聚酯纖維插層對碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

張云露

摘 要： 為探明聚酯纖維插層對碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能的影響， 通過落錘沖擊試驗， 借助C掃和掃描電鏡分別在宏觀和微觀層面對基礎(chǔ)板及插層板試樣的損傷截面進(jìn)行比對分析。 C掃結(jié)果表明聚酯纖維插層可大幅度提升復(fù)合材料的抗沖擊性能， 阻礙裂紋的擴(kuò)展； 掃描電鏡結(jié)果表明無紡布聚酯纖維在復(fù)合材料中被樹脂基體包圍， 斷裂過程中聚酯纖維通過拔出、 脫粘、 斷裂等綜合作用吸收了部分?jǐn)嗔涯芰浚?造成裂紋在基體中沿曲線傳播， 基體成河流狀韌性斷裂。 該研究結(jié)果可用于指導(dǎo)航空航天用復(fù)合材料的增韌設(shè)計， 同時對探索復(fù)合材料新型增韌方法、 提升復(fù)合材料飛行器抗沖擊可靠性方面也具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 碳纖維復(fù)合材料； 聚酯纖維插層； 落錘沖擊； 復(fù)合材料增韌； 抗沖擊性能

中圖分類號： TJ760； V257 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0088-05

0 引 言

與傳統(tǒng)金屬材料相比， 復(fù)合材料具有高強(qiáng)重比、 低熱脹性、 出色的剛度、 優(yōu)秀的疲勞性能和抗腐蝕性能等特點(diǎn)[1]， 無論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)， 復(fù)合材料在飛機(jī)中比重都在不斷加大， 應(yīng)用范圍從最初的次承力構(gòu)件（例如控制面）發(fā)展到現(xiàn)在的主承力結(jié)構(gòu)（例如機(jī)翼盒段）[2-3]。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能優(yōu)越， 但層間斷裂韌性及層間強(qiáng)度偏低， 在外荷載作用下易產(chǎn)生分層， 對沖擊破壞異常敏感[4]。 然而， 飛機(jī)復(fù)合材料部件在制造、 維修和使用過程中不可避免地會受到各種外部沖擊， 如飛行中的鳥撞、 起飛和降落過程中的石子撞擊、 裝配維修中的工具墜落等。 相較于鳥撞等低概率高速沖擊， 制造過程中的扳手掉落等大概率低速沖擊同樣會對材料造成不可逆損傷， 而且多數(shù)情況下這些損傷發(fā)生在部件內(nèi)部， 被稱為“難以覺察的沖擊損傷”， 會使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度降低60%， 給飛機(jī)飛行帶來潛在的危險， 也限制了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計許用值的增加。 因此， 復(fù)合材料增韌技術(shù)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

目前， 對復(fù)合材料常用的增韌技術(shù)主要包括基體增韌、 縱向增韌（例如3D編織、 Tufting縫合、 Stitching縫合、 Z-pin增強(qiáng)等）[5-6]、 插層增韌等技術(shù)。 3D編織技術(shù)由于機(jī)器復(fù)雜和效率低的問題， 不能被廣泛利用[7]。 Stitching和Tufting縫合是增強(qiáng)復(fù)合材料平面外性能的有效方式， 但會帶來平面內(nèi)性能的降低， 所以尚未應(yīng)用于預(yù)浸料制作[8-10]。 Z-pin技術(shù)是一種新式的為預(yù)浸料增韌的手段， 但主要應(yīng)用于“L”型拐角或“T”字型接頭[11-13]。

近年來， 新興的插層增韌技術(shù)（Interleaving）[14]不僅克服了上述各增韌方法的不足， 而且由于其工藝簡單、 成本低、 效率高等優(yōu)點(diǎn)， 成為增韌技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

碳纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)板及插層板用樹脂、 碳

纖維布和聚酯纖維插層的材料清單如表1所示。 其中碳纖維布5HS（5-Harness-Satin）是一種航空用高強(qiáng)度五枚緞紋碳纖維布， 其碳纖維排布如圖1所示。

1.2 試驗內(nèi)容

采用真空注膠工藝制作基礎(chǔ)板和插層板， 碳纖維布和聚酯纖維層的排布如表2所示， 常溫固化24 h后形成如圖2所示的復(fù)合材料試樣。

采用Midas Water Jet C-Scan試驗機(jī)分別對沖擊前后的基礎(chǔ)板和插層板進(jìn)行C掃， 測試試樣成型質(zhì)量， 并在沖擊后定量分析聚酯纖維插層對復(fù)合材料沖擊韌性的影響。

采用EVO MA 10掃描電子顯微鏡對落錘沖擊破壞后的試樣截面進(jìn)行觀察， 分析聚酯纖維插層對復(fù)合材料沖擊韌性的影響及作用機(jī)理。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料板成型質(zhì)量

對注膠完成的基礎(chǔ)板和插層板進(jìn)行C掃， 結(jié)果如圖4所示， 兩類試樣樹脂浸潤情況完好， 聚酯纖維插層的加入并未影響復(fù)合材料板的成型質(zhì)量。

2.2 沖擊試驗

在5 J， 10 J， 15 J， 20 J， 30 J沖擊載荷下， 基礎(chǔ)板和插層板試樣的正面情況如圖5所示， 其凹痕深度測量結(jié)果如表3所示。

對沖擊后試樣進(jìn)行C掃， 基礎(chǔ)板和插層板在不同能量下的損傷面積如圖6所示。

通過對比， 在5～20 J的沖擊能量范圍內(nèi)， 即低于目視勉強(qiáng)可見沖擊損傷的能量條件下， 基礎(chǔ)板的損傷面積明顯要大于插層板。 當(dāng)沖擊能量達(dá)到30 J時， 插層板和基礎(chǔ)板的損傷面積基本相同， 沿層合板縱向的截面處形成了類似“喇叭”狀的損傷形貌， 如圖7所示。 結(jié)果表明， 當(dāng)能量低于一定值時， 聚酯纖維插層可提升復(fù)合材料的抗沖擊性能， 但在高沖擊能量作用下對復(fù)合材料的高能量沖擊性能影響有限。

復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展方式主要分為三種： Ⅰ型（張開型）、 Ⅱ型（劃開型）和Ⅲ型（撕開型）。 復(fù)合材料在承受低速沖擊過程中， 開裂形式以層合板的分層和基體開裂為主， 主要在Ⅱ型高剪切應(yīng)力的作用下引發(fā)裂紋橫向和縱向的擴(kuò)展， 所有損傷被限制在一個錐形區(qū)域， 形成了“喇叭”狀截面形貌。[15]

為進(jìn)一步分析低速沖擊下聚酯纖維的增強(qiáng)機(jī)理， 借助掃描電鏡對聚酯纖維增韌復(fù)合材料的沖擊截面微觀形貌進(jìn)行系統(tǒng)研究。 落錘沖擊試驗后， 聚酯纖維復(fù)合材料試樣斷裂面的掃描電鏡照片如圖8所示。

由圖8可見， 沖擊試樣的層裂斷面聚酯纖維在樹脂基體中交織分布， 聚酯纖維與周圍的樹脂基體脫粘， 部分甚至拔出， 圖中存在清晰的“劍鞘”痕跡， 同時樹脂基體也發(fā)生了顯著的塑性變形， 周圍基體斷面呈韌性“臺階狀”斷裂特征， 斷面存在眾多“河流狀”分支， 導(dǎo)致裂紋在聚酯纖維插層中曲折擴(kuò)展， 吸收了大量的沖擊能量。 根據(jù)聚酯纖維的分布特點(diǎn)和形貌， 可推測在低能量沖擊下聚酯纖維層在樹脂基體中起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用， 不僅能減慢層間裂紋擴(kuò)展， 甚至可以止裂。

3 結(jié) 論

（1） 插層增韌技術(shù)可在較低成本的基礎(chǔ)上大幅度提升碳纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能；

（2） 復(fù)合材料在承受低速沖擊過程中， 開裂形式以層壓板內(nèi)的分層和基體開裂為主， 在Ⅱ型高剪切應(yīng)力的作用下引發(fā)裂紋橫向和縱向的擴(kuò)展， 損傷被限制在錐形區(qū)域， 截面處呈“喇叭”狀；

（3） 聚酯纖維插層在樹脂基體中不僅能減緩層間裂紋擴(kuò)展， 甚至可以止裂。 聚酯纖維被樹脂基體包圍， 在低速沖擊過程中通過聚酯纖維的拔出、 脫粘、 斷裂， 吸收了大部分的斷裂能量， 使得裂紋沿樹脂基體曲折擴(kuò)展， 樹脂基體也由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

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Abstract： To explore the influence of interleaved polyester fibres to carbonfibre composite on impact resistance， dropping weight tests， Cscan system and scanning electron microscope are used to compare and analyze the damaged section of the specimen from macroscopic and microcosmic levels. The results of Cscan show that interleaved polyester fibres can impede the crack propagation and improve impact resistance of the material significantly. The results of scanning electron microscope show that the fibres of interleaved veils are surrounded by the resin matrix. It can absorb some energy in the pullout， debonding and crack process. The crack propagates along the curve in the matrix which results in a river shape ductile fracture of the matrix. The research can give guidance to toughening design of composite used in aeronautics and astronautics. It is also of great importance to explore the new toughening method of the composite and improve the impact resistance reliability of aircrafts.

Key words： carbonfibre composite； interleaved polyester fibre； dropping weight impaction； composite toughening； impact resistance