高温预损伤对碳纤维复合材料...后压缩剩余强度影响规律研究_曹雨函.pdf

高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究：.高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究曹雨函，郭姝含，欧阳俊杰，孔繁淇，王付胜（.中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津；.中国商飞上海飞机设计研究院，上海）摘要：对 环氧树脂基 级碳纤维复合材料（）层合板在不同预损伤温度（、）和损伤时间（、）下进行低速冲击和冲击后压缩试验（），结合数字图像技术（）和微观形貌研究高温预损伤下 层合板失重量与剩余强度随损伤温度和时间的变化规律。结果表明：层合板不同温度下相对失重量和冲击后压缩强度下降率均先快后慢，最后趋于稳定。预损伤后相对失重量和剩余强度随损伤时间变化较小，损伤 后趋于稳定。温度升至 与 ，损伤初期层合板剩余强度迅速下降，后剩余强度分别降低.和.，较 下损伤 后剩余强度更低。分析结果，建立 层合板高温预损伤导致的失重量与冲击后压缩剩余强度线性关系模型。利用 技术记录 层合板在压缩方向上的应变演化规律，并得到应变云图。观察微观形貌发现高温损伤使树脂对纤维的包裹性下降，层间出现散布的树脂颗粒，且在 时材料的损伤形式由结构性断裂变为环氧树脂氧化分解导致的损伤。关键词：碳纤维复合材料；高温预损伤；剩余强度；数字图像相关技术中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：（）（）（，）（，）（），.，：；收稿日期：基金项目：大学生创新创业训练计划项目（）作者简介：曹雨函（），女，硕士研究生，主要从事复合材料失效分析方面的研究。通讯作者：王付胜（），男，实验师，硕士研究生，主要从事复合材料失效分析方面的研究，.。年 月复合材料科学与工程 碳纤维增强树脂基复合材料（，）因具有比强度高、比模量高、质轻、耐高温、抗冲击性优良等优点成为目前国际上民用航空领域应用最广泛的复合材料。在飞机维修过程中，复合材料应用部位常处于冲击与高温环境中，复合材料中树脂基体具有较高的温度敏感性，因此研究高温损伤环境下复合材料力学性能演化规律在实际维护与应用中具有工程意义。等对 碳纤维复合材料进行高温界面区域老化研究，发现材料出现失重现象，且断裂能随高温老化时间的增加先增大后减小。陈明等发现高温下环氧树脂软化分解是碳纤维复合材料力学性能下降的主要原因之一。宗庆松结合 射线检测方法对 级 层合板建立了随温度线性变化的损伤演化模型。何沛夕采用超声 扫描对冲击后压缩试验进行损伤检测。于倩倩等对在 下进行热老化处理后的 级 层合板进行压缩强度测试，发现随热老化温度的升高，压缩强度呈先减小后增大的趋势。翁晶萌对 复合材料层合板进行室温至 下冲击后压缩试验，采用应变片监测压缩过程，发现随温度升高，剩余强度下降速率变大。研究者对高温条件下低速冲击后材料压缩剩余强度影响规律的研究并不全面，关于冲击后压缩过程中复合材料层合板的应变分布及演化过程鲜有研究；有关失重量与剩余强度关系的定量化研究不足，不利于工程实际应用；此外，在工程应用中，复合材料层合板常使用螺栓连接，需进行开孔，而对含双孔的复合材料层合板在外物冲击后应力集中区域的损伤情况及力学性能变化的研究较少。因此本文对环氧树脂基 级碳纤维复合材料进行高温预损伤，测试其失重情况；进行低速冲击试验并测试其冲击后剩余强度，对比不同损伤温度下材料的剩余强度变化情况，建立失重量与剩余强度之间的定量关系；利用数字图像采集（）技术对冲击后压缩过程进行监测，得到其压缩过程中的应变分布及演化规律；并结合扫描电子显微镜（）对断口处的观察结果进行损伤机理的分析，具有一定的研究和工程意义。试验研究.材料与试件本文采用 环氧树脂基 级碳纤维复合材料层合板进行试验，预浸料由威海光威复合材料股份有限公司制造提供，其基本力学性能参数如表 所示。本文所用的 层合板按铺层角度进行热压铺层，共 层，厚度为，参考 试验标准进行试样的设计。为模拟碳纤维复合材料在飞机蒙皮紧固件连接处的实际情况，在试样中心处设计连接孔，采用孔径 ，孔间距 的双孔结构。双孔位于试样中心处以降低该处结构强度，保证所测压缩强度数据真实可靠。试样尺寸设计如图（）所示，试样实物图见图（）。表 级碳纤维复合材料力学性能参数 参数数值 图 级碳纤维复合材料试样及尺寸.试验方案设计.高温预损伤试验 层合板的高温预损伤试验在恒温箱式高温炉中进行。损伤温度须高于其玻璃化转变温度（），但超过 后环氧树脂出现快速氧化分解，会导致其完全失效。在低于 时，环氧树脂性质稳定。因此设置三组高于 的试验组，试验温度分别为 、和 ，在每个损伤温度下分别进行 、和 的温度预损 年第 期高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究伤。对试样进行编号，编号原则体现出损伤温度及时间，标注形式为，其中 为损伤温度，为损伤时间。以“”为例，其表示在 的温度中损伤 的试验件。.落锤低速冲击试验落锤低速冲击试验参照 标准，在室温下使用 落锤冲击试验机完成，试验装置如图 所示。试验选用 钢制圆形冲头，半径为 ，冲击能量设定为 ，冲击位置为 层合板双孔中间。分析能量吸收情况得到能量吸收率随损伤条件的变化规律。图 落锤冲击试验机.冲击后压缩试验冲击后压缩试验（）根据 标准，在 电子万能材料试验机上进行。试验机作动臂以向下.的加载速度向层合板上端施加载荷。载荷持续加载 后材料被垂直压溃。设备用于采集压缩过程中层合板应变演化情况。试验过程中通过摄像机追踪散斑位置以获取试样各点应变信息。压缩试验装置及 设备如图 所示。图 冲击后压缩试验装置及 设备.试验结果与讨论.相对失重量碳纤维在 时性能基本稳定，而环氧树脂在空气中使用时，超过 时会发生热氧化分解，故 层合板耐高温性能主要取决于树脂基体的耐热性。有氧环境中 层合板的树脂基体在高温下发生热分解和氧化等行为，导致碳纤维和树脂基体间的黏合性下降，宏观表现为 层合板重量减轻。本文利用试样相对失重量 表征其损伤程度：（）式中：为试样高温损伤前的初始质量；为试样在 时刻的质量。使用 软件对试验数据进行曲线拟合，比较拟合曲线的残差平方和（）及决定系数（），越接近，越接近，表示拟合结果越好。拟合曲线的 均小于.，均高于.，因此认为三种温度下 指数函数模型拟合曲线具有可靠性。相对失重量 与损伤时间 的拟合曲线函数表达式如公式（）所示。对于 ，.，.，.；对于 ，.，.，.；对于 ，.，.，.。（）如图 所示，随高温老化时间增加，层合板在三个温度下相对失重量的变化速率均先快后慢，最后趋于平缓。环境温度为 时，层合板只在前期出现失重，后失重量的变化趋于平衡，相对失重量保持在.；的相对失重量在 后趋于稳定，试验结束时稳定在.。对于 ，在损伤 内，相对失重速率达到每小时，相对失重量为.，失重量超过之后 相对失重量之和，即.。复合材料的高温老化过程包括脱湿、后固化和分解等过程。在高温老化初始阶段，重量快速减少主要为材料内部水分等的脱除，基本脱除后失重量逐渐趋于稳定。当损伤温度升高时，失重量趋于稳定的过程延长。这是由于损伤温度较低时，低分子挥发物较少，失重量上升趋势平缓。随着温度的升高，树脂基体出现软化，伴随基体分解程度加深。和 的温度损伤使材料在 时的失重量基本达到平衡，但 下材料的失重量 年 月复合材料科学与工程仍在缓慢增加，此时树脂的进一步氧化分解使层合板继续失重，时未达平衡。图 层合板相对失重量曲线.抗冲击性能观察材料宏观损伤形貌，发现其均出现明显的凹坑，冲击背面出现纤维断裂，两孔边缘出现明显分层。随高温损伤时间的增加，凹坑损伤范围增大，冲击背面纤维断裂更为明显。材料受到冲击时，以形变、分层和纤维断裂的形式将部分冲击能量吸收。高温损伤造成环氧树脂老化分解，纤维易和基体发生脱黏，树脂传递载荷的能力下降，造成冲击区域背部纤维的断裂。对三组高温损伤试验中不同损伤条件对应的低速冲击能量吸收率进行多项式拟合，如图 所示，值在 以上，拟合结果具有可靠性。其中能量吸收率 由材料吸收的冲击能（）占冲头总动能（）的百分比表示，见公式（）。（）（）时间冲击能量吸收率曲线（）（）温度冲击能量吸收率曲线（）图 冲击试验数据拟合.图（）为能量吸收率随损伤时间变化曲线。损伤温度为 时，先增大后减小，整体呈下降趋势，最大值为.，损伤时间为.，最小值为.，损伤时间为 。和 下曲线单调递减：下，损伤 时吸收率最高，为.，时最低，为.；下，损伤 时最高，为.，时最低，为.。损伤温度下，随损伤时间增加，试样能量吸收率上下浮动不超过.；时的浮动为.。的温度损伤使 层合板的能量吸收率下降了.，相较另外两组试验数据，吸收率大幅下降，表明层合板抗冲击性能下降。分析 时的损伤曲线可知，在材料老化初期，由于其经历的主要是脱湿和后固化阶段，对材料起到一定的强化作用，与高温对材料的损伤作用相互竞争。老化初期材料能量吸收率下降较平缓，高温的强化作用能够抵消一部分损伤作用。当高温时间增加时，树脂基体的损伤加剧，层合板抗冲击性能在 后大幅下降，此时高温损伤作用占主导，层间树脂发生热分解降低其传递载荷能力，且损伤时间增加使纤维与树脂间的结合性能降低。同一损伤时间下，损伤温度升高时能量吸收率降低，绘制能量吸收率随损伤温度变化曲线，如图（）所示。四种损伤时间下温度吸收率曲线均单调递减，前 的吸收率呈线性下降，的曲线斜率绝对值增大，该损伤时间加快了高温对吸收率的影响。四条曲线的斜率绝对值随损伤时间的增 年第 期高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究加而增加，后吸收率的变化加剧，结合图（）可知，、的损伤条件下，层合板的抗冲击性能损伤严重。其他损伤条件对层合板的影响可以忽略。.冲击后压缩剩余强度及 分析低速冲击作用通常使复合材料内部产生比表面范围更大的基体开裂、脱黏，以及分层损伤，层合板的压缩剩余强度因冲击损伤可下降至 甚至更低。使用 剩余强度表征材料的损伤容限，根据式（）进行计算：（）式中：为 强度，；为破坏前的最大载荷，；为试样横截面积，表达式为（为试样厚度，为试样宽度），。对无高温损伤的参考试件进行 测试，测得其剩余强度为.。不同温度下时间压缩剩余强度曲线见图（）。分析图（）可知，高温损伤下 层合板的 剩余强度衰退速度均下降，并逐渐趋于稳定。损伤温度下，层合板压缩剩余强度变化缓慢，在 内剩余强度以每小时.的速率降低，较标准件下降.，后趋于稳定。、时，试样压缩剩余强度在损伤初期迅速下降，损伤 时剩余强度分别降低.和.，相比在 下损伤 的材料剩余强度更低；后尚未呈现趋于稳定的迹象，说明 和 高温会对 层合板造成进一步破坏。通过相对失重量评估材料高温损伤后的剩余强度，可为工程中判断 层合板使用寿命提供较直观的依据。分析发现，相对失重量与 剩余强度随时间的变化趋势相似，进行线性拟合得到 层合板相对失重量压缩剩余强度曲线，如图（）所示。由图可知，相对失重量变化范围为.，压缩剩余强度由.降至.。当材料相对失重量达到.时，层合板的压缩剩余强度较标准试样降低.。拟合曲线.，表明数据线性化程度较高，线性拟合表达式见公式（）。（）（）时间压缩剩余强度曲线（）（）相对失重量压缩剩余强度曲线（）图 剩余强度数据拟合.使用 采集 试验过程中 层合板的应变数据，设备拍摄频率为.。截取孔周围区域，研究沿平板方向（）的应变演化规律，如图 所示。应变云图数值表示应变大小，正值表示状态为拉应变，负值为压应变。图 损伤条件下 试验 应变进程云图.由于试验的分散性，每个试样断裂所用时间不同，以开始施加压应力至层合板完全压溃失效为一个完整试验进程周期。为便于不同温度水平间横向对比，选取、和 四个试验进程点的数据进行分析，以保证数据的可比性。从应变云 年 月复合材料科学与工程图可以看出：压缩进程为 时，压应力尚未从板顶部传递到板中双孔处，冲击损伤未凸显，孔边缘出现应变集中效应；在 进程时，压应力穿过冲击位置进一步传递至孔下方区域；压缩进程达到 时，冲击造成的材料内部损伤开始暴露，冲击区域出现拉应力，并发生局部失稳，以冲击凹坑宽度横向扩展；进程时，裂纹扩展贯穿双孔，层合板沿应力加载方向变形超出所能承受的最大压缩应变，导致其断裂。绘制沿平板方向（）的压缩应变沿板宽（）的变化规律，如图 所示。压缩应变曲线由于开孔而分为三段，以 为 的实线表示初始状态，点线代表压缩进程为，虚线代表 进程，实线代表 进程；方形、三角形和圆形三种符号分别表示、和 温度损伤条件。三种损伤温度的 层合板双孔外侧压应变基本一致，主要差距出现在孔间区域。在整个压缩过程中，三个损伤温度下孔边缘的应变均大于冲击凹坑处的应变。进程时，应变曲线为平滑的凸台状，冲击损伤影响较小，压缩应变均在.内。从 进程至结束，曲线一直保持凸台状，和 曲线呈凹坑状，出现在冲击区域。接近失稳时，应变主要出现在冲击区域应力集中处和孔边缘。损伤试件在 方向平均压缩应变在 时为.，为.，而 时已大于.，表明 损伤下 层合板的压缩剩余强度降幅最大，冲击损伤影响显著。图 不同温度损伤试样在 方向应变随压缩进程变化规律.微观形貌分析使用 对试样微观形貌进行观察，以损伤 试样为例，具体如图 所示。图（）为 下放大 倍的试样形貌，纤维束之间树脂基体保持较好的包裹性，结合试样失重情况认为该损伤条件下树脂基体性质稳定。图（）为 下放大 倍的试样，树脂基体与纤维束之间出现空隙，二者的分离较为顺利，此时环氧树脂的黏性发生了变化，不具有较好的包裹性，且伴随气孔产生。这是由于 达到了该试样常温下 的.倍，环氧树脂不再具有良好的热稳定性，部分环氧树脂在高温条件下发生氧化反应产生二氧化碳。图（）为 下放大 倍的试样微观形貌，此时出现散布的树脂颗粒和碎屑，树脂基体发生了破坏行为，出现表面腐蚀和粉末化现象，该温度下环氧树脂损伤最为严重。图 不同损伤条件下 级碳纤维树脂包裹情况.对试样断口处微观形貌进行观察，图（）为 时试样断口铺层，表面较为平整，铺层纤维上方的树脂出现局部缺失，损伤形式主要为基体分层，不存在纤维拔出和断裂情况。材料整体呈现出结构性损坏，无基体失效带来的损伤。图（）为 损伤温度下试样的层间形貌，树脂分布杂乱，对纤维的包裹性下降，但基本形貌与图（）情况相似。图（）为 下的情况，纤维层间树脂出现大量孔洞和散布的树脂颗粒，此温度条件树脂的损伤严重。以上进一步印证了 层合板的失重原因：下以脱湿为主导，和 则包括不同程度的树脂破坏。结合上文冲击及 试验的试验数据可以认为，层合板的抗冲击性能和压缩剩余强度在 大幅下降的原因之一为树脂的严重损坏。年第 期高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究图 不同损伤温度下层间树脂损伤情况.图 所示为 损伤温度下冲击后压缩的试样断口处形貌，在 倍放大倍数下可见 方向发生断裂，铺层纤维层间出现分层，且纤维出现断裂。在断裂位置放大 倍观察到 铺层纤维树脂包裹性较差，纤维束之间出现大量散布的树脂颗粒，部分环氧树脂发生软化并附着在纤维表面，其传递载荷的作用减小，冲击和冲击后压缩促进了分层损伤和纤维断裂的发生。分析材料损伤方式可知，高温损伤改变了材料内部的承力情况，环氧树脂的破坏程度直接改变了材料的损伤形式。图 不同放大倍数下断口处损伤情况.结 论（）环境温度为 、和 时，环氧树脂基 级碳纤维复合材料相对失重量随时间呈 指数变化，且温度升高推迟了材料失重量达到稳定的时间。下，材料剩余强度降低速率较缓慢，和 下，材料剩余强度迅速降至较低水平，分别为.和.，损伤 后性能下降相对平缓。（）在 .的高温失重量范围内，层合板相对失重量（）与剩余强度（）呈线性关系：.，该模型可通过测量高温损伤导致的失重量预测和评估 层合板的剩余强度。（）当 试验进程达到 时，冲击造成的内部损伤开始显现。在持续压缩变形下，冲击损伤区域发生局部失稳，冲击凹坑横向扩展，直到 进程时贯穿双孔中心导致材料断裂。（）材料断口处主要有以下两种损伤行为：孔周围出现纤维层间分层，表现为结构性损伤；树脂在层合板内部氧化分解产生树脂颗粒和孔洞。和 时，材料损伤形式为结构性损伤，时，损伤形式由结构性断裂变为树脂氧化分解主导的损伤。参考文献 ，：，：谭伟，那景新，任俊铭，等 高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测 复合材料学报，（）：张代军，刘刚，包建文，等 碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制 复合材料学报，（）：欧阳俊杰，王付胜，孔繁淇，等 湿 热环境对环氧树脂复合材料冲击后压缩剩余强度的影响 复合材料科学与工程，（）：，：，（）：陈明，龙连春，陈众迎，等 复合材料高温强度测试分析及数值模拟 材料导报，（）：宗庆松 热环境下碳纤维复合材料层合板力学行为研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，何沛夕 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