董安琪，趙新青，肇研

北京航空航天大學,材料科學與工程學院，北京 100083

先進熱固性復合材料已經在航空航天、海洋以及其他工業(yè)領域得到了廣泛應用[1]。隨著先進復合材料制件在數量，尺寸和結構復雜性方面的發(fā)展，傳統(tǒng)熱壓罐復合材料已經顯現弊端，其成本較高，受制件尺寸限制，生產效率低[2]。因此，不需高額生產成本且制品尺寸不受限制的罐外固化復合材料得到了迅速發(fā)展[3]。

罐外固化復合材料以預浸料為原材料，通過預浸料鋪疊、真空袋封裝后，放置在烘箱內進行固化。為了保證罐外固化復合材料的成型質量，需要在鋪疊過程中進行壓實(Debulking)處理[4]。傳統(tǒng)的手鋪成型精度不高，而自動鋪放成型技術可以提高制品質量，重復率并能夠制備復雜形狀制件。因此，將纖維自動鋪放工藝與罐外固化工藝結合起來，已經成為復合材料的重要發(fā)展方向[5-6]。

自動鋪放工藝制備罐外固化復合材料過程中，一般采用寬度為6.35 mm的預浸料，便于成型復雜形狀并且提高成型精度。因此由于鋪放軌跡的設置以及預浸料寬度的差別會出現縫隙(Gaps)和堆疊(Overlaps)等缺陷[7-8]，如下文中所述，其中Gaps在自動鋪放工藝中是難以避免的。

鋪放缺陷的存在將對罐外固化復合材料的力學強度和疲勞性能產生影響，尤其對于疲勞性能，其對復合材料中的缺陷相當敏感[9-10]。罐外固化復合材料的疲勞性能將決定其使用壽命及應用價值。許多學者對熱壓罐復合材料的疲勞性能進行了研究[11-13]，但是目前對罐外固化復合材料疲勞性能的研究非常少，尤其對于纖維自動鋪放工藝制備的罐外固化復合材料；基于鋪放缺陷對疲勞性能影響的研究同樣十分欠缺。

因此，本工作選用罐外固化預浸料，采用纖維自動鋪放工藝制備了單向罐外固化復合材料IM7/CYCOM 5320-1。研究了0o單向罐外固化復合材料的拉-拉疲勞性能，探討了自動鋪放過程中造成的缺陷對罐外固化復合材料疲勞性能的影響，建立疲勞壽命和剩余強度衰減模型，期望為自動鋪放工藝制備罐外固化復合材料的疲勞性能提供數據和理論支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

所用罐外固化預浸料為IM7/CYCOM 5320-1FI，來自Cytec公司；‘FI’為Fully Impregnated，即預浸料為完全浸漬結構，用于纖維自動鋪放工藝；預浸料寬度為6.35 mm，面密度為145 g/m2，樹脂質量含量為33wt%。復合材料固化過程中所用輔料來自Airtech公司。

1.2 罐外固化復合材料制備

采用實驗室級纖維自動鋪放設備鋪放IM7/CYCOM 5320-1預成型體，鋪放完成后將預成型體采用真空袋進行封裝，在真空輔助的前提下放置在烘箱中進行固化。所用實驗室級纖維自動鋪放設備來自Automated Dynamics公司。鋪放過程中同時鋪放4條預浸料，所采用的鋪放壓力為180 N，鋪放速率為0.20 m/s，加熱溫度為50 ℃。固化過程中，真空度不低于90 kPa；固化工藝為以2 ℃/min的升溫速率加熱至120 ℃，固化3 h后以2 ℃/min的升溫速率加熱至后固化溫度180 ℃，保溫2 h后降至室溫。

在自動鋪放制備罐外固化復合材料的過程中，同時鋪放4條預浸料，不可避免地會出現鋪放缺陷(Gaps)，如圖1所示。為了研究此缺陷對罐外固化復合材料疲勞性能的影響，制備了2種IM7/CYCOM 5320-1單向罐外固化復合材料試樣，如圖2所示。復合材料鋪層均為[0]9，圖2(a)為正常情況下的復合材料試樣(No Defects Specimen, NDS)，圖2(b)為預置缺陷的復合材料試樣(Defected Specimen, DS)，缺陷在自動鋪放過程中預置，缺陷在中間鋪層(第5層)的正中部位，垂直于纖維方向。每組試樣獲得6個有效數據。

圖1 纖維自動鋪放罐外固化復合材料過程中的缺陷Fig.1 Defects induced in automated fiber placement process of manufacturing of out-of-autoclave composite

圖2 兩種復合材料試樣Fig.2 Two kinds of composite specimens

1.3 靜態(tài)拉伸測試

根據ASTM D3039[14]標準對兩IM7/CYCOM 5320-1單向罐外固化復合材料試樣進行靜態(tài)0°拉伸測試。測試在250 kN的MTS力學試驗機上進行，測試速率為1 mm/min。測試時在試樣正反兩面中間貼應變片，采集測試過程中的試樣應變。

1.4 疲勞性能測試

由靜態(tài)拉伸測試得到正常和無缺陷IM7/CYCOM 5320-1復合材料的單向拉伸強度，分別對6個有效數據取平均值后得到的強度作為極限拉伸強度。根據標準ASTM D3479[15]對2種單向罐外固化復合材料進行0°拉-拉疲勞試驗，分別選取極限拉伸強度的90%、85%、83%、80%和77%作為疲勞強度，根據各試樣的實際尺寸來確定疲勞載荷。疲勞試驗中采用控制載荷模式，應力比為0.1，頻率為10 Hz。每組疲勞強度測3個有效數據。

2 實驗結果及分析

2.1 靜態(tài)拉伸性能分析

表1為正常和有缺陷的IM7/CYCOM 5320-1單向復合材料的靜態(tài)拉伸性能。可以看出，有缺陷的試樣拉伸強度相比于正常試樣降低5.90%，拉伸模量降低6.54%，說明鋪放缺陷對單向罐外固化復合材料的靜態(tài)拉伸性能影響不大。這是由于在預成型體固化過程中，在其上表面放置平板模具，有利于減少預置缺陷對其附近樹脂和纖維的影響，緩解含缺陷層的厚度變化[16]，如圖3所示；尤其對于單向鋪層的罐外固化復合材料，纖維處于同一方向有利于填充缺陷，并且材料中樹脂CYCOM5320-1為增韌環(huán)氧體系，有利于在拉伸測試中有效傳遞和累積載荷，使得標距段的應力均勻分布[17]。

由圖4可以看出，二者的拉伸曲線趨勢相同，這說明在靜態(tài)拉伸過程中，并未由于缺陷存在導致材料強度和模量突變，說明拉伸應力在試樣中均勻分布。

表1 靜態(tài)拉伸性能Table 1 Static tensile properties

圖3 預置缺陷的預成型體固化示意圖Fig.3 Schematic of preform with preset defects in curing step

圖4 靜態(tài)拉伸測試曲線Fig.4 Static tensile tests curves

2.2 疲勞性能分析

在復合材料拉-拉疲勞測試過程中，由于樹脂基體的模量較低，在疲勞載荷的作用下，裂紋首先出現在基體中來消耗疲勞載荷產生的能量；隨著疲勞測試的繼續(xù)進行，基體中裂紋逐漸增多，復合材料的界面處開始出現脫粘等，并可能伴有局部的纖維破壞，但由于纖維的模量高于樹脂，此階段復合材料破壞的速度放緩；繼續(xù)加載疲勞載荷后，纖維斷裂越來越多，導致載荷重新分配；至疲勞測試后期，斷裂的纖維更多，雖然載荷重新分配，但由于應力集中現象越來越嚴重，導致復合材料的破壞加速，直至最終失效[18]。

表2為應力比為0.1時，選取極限拉伸強度的90%、85%、83%、80%和77%作為疲勞強度后的正常和預置缺陷的單向罐外固化復合材料的沿纖維方向拉-拉疲勞測試結果。可以看出，兩種復合材料的疲勞壽命均隨疲勞載荷的增大而減少。在相同的疲勞載荷作用下，預置缺陷復合材料的疲勞壽命一直低于正常復合材料。在較高的疲勞載荷下，缺陷對于材料疲勞壽命的影響更加明顯；但在疲勞載荷較低時，二者的壽命相差較小，說明缺陷的影響也較小。當疲勞載荷為1 941 MPa(DS試樣的77%應力水平；NDS試樣的72%應力水平)時，正常和有缺陷的復合材料達到相同的疲勞壽命水平，這說明在此應力水平以下，鋪放缺陷并不會額外增加復合材料的損傷，也不會對疲勞性能產生明顯影響。圖5為隨施加應力(Applied Stress)S變化的復合材料疲勞壽命(Cycles to Failure)Nf曲線，可以看出正常和預置缺陷的單向罐外固化復合材料的疲勞壽命曲線趨勢一致。

表2 拉-拉疲勞性能測試結果

圖5 正常和預置缺陷的罐外固化復合材料的 S-lg Nf曲線Fig.5 S-lg Nf curves of NDS and DS composites

沿纖維方向的單向罐外固化復合材料拉-拉疲勞試樣破壞模式見圖6?？梢钥闯?，此斷裂模式與靜態(tài)拉伸測試的破壞模式相同，在加強片附近有少量脫粘，此現象在靜態(tài)拉伸測試時也有發(fā)生，尤其對于單向復合材料[19]。

為了進一步討論應力比和疲勞載荷對罐外固化復合材料疲勞壽命的影響，根據以上得到的疲勞測試數據，基于Harris提出的校正模型[20]對疲勞壽命進行分析：

(1)

式中：f、A和B為擬合參數；σa=(σmax-σmin)/2為交變應力，表示應力幅度；σm=(σmax+σmin)/2為平均應力，即最大和最小應力的平均值；a=σa/σt，即交變應力與拉伸強度比值；q=σm/σt，即平均應力與拉伸強度比值；c=σc/σt，σc為壓縮強度,σt為拉伸強度，c即壓縮強度與拉伸強度比值。

為了解式(1)，建立適用于罐外固化復合材料IM7/CYCOM5320-1的疲勞壽命Nf預測模型[21-22]，將式(1)轉化為式(2)：

(2)

式中：u為與疲勞壽命有關的擬合參數。

圖6 拉-拉疲勞測試破壞模式Fig.6 Failure mode of tension-tension fatigue tests

圖7 疲勞壽命預測模型曲線Fig.7 Curves of fatigue life predicted model

圖7為根據式(2)計算的正常和預置缺陷的IM7/CYCOM5320-1罐外固化復合材料的疲勞模型。可以看出疲勞壽命參數u與lgNf呈線性關系，其中正常復合材料擬合曲線的皮爾遜相關系數為0.991 3，校準決定系數為0.981 3，預置缺陷復合材料擬合曲線的皮爾遜相關系數為0.988 3，校準決定系數為0.975 0，二者線性結果較好。從圖中還可以看出，相比于疲勞載荷較低時，在高疲勞載荷下的缺陷對疲勞壽命的影響較大。疲勞壽命預測模型參數A和B結果見表3，可以看出，兩種罐外固化復合材料的模型參數接近。以上結果說明在低疲勞載荷下，缺陷的存在并不會明顯影響裂紋的擴展速度；而在高疲勞載荷下，由于缺陷導致沿加載方向復合材料內部纖維的不連續(xù)，在裂紋由基體擴展至纖維后，部分纖維斷裂導致載荷平均分配，重新分配的疲勞載荷明顯高于正常復合材料，應力集中嚴重，因此導致其疲勞壽命減少。

根據所得到的疲勞壽命模型預測了不同應力比下的正常和預置缺陷罐外固化復合材料的S-lgNf曲線，如圖8?？梢钥闯?，在高疲勞載荷下，正常復合材料的疲勞壽命明顯長于預置缺陷復合材料，而疲勞載荷越低，二者的差距逐漸減少。同時可以看出，隨著應力比的降低，正常和預置缺陷的復合材料疲勞壽命的差距不斷減小，當應力比為0.1～0.2時，疲勞載荷低于1 800 MPa下兩種復合材料的疲勞壽命幾乎一致。

表3 疲勞壽命預測模型中的參數

圖8 正常和預置缺陷的罐外固化復合材料在 不同應力下的預測S -lg Nf曲線Fig.8 Predicted S-lg Nf curves of NDS and DS with different stress ratios

2.3 剩余強度分析

為了研究缺陷對IM7/CYCOM 5320-1罐外固化復合材料在疲勞過程中強度變化規(guī)律的影響，對疲勞載荷為80%R(0)(R(0)為復合材料的靜態(tài)強度)，應力比為0.1疲勞測試中的正常和預置缺陷復合材料的剩余強度進行測試，結果如表4所示。

復合材料在受到軸向疲勞應力的時，在初始時刻的強度即為復合材料的軸向拉伸強度；在固定所施加的疲勞載荷的前提下，隨著疲勞測試的進行，復合材料所能承受的載荷降低，即材料的剩余強度降低；加載周數至Nf后，材料失效[23]。在復合材料的疲勞測試期間，所施加的疲勞載荷越小，材料的剩余強度也相應減小；應力比越大，材料的剩余強度降低的越快[24]。

表4 拉-拉疲勞測試中的剩余拉伸強度

由于疲勞測試中復合材料的剩余強度是加載周數的函數，并且隨加載周數的增加而指數性降低，因此根據Haplin模型[25-26]定義剩余強度為

R(n,σ)=

(3)

式中：R(n,σ)為剩余強度；σ為疲勞載荷；α和β為擬合參數；n為加載周數。式(3)即為罐外固化復合材料在疲勞測試過程中的剩余強度計算公式，其中參數α和β與施加載荷σ無關，疲勞壽命Nf與施加載荷σ和應力比(k=σmin/σmax)有關[27]。

圖9為由式(3)擬合得到的正常和預置缺陷IM7/CYCOM5320-1罐外固化復合材料在疲勞測試過程中的剩余強度衰減曲線。表5為剩余強度擬合模型的參數?？梢钥闯?，罐外固化復合材料在疲勞過程中的力學強度變化分為兩個階段：穩(wěn)定階段和強度降低階段[28-29]。對于正常和預置缺陷的復合材料，二者在疲勞測試前期的力學性能維持平穩(wěn)狀態(tài)，無明顯變化；而在正常復合材料n/Nf≈ 0.32，預置缺陷復合材料n/Nf≈ 0.37時，二者力學強度明顯下降。這是由于在疲勞載荷初期，復合材料內的裂紋主要出現在基體中，來消耗疲勞測試的能量；當循環(huán)周數達到一定值，基體中的裂紋已經不足以完全消耗疲勞能量，裂紋向界面和纖維擴展，復合材料內發(fā)生界面脫粘和纖維斷裂，由于纖維是復合材料的主要承力單元，因此纖維斷裂導致載荷重新分配，體現為復合材料強度的下降；至復合材料強度無法承受疲勞載荷時，材料發(fā)生失效破壞[30-31]。相比于正常復合材料，在相同應力水平80%R(0)和應力比0.1下的預置缺陷復合材料的初始強度為2 521.36 MPa，低于正常復合材料，其所受的疲勞載荷也較低，因此發(fā)生強度明顯下降時n/Nf值稍高于正常復合材料。

圖9 拉-拉疲勞載荷下正常和預置缺陷罐外固化 復合材料的剩余強度擬合曲線Fig.9 Fitting curves of residual strength of NDS and DS with tension-tension fatigue load

表5 剩余強度模型中的參數Table 5 Parameters in residual strength model

ParametersNDSDSα2.031.92β50.6762.24

基于所得到的剩余強度模型，預測了疲勞測試中相同應力比0.1下，不同應力載荷對正常和預置缺陷罐外固化復合材料的剩余強度影響，如圖10。由圖10(a)可以看出，隨著應力載荷的提高，材料剩余強度降低的越慢，即n/Nf值越高，這是由于在高疲勞載荷下，材料的疲勞壽命也越短，如圖10(b)，相同應力水平下，預置缺陷復合材料發(fā)生強度明顯下降時的n/Nf值稍高于正常復合材料，與圖中的趨勢一致。由圖10(a)還可以看出，應力水平越高，預置缺陷對罐外固化復合材料的剩余強度影響越明顯。當應力水平為95%時，n/Nf= 0.60情況下，RNDS/R(0)=0.99，而RDS/R(0)= 0.96；n/Nf=0.80情況下，RNDS/R(0)=0.90，而RDS/R(0)=0.81。當應力水平為80%時，n/Nf= 0.60情況下，RNDS/R(0)=0.92，而RDS/R(0)=0.91；n/Nf=0.80情況下，RNDS/R(0)=RDS/R(0)=0.72。

預測了疲勞測試中相同應力水平80%R(0)下，不同應力比對正常和預置缺陷罐外固化復合材料的剩余強度影響，如圖11所示。由圖11(a)可以看出，隨應力比的提高，復合材料剩余強度明顯下降的越早，這是由于高應力比下材料的疲勞壽命較高，如圖11(b)所示。由圖11(a)還可以看出，當n/Nf= 0.60時， 應力比為0.1情況下，RNDS/R(0)=0.95，RDS/R(0)=0.93，二者相差2.11%；當應力比為0.8情況下，RNDS/R(0)=0.89，而RDS/R(0)=0.87，二者相差2.25%。由此可知，不同應力比下，缺陷對罐外固化復合材料的剩余強度影響一致。

圖10 拉-拉疲勞測試中不同應力載荷對正常和預置缺陷罐外固化復合材料的剩余強度影響Fig.10 Effect on residual strength of NDS and DS with variable stress levels during tension-tension fatigue tests

圖11 拉-拉疲勞測試中不同應力比對正常和預置缺陷罐外固化復合材料的剩余強度影響Fig.11 Effect on residual strength of NDS and DS with variable stress ratios during tension-tension fatigue tests

3 結 論

1) 預置缺陷的0°單向IM7/CYCOM5320-1罐外固化復合材料的靜態(tài)拉伸強度相比于正常罐外固化復合材料降低5.90%，拉伸模量降低6.54%。

2) 0°單向罐外固化復合材料的沿纖維方向拉-拉疲勞測試中，NDS和DS罐外固 化復合材料的疲勞壽命均隨疲勞載荷的增大而減少，DS的疲勞壽命一直低于NDS復合材料。在高疲勞載荷下，缺陷對于材料疲勞壽命較大；在疲勞載荷較低時，二者的壽命相差較小，缺陷的影響也越低。NDS和DS的疲勞破壞模式均與靜態(tài)拉伸測試相同。建立了適用于罐外固化復合材料IM7/CYCOM5320-1的疲勞壽命預測模型，與實際測試結果擬合良好。

3) 在應力水平80%R(0)和應力比0.1的拉-拉疲勞測試剩余強度分析中，NDS和DS罐外固化復合材料在在疲勞前期的力學強度均維持平穩(wěn)狀態(tài)，無明顯變化；當NDS的n/Nf≈0.32，DS的n/Nf≈0.37時，二者力學強度明顯下降。建立了適用于罐外固化復合材料IM7/CYCOM5320-1的疲勞剩余強度模型，結果表明應力水平越高，缺陷對罐外固化復合材料的剩余強度影響越明顯，而不同應力比下，缺陷對罐外固化復合材料的剩余強度影響一致。

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