碳纖維層合板低能量沖擊后靜強度試驗研究*

張夢濤，劉 峰，李雪江

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

碳纖維層合板因其較高的比剛度、比強度、可設計性強等特點，廣泛應用于航空航天領域。復合材料層合板易受到工具掉落、運輸過程中意外撞擊等低能量沖擊。通常這些低能量沖擊產生的損傷肉眼難以察覺，但此時層合板內部損傷可能較為嚴重，致使結構強度大幅下降[1-4]。因此，對沖擊后的復合材料層合板力學性能開展研究具有重要工程意義。

目前，國內外許多學者對沖擊后復合材料的性能進行了研究。朱煒垚[5]進行8種能量的低速沖擊和沖擊后壓縮試驗，研究了沖擊能量、沖擊損傷以及剩余壓縮強度之間的關系。程小全等[6-7]進行沖擊后壓縮試驗，研究壓縮破壞形式并建立剩余壓縮強度估算模型。上述學者主要研究了沖擊后復合材料的壓縮性能。黃智等[8]研究了不同溫度和能量對沖擊后剩余拉伸強度的影響，研究表明：沖擊能量越大，溫度越高，層合板剩余強度越低。桑潤輝等[9]對耦合高強鋼絲碳纖維(SCFRP)板進行沖擊后拉伸試驗，分析鋼絲對SCFRP板剩余拉伸強度的影響。袁瀟灑等[10]通過試驗研究混雜層板損傷機制以及沖擊后拉伸性能，試驗表明：混雜層板剩余拉伸強度與鋪層纖維方向有關。管清宇等[11]通過試驗研究不同類型沖頭和鋪層方式對拉伸剩余強度的影響，試驗表明：二者對拉伸剩余強度都存在一定影響。J.M.Koo等[12]指出，在沖擊能量不變的情況下，沖頭質量大小與剩余強度基本無關。上述學者從多種角度對剩余拉伸強度進行了研究，但沖擊能量變化對試件剩余拉伸強度的影響研究較少；因此需要開展這方面的研究工作，為復合材料的工程應用提供參考依據。

本文以T300 12K/164型單向帶碳纖維增強樹脂基復合材料層合板沖擊后的靜拉伸強度開展了試驗研究。設置試驗對照組，對典型力-位移拉伸曲線進行了分析，研究了沖擊能量與剩余拉伸強度的關系。

1 試驗方案

1.1 試件設計

采用南京玻纖院生產的T300/12K碳纖維作為增強纖維，國產164環氧樹脂作為基體，通過濕法鋪層常溫真空加壓工藝制作碳纖維層合板試件。參照GB/T 14153標準設計試件，試件尺寸如圖1所示。試件鋪層為[0]8,厚度為2 mm。采用數控加工方式制取長250 mm、寬25 mm的試驗樣品。沖擊點為試件的形心位置。沖擊試驗結束后，在試件兩端粘貼長50 mm、寬25 mm、厚1 mm的加強片，用于靜強度拉伸試驗。

1.2 低速沖擊試驗

參照GB/T 14153標準，采用萬測DIT152落錘沖擊試驗機開展試驗。沖擊裝置如圖2所示。沖擊頭端部為半球形，直徑16 mm，沖擊組件總質量為5.5 kg。橫梁上的機械裝置夾持沖擊組件，上升至指定高度后自由落下，進行沖擊試驗，可通過調節橫梁高度改變沖擊能量大小。沖擊試驗機自帶防反彈二次沖擊裝置。沖擊能量分別選擇10、15、20和25 J，對應的試驗件編號分別為C-10、C-15、C-20和C-25，未沖擊組試驗件編號為C-0。相應落錘高度依次為185.4、278.1、370.8和463.5 mm。

由于試件尺寸較小，無法直接固定在沖擊平臺上，因此在平臺上放置一個剛性板，使用C形夾將試件固定在剛性板上，避免試件在受沖擊時發生振動，減小試驗系統的能量耗散。試件夾持方式如圖3所示。

1.3 靜強度拉伸試驗

對沖擊后的試件進行靜強度拉伸試驗，選取C-0組試件進行對比試驗。靜強度拉伸試驗在萬測XY305電子萬能試驗機上進行，采用位移加載方式，加載速率為2 mm/min，同一能量下靜強度拉伸試件數量為5個。

2 試驗結果分析

2.1 沖擊后試件表面形貌分析

使用OLYMPUS-SZX7體視顯微鏡對沖擊后試驗件表面形貌進行拍攝。圖4所示為沖擊后各試驗組試件的典型表面形貌。由圖4可知，各試驗組試件正面的沖擊位置產生了近圓形凹坑，背面出現基體開裂和分層現象。C-10組試件損傷程度較輕，背面無明顯變化；C-15組試件沖擊面凹坑相對C-10擴大，基體損傷更明顯，試件背面出現輕微的分布基體短裂紋；C-20組試件凹坑直徑繼續增大，損傷程度加劇，試件背面出現長裂紋和輕微凸起；C-25組試件凹坑中的裂紋向周圍擴展，損傷面積進一步增加，背面高高隆起，基體開裂、纖維斷裂情況明顯。

圖5所示為各試驗組沖擊能量-凹坑面積均值曲線。由圖5可知，4組受沖擊試件的凹坑面積隨沖擊能量增加基本呈線性增加趨勢。沖擊能量達到15 J時，沖擊造成的應力導致碳纖維層合板進入漸進損傷過程，發生基體開裂、基體壓潰、纖維斷裂、纖維基體抽離等模式損傷，表現為曲線斜率增大；沖擊能量達到20 J時，由于試件厚度有限，且位于剛性板上方，試件受損后底部剩余剛度變大，凹坑面積增長速率減小，表現為曲線斜率略有下降；沖擊能量達到25 J時，基體裂紋向四周擴展，纖維斷裂和基體開裂等損傷程度加深，阻止損傷向試件厚度方向蔓延。

2.2 拉伸試驗結果分析

2.2.1 拉伸載荷-位移曲線

圖6所示為承受15 J能量沖擊后試件的拉伸載荷-位移曲線。曲線上標記的O、A、B點依次為原點、拉伸載荷損傷起始點、試件斷裂點。OA曲線呈線性特征。位移到達A點后，在拉伸載荷作用下試件進入損傷過程，出現拉伸載荷隨位移增大先突降再上升的振蕩現象。原因是試件鋪層方向為0°，拉伸破壞模式主要為纖維斷裂；此時試件中發生纖維的局部斷裂，造成試件承載力降低，拉伸載荷突降；同時試件中未斷裂的纖維開始承力，致使拉伸載荷再次上升。到達B點后，試件中的纖維全部斷裂，失去承載力。

圖7所示為5組試件拉伸載荷-位移典型曲線。由圖7可知，C-0組曲線基本為線性趨勢；C-10組沖擊能量較低，初始損傷程度較輕，因此峰值載荷有所下降，但載荷曲線趨勢基本與C-0組重合；另外3組試件趨勢基本一致。C-0～C-25各試驗組拉伸載荷峰值均值依次為52.61、47.75、41.11、33.43和20.90 kN，拉伸載荷峰值隨沖擊能量增大呈單調減小趨勢。各試驗組試件斷裂時的位移均值依次為4.01、3.79、3.63、3.29和2.88 mm，斷裂時位移隨沖擊能量增大呈單調減小趨勢。試件受到沖擊后，沖擊區域產生近圓形凹坑，出現基體壓潰、纖維基體抽離、纖維斷裂、基體開裂等損傷形式，層合板的局部剛度和承載能力下降，導致拉伸載荷也出現整體下降。后3組試件沖擊能量較高，試件內部產生較為嚴重的損傷，試件整體承載力明顯下降，與無損組曲線出現明顯的整體下降趨勢，且隨沖擊能量增大，試件斷裂位移不斷減小。

2.2.2 拉伸剩余強度與現象分析

試件的拉伸強度按照GB/T 1447—2005提供的方法計算，計算式如下：

(1)

式中，σt為拉伸強度；Pmax為試件斷裂前承受的最大載荷；b為試件寬度；d為試件厚度。

各組試件拉伸試驗結果見表1。已剔除差異過大的數據，保證數據的準確性。

表1 試件拉伸試驗結果

由表1可知，各試驗組拉伸強度依次為938.43、831.90、722.03、582.37和371.20 MPa；試件的剩余拉伸強度隨沖擊能量增大而不斷降低。沖擊能量-靜拉伸強度曲線如圖8所示，各沖擊組試件剩余強度相較未沖擊組依次下降11.35%、23.06%、37.94%、60.44%。C-25組試件拉伸強度驟減，原因可能是沖擊能量過大，裂紋向沖擊區域周圍迅速延伸，碳纖維在高能量沖擊損傷程度加劇，承載能力迅速下降。

試件斷裂形貌如圖9所示。受沖擊試件的斷口基本位于沖擊區域附近，這是由于試件受沖擊區域出現損傷，剛度發生突變，形成了薄弱區，應力較為集中；各組試件的斷口方向都與纖維方向垂直。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)沖擊試驗表明：試件沖擊區域正面出現近圓形凹坑，背面出現基體損傷和分層現象；4組沖擊試件的凹坑面積隨沖擊能量增加基本呈線性增加趨勢。

2)靜強度拉伸試驗表明：拉伸載荷峰值隨沖擊能量增大呈單調減小趨勢；斷裂時位移隨沖擊能量增大呈單調減小趨勢。

3)C-10～C-25組試件的剩余拉伸強度隨沖擊能量增大呈單調減小趨勢，依次下降11.35%、23.06%、37.94%、60.44%。

4)受沖擊試件的斷口基本位于沖擊區域附近，試件的斷口方向都與纖維方向垂直。