黃智,溫衛(wèi)東
(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院,江蘇 南京 210016)
復(fù)合材料層板以其高比強(qiáng)度、高比剛度、易成型、抗疲勞等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)中,而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、使用及維護(hù)的過程中,不可避免地會受到來自外物的沖擊。這類沖擊大多屬于低速、低能的沖擊,在層板的表面所造成的損傷較小,但會在層板內(nèi)部造成多種形式的損傷。這些損傷往往無法直接觀察檢測,卻會造成層板的強(qiáng)度大幅度下降。因此,對受沖擊的復(fù)合材料層板進(jìn)行研究是非常有必要的。
目前,國內(nèi)外許多學(xué)者對沖擊后的復(fù)合材料層板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。DE Moura、程小全等[1-4]通過實(shí)驗(yàn)研究了層板的沖擊損傷,研究表明,在沖擊能量較低時,層板內(nèi)部主要損傷為基體開裂和分層,分層只產(chǎn)生在鋪層方向不同的兩鋪層之間,呈花生殼狀,主軸沿下層的纖維方向。溫衛(wèi)東等[5]通過對不同尺寸和不同鋪層順序的層板進(jìn)行低速沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件的幾何尺寸對沖擊損傷投影面積影響較大,鋪層順序主要影響投影區(qū)域的形狀。WANG Shixun[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了沖擊能量對層板拉伸剩余強(qiáng)度的影響,將沖擊后層板的拉伸剩余強(qiáng)度分為低能量退降、穩(wěn)定、高能量退降3個階段。KOO J M等[7]提出,在相同的沖擊能量下,改變沖頭質(zhì)量,對層板剩余強(qiáng)度影響不大。王志等[8]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),碳纖環(huán)氧復(fù)合材料在不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體變化趨勢大致相同,其高溫力學(xué)性能受鋪層角度影響。姚佳偉等[9]研究了非連續(xù)濕熱作用對復(fù)合材料層板性能的影響,研究表明,單一溫度作用下,層板彎曲性能降低,層間剪切性能增強(qiáng)。
目前對復(fù)合材料層板的沖擊和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)主要在室溫環(huán)境下進(jìn)行,在溫度環(huán)境下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)還鮮有報(bào)道。本文通過對T300/QY8911-IV復(fù)合材料層板進(jìn)行低速沖擊和沖擊后的靜拉伸試驗(yàn),研究了3種不同溫度和沖擊能量下層板的沖擊損傷和剩余拉伸強(qiáng)度。
試件材料體系為T300/QY8911-IV復(fù)合材料(圖1),纖維體積含量約為41%,試件鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/45/0/90/0]s,共16層,單層板厚度為0.153mm,試件尺寸為200mm×38mm。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后,在兩端粘貼50mm加強(qiáng)片,用于靜拉伸實(shí)驗(yàn)。
圖1 試驗(yàn)件
1) 沖擊實(shí)驗(yàn)裝置
參照ASTM D7136試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置對復(fù)合材料層板進(jìn)行低速沖擊試驗(yàn),裝置如圖2所示。落錘總質(zhì)量為1.2kg,底部為直徑16mm的球形沖頭,通過電磁鐵吸附在上橫梁上,可通過調(diào)節(jié)上橫梁高度來調(diào)節(jié)沖擊能量的大小。試驗(yàn)機(jī)自帶防二次沖擊裝置,在沖頭反彈后落下時,電磁閥門自動吸合,防止造成二次沖擊損傷。沖擊能量選擇分別為6J、8J和10J,相應(yīng)落錘高度設(shè)定為510mm、680mm和850mm。
圖2 沖擊試驗(yàn)裝置
2) 沖擊實(shí)驗(yàn)夾具
由于試件尺寸較小,無法直接裝夾到?jīng)_擊臺面上,需要用夾具固定后裝到?jīng)_擊臺上。如圖3所示,在下夾具上開有凹槽用來放置試驗(yàn)件,上、下夾具用螺栓緊固后放置到臺面上,四周用夾子固定;對于高溫試件,將兩塊電加熱板和夾具裝夾在一起,待加熱到指定溫度并保溫15min之后進(jìn)行試驗(yàn)。加熱過程中使用硅酸鋁保溫棉塞住沖擊缺口,待沖擊時取出保溫棉,迅速進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。
圖3 沖擊試驗(yàn)夾具
對沖擊后試件進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)溫度和沖擊試驗(yàn)中的溫度保持一致。靜拉伸試驗(yàn)在MTS810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用位移控制的加載方式,加載速率為1mm/min。對于高溫試件,采用電加熱帶對試件進(jìn)行加熱,待達(dá)到指定溫度后保溫15min,再進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn),記錄試件的破壞載荷,每個數(shù)據(jù)點(diǎn)取4~5件試驗(yàn)件。
復(fù)合材料層板受到?jīng)_擊后,試件表面損傷如圖4所示。試件的正面在沖擊位置處出現(xiàn)了凹坑,背面沿45°方向出現(xiàn)了少量基體開裂和分層的現(xiàn)象。沖擊過程中,落錘的沖擊能量以可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的多種形式的損傷變形被層板所吸收,上表面與落錘直接接觸,基體和纖維發(fā)生損傷,形成凹坑;整板受到?jīng)_擊載荷作用,發(fā)生彎曲,在層板背面形成較大的彎曲正應(yīng)力,引起背面基體開裂,沿厚度方向的剪切應(yīng)力則引起了層間分層。
圖4 層板沖擊后損傷外觀圖
對比圖4(a)和圖4(c)、圖4(b)和圖4(d),可以發(fā)現(xiàn),對于20℃下的6J沖擊試件和180℃下的10J沖擊試件,其正面產(chǎn)生的凹坑大小差別并不明顯,且背面基體開裂的長度和寬度差別也不是很大,單純依靠目視檢測表面損傷,并不能有效地判斷出其損傷程度。故采用超聲水浸C掃設(shè)備對損傷后的層板進(jìn)行損傷檢測,檢測結(jié)果如圖5所示。
圖5 層板沖擊后C掃探傷圖
C掃結(jié)果顯示,對于20℃下的6J沖擊試件和180℃下的10J沖擊試件,沿寬度方向的損傷都已經(jīng)擴(kuò)展到了約束邊界,而且在沿試件的長度方向;20℃下6J沖擊試件的損傷長度為34mm左右,180℃下10J沖擊試件的損傷長度則達(dá)到了50mm。雖然目視檢查表面損傷較小且差別不明顯,但層合板內(nèi)部的損傷面積已經(jīng)很大,且隨著溫度升高和沖擊能量增大,其內(nèi)部損傷也在變大。
表1為沖擊后層板拉伸剩余強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。拉伸實(shí)驗(yàn)過程中,載荷-位移曲線近似呈線性關(guān)系。整個拉伸過程,試件的伸長率并不高,故其拉伸剩余強(qiáng)度可通過破壞載荷除以層板的橫截面積獲得。在試件拉伸的過程中,會先聽到基體斷裂的聲音,此時層板承載能力基本不受影響,隨著位移增加,載荷隨之繼續(xù)增大,當(dāng)纖維斷裂后,其載荷迅速降低。試驗(yàn)件的斷口均位于沖擊位置附近,這是由于沖擊位置處有損傷的存在,強(qiáng)度和剛度降低,應(yīng)力較為集中,各層斷口基本為纖維垂直的方向。
表1 層板沖擊后拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果
續(xù)表1
對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,可以發(fā)現(xiàn),在相同溫度下,沖擊能量越大,沖擊后層板的剩余強(qiáng)度越低(圖6);在相同沖擊能量下,環(huán)境溫度越高,沖擊后層板的剩余強(qiáng)度也越低(圖7)。
溫度從20℃上升到130℃時,在6J、8J、10J沖擊能量下,剩余強(qiáng)度分別下降了3.7%、4.6%、6.8%,而溫度從130℃上升到180℃時,剩余強(qiáng)度分別下降了9.0%、8.4%、16.6%。由此可見,隨著溫度升高,溫度對試件沖擊損傷及剩余強(qiáng)度的影響會越大。
這是由于復(fù)合材料是各向異性材料,熱膨脹率在各個方向上并不相同,當(dāng)溫度升高時,除了材料性能有所下降外,由于層板內(nèi)部各層鋪設(shè)角度不同,其熱膨脹也會受到相鄰鋪層的限制,因而各層之間有熱應(yīng)力的存在,且各層之間熱應(yīng)力的大小也隨著鋪層角度的變化而變化,溫度越高,層板內(nèi)部的熱應(yīng)力越大,對強(qiáng)度的影響也越明顯。
圖6 剩余強(qiáng)度隨沖擊能量變化曲線
圖7 剩余強(qiáng)度隨溫度變化曲線
1) 低速沖擊在復(fù)合材料層板表面造成損傷較小,但會在層板內(nèi)部造成基體開裂、纖維斷裂和大面積的分層損傷,且沖擊能量越大,損傷面積越大,層板的剩余強(qiáng)度越低。
2)復(fù)合材料層板內(nèi)部鋪層方向不同,在受熱時內(nèi)部會產(chǎn)生熱應(yīng)力,且隨著溫度升高,材料性能會有下降,在承受相同沖擊能量時,溫度越高,層板損傷程度越嚴(yán)重,剩余強(qiáng)度越低。