摘 要:通過(guò)對(duì)含分層缺陷的復(fù)合材料層合板進(jìn)行壓縮、彎曲以及拉伸試驗(yàn),研究了分層缺陷深 度對(duì)層合板力學(xué)性能的影響;對(duì)影響層合板力學(xué)性能的因素進(jìn)行定性分析,得到了層合板力學(xué)性能 隨分層缺陷深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:分層缺陷深度對(duì)層合板的抗壓、抗彎強(qiáng)度有直接影響,而 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響十分有限。

關(guān)鍵詞:復(fù)合材料層合板;分層缺陷;抗壓強(qiáng)度;抗彎強(qiáng)度;抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào):TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0016-03

隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展,對(duì)于航天用復(fù) 合材料的性能要求在不斷提高。復(fù)合材料層合板在 制造過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部分層(即分層缺陷)。分層 缺陷作為復(fù)合材料的常見(jiàn)損傷形式,影響了復(fù)合材 料的力學(xué)性能,直接關(guān)系著復(fù)合材料的使用,因此對(duì) 復(fù)合材料層合板分層缺陷的研究至關(guān)重要[1-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料層合板的分層缺陷做了 大量研究[6-9]。王雪明等[10]總結(jié)了分層缺陷的種 類,并分析了其產(chǎn)生原因,開(kāi)展了分層缺陷試驗(yàn)?zāi)M 方法的研究,發(fā)現(xiàn)埋入防黏紙產(chǎn)生的分層最適宜模 擬 分 層 缺 陷。ALAYDIN 等[11] 采 用 KirchhoffLove殼理論與各向異性彈塑性損傷相結(jié)合的方法, 模擬了復(fù)合材料各層的力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)這些層在界 面處連接,可用于表示分層的混合模式內(nèi)聚損傷模 型。目前,關(guān)于分層缺陷深度對(duì)復(fù)合材料層合板力 學(xué)性能影響的研究較少,為此,筆者選取圓形分層缺 陷(直徑為19mm)進(jìn)行試驗(yàn),研究了分層缺陷深度 與復(fù)合材料層合板力學(xué)性能之間的關(guān)系,以提高復(fù) 合材料產(chǎn)品的合格率。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

《碳纖維復(fù)合材料層合板和層合件通用規(guī)范》要 求分層缺陷 C級(jí)探傷(一般區(qū)域質(zhì)量等級(jí))的分層 區(qū)域不大于19mm(直徑),因此選取圓形分層缺陷 (直徑為19mm)進(jìn)行試驗(yàn)。為去除鋪層角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,將層合板鋪層設(shè)計(jì)為0°方向14層, 板厚為2.5mm。

層合板為對(duì)稱結(jié)構(gòu),拉伸、壓縮試驗(yàn)時(shí),層合板 受力和約束均對(duì)稱,層合板中心對(duì)稱位置的分層缺 陷對(duì)拉伸、壓縮試驗(yàn)結(jié)果的影響一致,因此將壓縮及 拉伸試樣分為7組,各組試樣的分層缺陷分別位于 層合板2~8層相鄰的兩層間;彎曲試驗(yàn)時(shí),層合板 沿對(duì)稱面分為受壓一側(cè)和手拉一側(cè),試樣兩側(cè)受力 狀況不同,不可對(duì)稱簡(jiǎn)化,因此彎曲試樣分為14組, 各組試樣的分層缺陷分別位于層合板2~13層相鄰 的兩層間。壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)的試樣尺寸如圖 1所示。

層合板實(shí)際鋪層以及分層缺陷預(yù)置方式如圖2 所示,沿板件長(zhǎng)邊0°方向?qū)⑻祭w維預(yù)浸料逐層鋪設(shè) 于板上,根據(jù)分層缺陷的放置要求,在分層缺陷處放 置直徑為19mm的圓形聚四氟乙烯薄膜,并在鋪層 最外側(cè)標(biāo)記分層缺陷的具體位置(見(jiàn)圖2虛線處)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的壓力機(jī)可更換不同夾具,以滿足壓 縮、拉伸和彎曲的試驗(yàn)條件,壓縮、拉伸和彎曲的試 驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。由圖3可知:壓縮試驗(yàn)時(shí),為避 免偏心壓縮,將上、下壓塊通過(guò)導(dǎo)軌連接;拉伸試樣 通過(guò)氣動(dòng)夾具與試驗(yàn)機(jī)連接,在試樣夾緊后先預(yù)加 載,確保無(wú)誤后再加載拉力;彎曲試驗(yàn)為3點(diǎn)彎曲。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

壓縮、拉伸和彎曲試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌如圖 4所示。由圖4可知:在到達(dá)極限載荷后,壓縮試樣 瞬間被壓潰;在破壞時(shí),拉伸試樣纖維整體崩斷并散 開(kāi);在接近破壞時(shí),彎曲試樣受拉一側(cè)的纖維斷裂, 持續(xù)加大載荷,試樣的彎曲撓度突然增大,并發(fā)生彎 曲破壞。

2.2 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖5 所示。由圖5可知:分層缺陷在試樣的2~4層相鄰 的兩層間(即分層缺陷深度小于板厚的1/4)時(shí),分 層缺陷的深度是影響層合板抗壓強(qiáng)度的主要因素, 層合板抗壓強(qiáng)度隨分層缺陷深度的增加而減小;當(dāng) 分層缺陷深度為板厚的1/4(層合板中性面)時(shí),層合 板的抗壓強(qiáng)度最小,約為無(wú)分層缺陷層合板(正常試樣)抗壓強(qiáng)度的44%;分層缺陷在試樣的4~7層相鄰 的兩層間(即分層缺陷深度大于板厚的1/4)時(shí),分層 缺陷深度對(duì)層合板的抗壓強(qiáng)度影響較小,分層缺陷試 樣的抗壓強(qiáng)度不小于正常試樣抗壓強(qiáng)度的75%。

2.3 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖6 所示。由圖6可知:分層缺陷試樣與正常試樣的抗 拉強(qiáng)度比均大于75%,說(shuō)明分層缺陷深度對(duì)層合板 的抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯影響。

2.4 對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

分層缺陷深度與層合板抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖7 所示。由圖7可知:當(dāng)分層缺陷位于層合板受拉一 側(cè)(正向彎曲)或受壓一側(cè)(反向彎曲)時(shí),分層缺陷 深度對(duì)試樣的抗彎強(qiáng)度影響有著相似的規(guī)律;當(dāng)分 層缺陷位于層合板中性面時(shí),缺陷對(duì)層合板的抗彎強(qiáng)度幾乎無(wú)影響;當(dāng)分層缺陷的深度小于板厚的 1/4時(shí),正向彎曲比反向彎曲的抗彎強(qiáng)度大約11%; 當(dāng)分層缺陷的深度大于板厚的1/4時(shí),彎曲狀態(tài)對(duì) 層合板的抗彎強(qiáng)度無(wú)明顯影響,正向彎曲時(shí)最多可 使層合板的抗彎強(qiáng)度減少28%,反向彎曲時(shí)最多可 使層合板的抗彎強(qiáng)度減少50%。

3 綜合分析

當(dāng)分層缺陷靠近層合板的外表面時(shí),分層缺陷 與層合板表面間形成了一個(gè)較薄的板狀結(jié)構(gòu),層合 板易發(fā)生局部屈曲,層合板的有效承載面積減小,導(dǎo) 致整個(gè)結(jié)構(gòu)的承壓載荷減小;當(dāng)分層缺陷靠近層合 板的中性面時(shí),分層缺陷與層合板表面間形成的薄 板厚度較大,局部屈曲后層合板的整體承載面積減 小;隨著分層缺陷與層合板表面間形成的薄板厚度 不斷增大,整個(gè)板出現(xiàn)局部屈曲所需的載荷變大,當(dāng) 出現(xiàn)局部屈曲所需載荷接近層合板整體破壞的載荷 時(shí),層合板無(wú)局部屈曲,直接發(fā)生破壞,此時(shí)分層缺 陷試樣的抗壓強(qiáng)度接近正常試樣的抗壓強(qiáng)度。受拉 伸載荷時(shí),層合板全程無(wú)局部屈曲現(xiàn)象,因此分層缺 陷對(duì)層合板的抗拉強(qiáng)度影響較小。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)分層缺陷區(qū)域直徑為19mm,且深度大于板 厚的1/4時(shí),分層缺陷對(duì)層合板的力學(xué)性能影響不大。

(2)當(dāng)分層缺陷區(qū)域直徑為19mm,且深度小 于板厚的1/4時(shí),層合板應(yīng)避免受到壓縮載荷。

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