孫崇強(qiáng) 張建宇 費(fèi)斌軍

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

碳纖維/樹脂基復(fù)合材料具有比質(zhì)量小，比強(qiáng)度、比模量高，耐腐蝕，抗疲勞等特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛.在實(shí)際使用過程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)除了承受各種復(fù)雜的載荷外，還承受著各種環(huán)境因素的影響，包括溫度、潮濕環(huán)境、紫外輻射、化學(xué)腐蝕等［1－2］.濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料性能的影響［3－5］主要是通過樹脂基體、增強(qiáng)纖維以及樹脂-纖維粘接界面不同程度的破壞而引起其轉(zhuǎn)變;溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷;吸濕結(jié)晶化而產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展、基體的降解等.紫外輻射會(huì)［6－7］引起高分子聚合物類基體材料的老化，降低基體材料的強(qiáng)度、剛度等性能.涂層工藝［8－10］除了對(duì)惡劣環(huán)境具有防護(hù)作用，某些特殊的工藝還能改善復(fù)合材料表面性能，進(jìn)而提高其力學(xué)性能.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單一或多個(gè)環(huán)境因素對(duì)碳纖維/樹脂基復(fù)合材料影響做了大量的研究［1－10］，對(duì)于環(huán)境影響交互作用的研究還很少，為研究環(huán)境因素及其交互作用對(duì)T300/QY8911疲勞性能的影響，本文設(shè)計(jì)并開展了針對(duì)T300/QY8911含中心孔層壓板拉-拉疲勞的正交試驗(yàn).試驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)試件在給定環(huán)境條件下測(cè)試其拉-拉疲勞壽命，并通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析研究了有無(wú)涂層、紫外輻射、濕度等環(huán)境因素及其交互作用對(duì)T300/Y8911復(fù)合材料孔板拉-拉疲勞壽命影響的顯著性.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試 驗(yàn) 件

試驗(yàn)件材料體系為T300/QY8911，試驗(yàn)件形式為含中心孔拉伸層板，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5776設(shè)計(jì)加工，見圖1.尺寸如下:300 mm×36 mm ×2.52 mm，中心孔尺寸為φ6，試件孔隙率不大于1%，試件的纖維體積含量(63±3)%.結(jié)構(gòu)鋪層:［45/－45/0/－45/45/0/－45/90/0/45/0］s.

圖1 試件示意圖

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究紫外、濕度、涂層3個(gè)環(huán)境因素及其交互作用對(duì)T300/QY8911孔板拉-拉疲勞壽命的影響，本文采用正交試驗(yàn)法［11］.如果考慮3個(gè)環(huán)境因素及其交互作用的影響，就相當(dāng)于有6個(gè)因子，故選用L8(27)正交表，見表1.試驗(yàn)的因子和水平標(biāo)記如下:

A:紫外(MJ/m2)，分別為0和600;

B:涂層，分別為無(wú)涂層和帶涂層;

C:濕度，分別為干燥和濕潤(rùn).

正交表的行數(shù)代表試驗(yàn)次數(shù)，各列中的數(shù)字“1”和“2”分別代表該列所填因子的相應(yīng)水平，而每一行就是一個(gè)試驗(yàn)方案，各因子的各個(gè)水平代表哪一個(gè)具體數(shù)據(jù)也可以是隨機(jī)的，但應(yīng)該在排表前確定好.

按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分組，分組情況見表2.

表1 L8(2)正交表［11］

表2 試件分組情況 件

1.3 交互作用

利用正交設(shè)計(jì)可以方便地分析因素間的交互作用［11］.考慮交互作用時(shí)，表頭設(shè)計(jì)變得相對(duì)復(fù)雜一些，各因子不能隨便填在表頭上，而把要考慮交互作用的2個(gè)因子排在某2列之后，要查交互作用表找出這2列的交互作用列，這一列決不能再排其他因子，否則在該列就會(huì)發(fā)生“混雜”.這樣，當(dāng)該列的變動(dòng)平方和較大時(shí)，就不能區(qū)分是交互作用引起的還是第3個(gè)因子引起的.在正交表上作表頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免“混雜”的出現(xiàn)，這是考慮交互作用的正交表頭設(shè)計(jì)的一條基本原則，表3給出了考慮交互作用的表頭.

表3 考慮交互作用的表頭

2 試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 紫外和濕潤(rùn)試驗(yàn)

按照 GJB150.7—86標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紫外試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)的LXD270A氙氣燈光老化試驗(yàn)箱.一組試件控制在溫度(35±5)℃、干燥環(huán)境中進(jìn)行紫外輻射，另一組控制在溫度(35±5)℃、濕度(60±10)%RH的環(huán)境中進(jìn)行了紫外輻射，紫外輻射量均為600 MJ/m2.紫外輻射后，試件表面呈現(xiàn)黃色，如圖2所示.

2.2 靜強(qiáng)度預(yù)試驗(yàn)

為確定疲勞壽命試驗(yàn)的載荷，選用無(wú)紫外試件進(jìn)行靜強(qiáng)度預(yù)試驗(yàn).參照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)在Instron 8803液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上完成.靜力破壞效果見圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表4.

圖2 有無(wú)涂層試件表面紫外輻射前后對(duì)比

圖3 靜力拉伸破壞試件

表4 靜力拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 拉-拉疲勞壽命試驗(yàn)

選取靜力拉伸破壞載荷的80%作為疲勞載荷的最大值，采用正弦波加載，應(yīng)力比R=0.06，試驗(yàn)頻率取為6～10 Hz，試驗(yàn)在Instron 8803電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上完成.由超聲C掃描得到的典型拉-拉疲勞試件內(nèi)部損傷隨著循環(huán)數(shù)擴(kuò)展情況見圖4，拉-拉疲勞對(duì)數(shù)壽命試驗(yàn)結(jié)果列入表5.

圖4 典型的拉-拉疲勞試件內(nèi)部損傷擴(kuò)展

表5 拉-拉疲勞對(duì)數(shù)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入正交表中，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［11］，見表 6，方差分析結(jié)果見表 7.表 6中，Ij和IIj表示第j列的各水平數(shù)據(jù)和，T為數(shù)據(jù)總和，Sj為各列的變動(dòng)平方和，可由式(1)表示，ST為總的變動(dòng)平方和，可由式(2)表示.

其中，n為數(shù)據(jù)總數(shù);n1，n2分別為水平1，2所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)數(shù).

表7中，f為因子的自由度，各列的自由度皆為水平數(shù)減1，ST的自由度為n－1，且有:

即總變動(dòng)平方和的自由度等于各列變動(dòng)平方和的自由度之和.由柯赫倫分解定理可知，在因子作用不顯著時(shí)，各列Sj相互獨(dú)立，F(xiàn)的表達(dá)式由公式(4)給出:

其中，Se，fe分別為誤差項(xiàng)及其自由度.

表6 正交試驗(yàn)表數(shù)據(jù)處理

表7 方差分析結(jié)果

當(dāng) F ＞F1－α(fj，fe)時(shí)，則以檢驗(yàn)水平 α 推斷因子作用的顯著性.重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，總的試驗(yàn)誤差包含空列誤差和重復(fù)試驗(yàn)誤差兩部分.若記空列誤差和為Se1，重復(fù)試驗(yàn)誤差為Se2，則總的試驗(yàn)誤差為

其中，Se2的計(jì)算公式為各個(gè)條件下的數(shù)據(jù)變動(dòng)平方和，即

Se2的自由度為各個(gè)條件下自由度之和，即

其中，ni為各個(gè)條件下的試驗(yàn)重復(fù)數(shù).

當(dāng) F ＞ F1－α)時(shí)，則以檢驗(yàn)水平 α 推斷給因子作用的顯著性，高度顯著α取0.99，顯著性 α 取0.95.

結(jié)果表明，在紫外、涂層、試件干濕狀態(tài)及其中任意二者的交互作用中，有無(wú)涂層對(duì)復(fù)合材料孔板的拉-拉疲勞壽命影響高度顯著，有無(wú)紫外及涂層與濕度的交互作用對(duì)復(fù)合材料孔板的拉-拉疲勞壽命影響顯著;而濕度、紫外與涂層的交互作用及紫外與濕度的交互作用對(duì)復(fù)合材料孔板拉-拉疲勞壽命的影響均不顯著.

對(duì)結(jié)果進(jìn)一步分析，紫外輻射顯著降低了該復(fù)合材料的疲勞壽命，而紫外與涂層的交互作用對(duì)其壽命影響不顯著，這說明涂層對(duì)紫外輻射有防護(hù)作用.涂層工藝不僅起到防護(hù)作用，對(duì)復(fù)合材料表面也起到了處理作用，這可能是涂層顯著提高該復(fù)合材料疲勞壽命的原因之一.濕潤(rùn)對(duì)復(fù)合材料影響不顯著，但其與涂層的交互作用對(duì)復(fù)合材料壽命起到了顯著影響，究其原因，可能是由于該涂層在濕潤(rùn)條件下與復(fù)合材料表面更好地結(jié)合，顯著抑制了疲勞損傷的萌生與擴(kuò)展.

4 結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)研究了環(huán)境因素及其交互作用對(duì)CFRP孔板拉-拉疲勞性能的影響，并得出以下結(jié)論:

1)紫外輻射后復(fù)合材料孔板表面發(fā)生了明顯的顏色變化.

2)通過C掃描發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料孔板內(nèi)部損傷(分層面積)隨著拉-拉疲勞循環(huán)數(shù)的增加而擴(kuò)展.

3)有無(wú)涂層對(duì)復(fù)合材料孔板的疲勞壽命影響高度顯著;有無(wú)紫外及涂層與濕度的交互作用對(duì)復(fù)合材料孔板的疲勞壽命影響顯著;濕度、紫外與涂層的交互作用及紫外與濕度的交互作用對(duì)疲勞壽命的影響均不顯著.

4)復(fù)合材料涂層工藝對(duì)紫外起到了很好的防護(hù)作用，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料孔板拉伸疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生有利影響.

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