徑比B01小得多。與之相比B01缺少更多的纖維排布，損傷的形式主要是分層，沿厚度方向的纖維斷裂較少[13-16]。

圖7 沖擊能量對不同鋪層順序試件沖擊深度的影響

圖8 沖擊能量對不同鋪層順序試件表面直徑損傷的影響

對比B02與B01、B03、B04表面的直徑損傷數據可以發現，試件B02表面損傷形狀不規則，其他對稱鋪層的試件表面損傷形狀更趨近于圓形。在受到不同能量沖擊后，B01、B03、B04組試樣損傷面積均小于B02組。因此采用對稱鋪層的面板結構設計會提高泡沫夾芯的抗沖擊能力。因為非對稱鋪層在固化過程中，層壓板層間熱膨脹系數不匹配，在熱應力的作用下，矩形的夾芯板會變形為拱形[17]，試件表面的直徑損傷會更嚴重。

3 結論

本文通過對不同鋪層的碳纖維復合材料泡沫夾芯試件的抗低速沖擊性能研究，在4種沖擊能量下進行沖擊，并結合超聲C掃描對沖擊損傷區域的掃描結果得到如下結論：

(1)泡沫芯夾芯結構損傷面直徑和深度隨沖擊能量的增加而增加，但沖擊達到一定程度后會趨于飽和；

(2)在碳纖維編織布層數相同的情況下，在鋪層結構中增加±45°鋪層比例，能夠提高夾芯試驗件的抗沖擊性；

(3)在相同能量下，夾芯試驗件碳纖維布排布層數越多，深度損傷程度越大，損傷面直徑越小，試驗件的抗分層能力隨纖維排布增多而增強；

(4)夾芯試驗件在非對稱鋪層順序下會大大降低抗沖擊性能。