飛行器用KT31/HFW285SA層壓板不同環境下的力學性能

俞 敏 李笑喃

（江蘇集萃碳纖維及復合材料應用技術研究院有限公司，江蘇 常州 213002）

隨著人們對飛行器性能的要求越來越高，相關結構的設計標準也越來越嚴格，傳統的材料難以滿足飛行器各部位對性能的要求，碳纖維復合材料憑借比強度高、比模量高等特性受到青睞。例如某型無人直升機平尾采用EM103/HFW285SA/52和Rohace1151WF整體共固化成型。但由于樹脂本身耐高/低溫性能、耐濕/熱性能以及斷裂韌性較低，會影響碳纖維復合材料在某些特殊部位的推廣應用。因此，須對新開發的碳纖維復合材料的力學性能進行研究，擴大復合材料在飛行器上的應用范圍。

該文擬通過徑向/緯向拉伸、壓縮、彎曲試驗以及層間、縱橫剪切試驗全面探究環境溫度對KT31/HFW285SA層壓板力學性能的影響。試驗研究了層壓板在室溫干態（23 ℃）、低溫干態（-55 ℃）及高溫濕態（130 ℃）3種狀態下的強度和模量，為飛行器的輕量化設計和可靠性分析提供了基礎數據。

1 試驗部分

1.1 試驗項目

該試驗所進行的試驗項目見表1。

表1 層壓板力學性能試驗項目

1.2 試驗件

試驗件材料KT31樹脂（RTM用）屬于高溫固化環氧樹脂體系，碳纖維織物為HFW285SA緞紋布。試驗件由江蘇集萃碳纖維及復合材料應用技術研究院制備，由第三方檢測機構進行試驗。

試驗前根據試驗標準的要求對試驗件的外觀、尺寸進行檢驗、測量和記錄，結果表明，試驗件均為合格試樣。

試驗件鋪層、尺寸和數量見表2。

表2 試驗件鋪層、尺寸及數量

1.3 試驗件狀態調節

在試驗前，試樣在試驗室標準環境下（溫度為（23±3） ℃，濕度為（50±10）% RH）至少放置24 h。

根據《樹脂基復合材合板濕熱環境濕熱試驗方法》（HB 7401—1996）的要求完成濕態試驗件狀態調節工作。濕態試驗件狀態調節環境如下：（70±3） ℃、（85±5）% RH。首先，將伴隨件稱重（）。其次，連同其他試驗件一起放入濕熱試驗箱，設置環境箱溫度為70℃、相對濕度為85%。最后，對試驗件進行吸濕狀態調節，根據標準要求對伴隨件稱重并記錄，直到連續3次對伴隨件稱重得到的吸濕速率連續兩天內吸濕量的變化均小于等于0.02%），連續測出三次也就是至少測4天，其中每個連續的兩天的結果都滿足，即達到吸濕飽和狀態，此時停止狀態調節。試驗件的吸濕量如公式（1）所示。

式中：W為試驗件的吸濕量，%；M為第次稱量的試驗件質量，g；為試驗件工程干態質量，g。

1.4 試驗測試

該文的試驗測試共包括3種試驗環境條件：1） 室溫干態。溫度為23 ℃，濕度為（50±10）% RH。2） 低溫干態。溫度為-55 ℃。3） 高溫濕態。溫度為130 ℃（試驗件須根據第1.3.2節完成濕態試驗件狀態調節工作）。試驗前根據試驗標準的要求對試驗件進行測量、檢驗和記錄，如果存在缺陷和不符合尺寸及制備要求的試驗件，就對其進行作廢處理。

低溫干態和室溫干態試驗采用應變計測量應變，高溫濕態采用引伸計測量應變。應變計均采用中航電測生產的室溫應變計（BE120-3AA或BE120-2BB）和低溫應變計（BA120-3AA150）。應變數據由ST-16數據采集儀采集。

對在130 °C和-55 °C溫度條件下進行性能測試的試樣來說，相關試驗均在力學試驗機高低溫環境箱中進行。在高溫試驗的過程中，當環境箱內溫度達到指定的溫度后，保溫2 min～3 min，將試樣溫度保持在所需試驗溫度的±3 ℃范圍內再進行試驗。在低溫試驗的過程中，當環境箱內溫度達到指定的溫度后，保溫5 min～6 min，將試樣溫度保持在所需試驗溫度的±3 ℃范圍內再進行試驗。

根據《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 3354—1999）的要求進行經向/緯向拉伸試驗，根據如圖1所示的位置背靠背地粘貼在應變計上。以2 mm/min的速率對試驗件進行連續加載并采集載荷-應變數據，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。在1 000 me～3 000 me的縱向應變區間內測得拉伸模量。

圖1 經向/緯向拉伸試驗件貼片圖（單位：mm）

根據根據相關標準的要求進行經向/緯向壓縮試驗。根據如圖2所示的位置背靠背地黏貼應變計。以1 mm/min的速率對試驗件進行連續加載并采集載荷-應變數據，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。在1 000 με～3 000 με的縱向應變區間內測得拉伸模量。

圖2 壓縮試驗件貼片圖（單位：mm）

根據《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》（GB/T 1449-2005）的要求進行經向/緯向彎曲試驗。以1.0 mm/min的加載速率對試驗件施加壓縮載荷，直至彎曲應變超過5 000 με，此后將加載速率提高至5.0 mm/min，連續加載，直至試驗件破壞并記錄試驗件的破壞載荷和破壞模式。經向/緯向彎曲試驗狀態如圖3所示。

圖3 彎曲試驗狀態

根據《纖維增強塑料 短梁法測定層間剪切強度》（JC/T 773—2010）的要求進行層間剪切試驗。以1 mm/min的加載速率對試驗件進行連續加載，直到載荷下降至最大載荷的30%為止，記錄試件的破壞載荷和破壞模式。短梁剪切試驗狀態如圖4所示。以2 mm/min的速率對試驗件進行連續加載，采集載荷-應變數據，直至試件破壞并記錄破壞載荷和失效模式。

圖4 層間剪切試驗狀態

根據相關標準的要求進行縱橫剪切試驗，根據如圖5所示的位置背靠背地粘貼在應變計上。以2 mm/min的速率對試驗件進行連續加載，采集載荷-應變數據，直至試件破壞并記錄試驗件的最大載荷和破壞模式。

圖5 縱橫剪切試驗件貼片圖（單位：mm）

2 試驗結果

KT31/HFW285SA層壓板在不同環境狀態下試件強度和模量試驗結果的統計值見表3。空白部分數據缺失（在130 ℃環境下應變片黏接強度低，無法測量應變數據，無法計算模量以及特定應變下的強度）。拉伸試驗采用高溫引伸計測得相關數據。

表3 力學性能試驗結果統計值

由表2可知，KT31/HFW285SA層壓板強度性能表現良好，所有強度性能均達到指標要求（表1）。其中，經向拉伸強度超過指標最低要求值的41.3%，緯向拉伸強度超過指標最低要求值的52.0%，經向壓縮強度超過指標最低要求值的4.0%，緯向壓縮強度超過指標最低要求值的10.7%，經向彎曲強度超過指標最低要求值的63.4%，緯向彎曲強度超過指標最低要求值的65.4%，縱橫剪切超過指標最低要求值的4.6%，層間剪切強度超過指標最低要求值的7.7%。除緯向壓縮模量外，KT31/HFW285SA層壓板所有模量性能均達到指標要求。其中，緯向模量指標最低要求值為60.0 GPa，其實際測量值為59.3 GPa，略低于指標的最低要求值。

3 結語

綜合測試結果可見，經過濕熱環境處理后的H301RTM/HFW285SA層壓板的力學性能會明顯受環境溫度的影響。該文通過試驗得出以下4個結論：1） 在經歷短時低溫（-55℃）后，層壓板的拉伸強度、彎曲強度以及模量的值均比室溫干態環境下低，最高下降了12.4%；層壓板的壓縮強度、剪切強度的值比室溫干態環境下高，最高上升了51.1%。2） 在經歷短時高溫（130 ℃）后，層壓板的拉伸強度的值比室溫干態環境下高，最高上升了11.8%；其余性能的值都比室溫干態環境下低（其中，剪切強度下降最明顯）。3） 有必要進一步研究H301RTM/HFW285SA層壓板長期處于高溫或者低溫狀態下的力學性能。4） 初步判斷材料的基本性能滿足需求，需要進一步進行設計與許用值相關的開孔拉神、開孔壓縮、螺栓擠壓以及沖擊后壓縮試驗等，以便更全面地對材料進行評價。