蜂窩夾層復合材料修補結構低速抗沖擊性能

李 娜, 路鵬程, 才 華, 張璟璇

（1．中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室, 天津 300300；2．中國民航大學 理學院, 天津 300300）

鋁蜂窩夾層復合材料結構具有比強度/比剛度高、耐腐蝕性能好、減震、儲能特性優異和可設計性強等優點，在航空航天、交通運輸、風力發電等領域得到了廣泛應用[1-2]。在航空領域，飛機水平安定面、副翼、水平尾翼、發動機消音板等部件均大量采用了玻璃纖維面板鋁蜂窩夾層復合材料結構，減輕了飛機結構質量，降低了設計和維護成本。在飛機服役過程中，鋁蜂窩夾層復合材料結構部件表現出優異的耐腐蝕、減震、耐疲勞的性能。最常見的損傷來源是外來異物的沖擊，如維修工具墜落、冰雹、鳥擊、跑道沙礫沖擊等[3-4]。沖擊載荷會對夾層結構面層和蜂窩芯造成嚴重損壞，并導致結構強度和剛度的降低，給飛行安全帶來隱患[5-6]。

由于夾層復合材料結構的耐沖擊性能是保證結構安全的關鍵，人們對夾層復合材料結構的低速沖擊響應進行了大量的數值模擬和實驗研究[7-9]。He 等[10-11]采用實驗和數值模擬相結合的方法，研究了鋁蜂窩夾層復合材料的低速沖擊響應和損傷行為，結果表明：面板厚度對蜂窩結構的抗沖擊性能有顯著影響；蜂窩壁厚和蜂窩芯邊長對蜂窩結構的沖擊載荷和結構剛度也有顯著影響，但對蜂窩芯的吸能影響不大；在彎曲載荷作用下，蜂窩芯剛度較低的試樣通過芯部屈曲和壓碎而失效，而蜂窩芯剛度較高的試樣則通過頂層面板斷裂而失效。Wowk 等[12]采用實驗和有限元數值模擬方法對退役飛機蜂窩夾層復合材料面板的沖擊性能進行了研究，結果表明：不同的面層凹痕深度、沖擊速度、沖擊頭半徑和質量對應的面板內蜂窩芯損傷深度是一致的；芯部損傷的深度僅取決于板芯膠的厚度，蜂窩芯損傷的面積處于面板凹痕正下方的區域，蜂窩芯形狀對損傷深度沒有顯著影響。Crupi等[13]比較了兩種不同芯胞尺寸鋁蜂窩夾層板的低速沖擊性能，采用基于能量平衡模型的理論方法研究了其沖擊行為，發現蜂窩芯芯格尺寸對夾層板的能量吸收能力影響較大，蜂窩夾層板的破壞形式為蜂窩芯壁的漸進皺折及屈曲。Shin 等[14]研究了不同類型夾層結構在6 種能量水平下的低速沖擊響應，結果表明，與金屬鋁面板夾層結構相比，玻璃纖維/環氧復合材料面板蜂窩夾層結構具有更好的抗沖擊性能和質量減輕優勢。Akatay 等[15]對玻璃纖維/環氧復合材料面板鋁蜂窩夾層結構進行了低速重復沖擊，研究發現，較低沖擊能量水平會增加導致樣品完全穿孔的沖擊次數；與單次沖擊試樣相比，多次沖擊試樣的抗壓強度明顯降低。

綜上所述，關于鋁蜂窩夾層復合材料結構的低速沖擊性能研究報道較多，但對鋁蜂窩夾層復合材料修理結構的低速沖擊性能實驗研究卻很少[16]。其中，單側面板及蜂窩芯損傷是鋁蜂窩夾層復合材料最常見的損傷形式，而鋁蜂窩夾層復合材料修理面層材料和修理蜂窩拼接區域與原結構均不同。與原始結構相比，這些典型修理區域的抗沖擊性能鮮見相關報道。因此，本工作采用熱壓罐工藝制造玻璃纖維/環氧復合材料面板鋁蜂窩夾層復合材料結構試件，采用換芯挖補修理工藝對單側面板和蜂窩芯損傷形式進行修理，通過修理蜂窩區和蜂窩拼接區的低速沖擊性能對比，研究修理結構的抗沖擊性能，并對修理結構的沖擊后壓縮性能及沖擊破壞機理進行分析。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

面層材料為CYTEC 公司生產的CYCOM7781/7701 玻璃纖維織物/環氧樹脂預浸料，鋪層結構為[0]3，厚度約為0.7 mm；蜂窩芯材料為HEXCEL 公司生產的CR1115052 鋁蜂窩，厚度約為25 mm；膠膜材料為HENKEL 公司生產的EA9696.06 NW 膠膜，用于蜂窩芯與面層之間的粘接。采用熱壓罐工藝制備玻璃纖維/環氧復合材料蒙皮鋁蜂窩夾層板，以下簡稱蜂窩夾層板。熱壓罐固化溫度為127 ℃，固化時間為90 min，固化壓力為0.2 MPa。制備蜂窩夾層板的厚度約為26.4 mm。

1.2 鋁蜂窩夾層板的修理

設計蜂窩夾層板缺陷為試樣中心位置半穿透損傷，缺陷寬度為25.4 mm，采用換芯挖補修理方法對損傷面層及蜂窩芯進行修理。修理面層材料為玻璃纖維織物浸漬HENKEL 公司生產的 EA 9396 環氧樹脂，修理蜂窩芯為原結構CR1115052鋁蜂窩。修理過程如圖1 所示：(a)去除試樣中心位置損壞的蜂窩芯和面層，采用打磨工具將頂部面層進行楔形打磨，打磨錐度為1/30；(b) 將一層玻璃纖維織物浸漬EA 9396 環氧樹脂濕鋪層鋪放到修理蜂窩芯底部作為填充粘接層；(c) 采用EA 9396環氧樹脂與酚醛微珠混合物將裁剪后的CR1115052修理蜂窩芯粘貼到修理區域，在室溫下預聚合4 h，并在90 ℃下固化60 min；(d) 對固化后的修理蜂窩芯進行打磨處理，使其表面與周圍蜂窩齊平；(e) 裁剪玻璃纖維浸漬環氧樹脂濕鋪層材料，按照原結構鋪層方向修理頂部面層；(f) 采用真空袋工藝對修理面層進行固化，固化溫度為93 ℃，固化時間為120 min。采用高精度復合材料切割機床將蜂窩夾層板加工成尺寸為150 mm×100 mm 的試樣，備用。

1.3 低速沖擊實驗

按照ASTM D7136 標準要求，將所有樣品切割成150 mm×100 mm 的尺寸進行低速沖擊實驗。沖擊實驗設備為Instron9350 落錘沖擊試驗機，沖擊頭為半球形，直徑為14 mm。為了對比分析修理結構對沖擊性能的影響，將沖擊試樣分為三個系列，即完整的蜂窩夾層板（HS）、沖擊點位于修理區域中心的修理蜂窩夾層板（HS-C）和沖擊點位于蜂窩拼接區域的修理蜂窩夾層板（HS-S），如圖2 所示。

1.4 X 射線數字成像表征

采用ERESCO 200 MF4-R 型X 射線數字攝像機(X-ray digital radiography, DR）研究沖擊載荷對蜂窩夾層板內部損傷的影響。將損傷樣品放置在水平平臺上，采用200 kV/600 W 微聚焦X 射線管從頂部方向掃描，像素尺寸為200 μm。

1.5 CAI 測試

采用Instron5982 電子萬能試驗機測試蜂窩夾層板沖擊后的剩余壓縮強度(CAI)，測試標準為ASTM D7137，壓縮加載速率為1.25 mm/min。

2 結果與討論

2.1 沖擊測試

2.1.1 沖擊損傷形貌

圖3～圖5 為不同的沖擊能量下HS、HS-C 和HS-S 試樣的正面和背面損傷宏觀照片。從圖中可以看出，在沖擊能量為10 J 時，蜂窩夾層板的上面板出現輕微凹坑，HS 試樣的凹坑面積最大，HSS 試樣的凹坑最小。而內部蜂窩芯均無明顯損傷。隨著沖擊能量的增加，試樣的損傷程度越來越明顯。從上面板的小凹坑發展為蜂窩芯出現不同程度的屈曲和壓碎，進而發展為整個蜂窩夾層結構的穿透損傷。在相同的沖擊能量下，修理后試樣的損傷程度較完整試樣輕。沖擊能量為40 J 時，HS 試樣發生了損毀性的穿透損傷，而HS-C 和HS-S 試樣僅觀察到上面板和部分蜂窩芯的損傷。當沖擊能量為50 J 時， HS-C 試樣出現上面板和整個蜂窩芯的損傷，下面板出現纖維斷裂和分層。HS-S 試樣僅出現上面板和內部蜂窩損傷。說明HS-C 和HS-S 的沖擊損傷程度小于HS，HS-S 試樣的沖擊損傷程度最小。由于HS 試樣在40 J 沖擊能量下發生了明顯的損毀性損傷，因此HS 試樣在50 J 沖擊能量下的沖擊特性后續不再討論。

圖6 為不同沖擊能量下完整試樣和修理試樣的X 射線數字成像照片，表征了內部蜂窩芯的損傷程度。從圖6 可以看出，內部蜂窩芯的損傷變化趨勢與宏觀照片相同。隨著沖擊能量的增加，試樣的內部損傷面積變大。在相同的沖擊能量下，修理試樣具有較小的內部損傷面積。HS-S 試樣的蜂窩損傷面積最小。

2.1.2 沖擊載荷

圖7 為不同沖擊能量下蜂窩夾層板沖擊載荷-時間曲線。最常見的沖擊特性分為三類載荷-時間曲線，即完全回彈型（A 型）、不完全回彈型（B 型）和部分或完全穿透型（C 型）[17-19]。A 型沖擊載荷-時間曲線具有典型的加載上升和卸載下降階段，表現為單峰載荷。隨著沖擊頭與蜂窩夾層板上面板接觸，沖擊載荷增大，載荷-時間曲線迅速上升。當沖擊載荷達到峰值時，上面板出現幾乎不可見的壓痕，并伴有輕微的基體樹脂裂紋。之后沖擊頭開始反彈，載荷-時間曲線急劇下降。在這種情況下，上面板通常會在沖擊區域周圍發生局部彎曲和面內拉伸。從圖7（a）可以看出，HS-S (10 J) 的載荷-時間曲線為A 型曲線。B 型載荷-時間曲線的特點是先出現一個單峰載荷，然后是一個延長的加載平臺。與A 型不同的是，當沖擊載荷達到峰值時，上面板出現基體樹脂開裂和纖維斷裂。一旦纖維出現斷裂，載荷-時間曲線會有一定程度的下降。隨著沖擊頭的下移，裂紋沿著纖維方向或垂直于纖維方向擴展，相應的載荷-時間曲線在峰值載荷后呈現一個延長的波動平臺。在這種情況下，上面板通常會出現明顯的壓痕，并伴有不同程度的面板下蜂窩芯屈曲和壓碎。如圖7（b）～（e）所示，HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HS-S(20 J、30 J、40 J和50 J) 的載荷-時間曲線可以觀察到這種現象。C 型沖擊載荷-時間曲線為雙峰曲線，這意味著沖擊頭穿透上面板后繼續向下移動，順序穿過內部蜂窩芯后接觸底層面板。當載荷-時間曲線達到第一個峰值時，沖擊頭穿透上面板繼續向下移動，蜂窩芯開始出現折疊和壓碎，相應的載荷-時間曲線呈現出隨峰值載荷而延長的波動平臺。當沖擊頭穿透蜂窩芯并接觸到下面板時，對應的載荷-時間曲線開始出現第二個峰值。從圖7（b）～（e）可以看出，HS (30 J、40 J)、HS-C (40 J、50 J)的載荷-時間曲線屬于C 型曲線。

對于C 型曲線，如果沖擊能量不足以完全穿透試樣，則第二個峰值低于第一個峰值，例如HS(30 J) 和HS-C (40 J)。然而，對于HS (40 J)和HSC(50 J)，第二個載荷峰值與第一個載荷峰值一樣高，表明蜂窩夾層板幾乎或者已經發生了穿透損傷。

對應于三種類型的沖擊載荷-時間曲線，沖擊載荷-位移曲線也可分為三種類型，并且隨著沖擊能量的增加，載荷-位移曲線逐漸由封閉曲線轉變為開放曲線，如圖8 所示。其中單峰閉合曲線表示沖擊頭在試樣上出現完全回彈，例如HS-S（10 J）曲線。單峰載荷及延長加載平臺為半開放曲線，表示它可能包含試樣的部分屈服和沖擊頭的部分回彈。從HS(10 J、20 J)、HS-C(10 J、20 J、30 J)和HSS(20 J、30 J、40 J 和50 J) 的載荷-時間曲線可以觀察到這種現象。如果試樣完全屈服，且未發生沖擊頭反彈，則載荷-位移曲線應為一條完整的開放曲線[19]。此時沖擊頭接觸到試樣底層面板，甚至穿透試樣。例如HS（30 J、40 J）曲線和HS-C（40 J、50 J）曲線。沖擊載荷-位移曲線上升段的斜率代表沖擊試樣的彎曲剛度。從圖8 可以看出，修理試樣的彎曲剛度均高于完整試樣。這主要是由于修理材料和母板材料不同造成的。同時，修理蜂窩與原蜂窩之間采用環氧樹脂與酚醛微珠混合物粘接，修理蜂窩結構與原蜂窩相比強度也有一定的提高。

2.1.3 沖擊能量

圖9 為不同沖擊能量下試樣的吸收能量-時間曲線。從圖9 可以看出，試樣在不同沖擊能量下的吸收能量過程可分為三種類型。A 型能量-時間曲線表現為一個能量單峰和一個延長的吸收能量平臺，沖擊能量分為不可逆和可逆能量。不可逆能量通過蜂窩板的永久損傷、振動、熱等方式被吸收。可逆能量轉化為沖擊頭的動能，當沖擊力達到峰值載荷時，可逆能量轉化為沖擊頭反彈的動能。其中HS（10 J）、HS-C（10 J），HS-S（10 J、20 J、30 J 和40 J）能量-時間曲線都可以觀察到這一現象。B 型能量-時間曲線顯示出與A 型曲線基本相似的趨勢，只是回彈過程中很少或沒有可逆能量，這意味著大部分沖擊能量被蜂窩板吸收。其中，HS（20 J）、HS-C（20 J、30 J 和40 J）以及HS-S（50 J）曲線屬于B 型曲線。C 型能量-時間曲線可分為兩個典型階段，在每個階段中，一旦沖擊頭接觸面板，吸收能量-時間曲線急劇上升。在這兩個階段之間，由于面板撕裂阻力和蜂窩芯破碎的摩擦阻力，吸收能量-時間曲線的上升變得緩慢。其中， HS（30 J、40 J）曲線和HS-C（50 J）曲線屬于C 型曲線。

不同沖擊能量下試樣的最大沖擊力和吸收能量如圖10 所示。與HS 相比，HS-C 試樣的最大沖擊力分別提高了46.2%～91.2%，HS-S 試樣的最大沖擊力分別提高了136.8%～216.9%。修理前后的最大吸收能量無明顯變化。

2.2 CAI 測試

圖11 為不同沖擊能量下試樣的CAI 強度和模量。從圖11 可以看出，隨著沖擊能量的增加，試樣的CAI 強度逐漸降低。這主要是由于沖擊坑的存在，破壞了試件的抗屈曲性能。10 J 沖擊能量下試樣的沖擊損傷面積最小，CAI 強度最高；而在發生穿透損傷（HS 為40 J，HS-C 為50 J）時，沖擊區域面板和蜂窩結構發生坍塌損傷，CAI 強度最低。相同沖擊能量下，修理試樣的CAI 強度最高，而且HS-S 的CAI 強度高于HS-C。這同樣與沖擊導致復合材料的損傷直接相關。以上數據表明，修理后的蜂窩結構，特別是蜂窩芯拼接區域的抗沖擊性能優于原結構。

2.3 失效機理分析

圖12 為三種類型的蜂窩夾層板沖擊點處的宏觀照片。HS 和HS-C 試樣的沖擊點分別位于原蜂窩芯和修理后的蜂窩芯上。鋁蜂窩芯材料出現整體擠壓坍塌現象。當沖擊能量為40 J 時，沖擊頭完全穿透HS 試樣的下面板。HS-C 試樣具有較好的抗沖擊性能，下面板無明顯穿透損傷。這可能是因為修補材料的韌性比母材好。復合材料的抗沖擊性能受纖維和樹脂的雙重影響，甚至樹脂的性能更為重要。對于沖擊能量為50 J 的HS-S 試樣，沖擊點位于蜂窩芯拼接區域。蜂窩芯拼接區域采用EA 9396 環氧樹脂和酚醛微球增強，提高了HS-S 試樣的抗沖擊性能。

圖13 為CAI 測試后蜂窩夾層板的正面和橫截面損傷宏觀形貌照片。從圖13 可以看出，試樣經過沖擊破壞后在壓縮作用下破壞區域繼續擴展。沖擊點是CAI 損傷最嚴重的區域。裂紋起始區位于沖擊側，垂直于壓縮方向擴展至試樣邊緣，表現出兩種破壞模式：裂紋擴展和分層屈曲。試樣背面無裂紋擴展。蜂窩夾層板的斷面形貌表明，隨著沖擊能量的增加，頂面板逐漸出現分層、基體開裂、纖維斷裂等失效模式。此時，內部蜂窩芯結構開始出現不同程度的坍塌。HS 試樣在30 J 和40 J 沖擊能量下，HS-C 試樣在40 J 和50 J 沖擊能量下，內部鋁蜂窩芯發生擠壓坍塌現象。然而，對于HS-S試樣，內部蜂窩結構的損傷模式是完全不同的。在較低的沖擊能量下出現很小的凹坑，凹坑的深度隨著沖擊能量的增加而增大，最終發展為貫穿整個拼接區域的縱向裂紋。

3 結論

(1) 隨著沖擊能量的增加，蜂窩夾層板面層及內部蜂窩芯的損傷面積增大，損傷形式從上面板裂紋發展為小凹陷、蜂窩芯破碎甚至穿孔。相同沖擊能量下，修理試樣的沖擊損傷面積明顯小于完整試樣，HS-S 試樣的沖擊損傷面積最小。

(2) 隨著沖擊能量的增加，典型的沖擊載荷曲線類型由完全回彈型和不完全回彈型轉變為部分或完全穿透型。與這三種典型曲線相對應，修理試樣的最大沖擊力顯著增大，HS-S 試樣的最大沖擊力高于HS-C 試樣，說明修理后結構，尤其是蜂窩拼接區的抗沖擊性能明顯優于完整結構。

(3) 隨著沖擊能量的增加，完整試樣和修理試樣的CAI 強度均逐漸降低。其中，HS-S 試樣在沖擊后的損傷較小，其CAI 強度高于HS 試樣和HSC 試樣。