張夢(mèng)濤，劉 峰，李雪江

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

碳纖維層合板因其較高的比剛度、比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。復(fù)合材料層合板易受到工具掉落、運(yùn)輸過程中意外撞擊等低能量沖擊。通常這些低能量沖擊產(chǎn)生的損傷肉眼難以察覺，但此時(shí)層合板內(nèi)部損傷可能較為嚴(yán)重，致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降[1-4]。因此，對(duì)沖擊后的復(fù)合材料層合板力學(xué)性能開展研究具有重要工程意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)沖擊后復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究。朱煒垚[5]進(jìn)行8種能量的低速?zèng)_擊和沖擊后壓縮試驗(yàn)，研究了沖擊能量、沖擊損傷以及剩余壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系。程小全等[6-7]進(jìn)行沖擊后壓縮試驗(yàn)，研究壓縮破壞形式并建立剩余壓縮強(qiáng)度估算模型。上述學(xué)者主要研究了沖擊后復(fù)合材料的壓縮性能。黃智等[8]研究了不同溫度和能量對(duì)沖擊后剩余拉伸強(qiáng)度的影響，研究表明：沖擊能量越大，溫度越高，層合板剩余強(qiáng)度越低。桑潤輝等[9]對(duì)耦合高強(qiáng)鋼絲碳纖維(SCFRP)板進(jìn)行沖擊后拉伸試驗(yàn)，分析鋼絲對(duì)SCFRP板剩余拉伸強(qiáng)度的影響。袁瀟灑等[10]通過試驗(yàn)研究混雜層板損傷機(jī)制以及沖擊后拉伸性能，試驗(yàn)表明：混雜層板剩余拉伸強(qiáng)度與鋪層纖維方向有關(guān)。管清宇等[11]通過試驗(yàn)研究不同類型沖頭和鋪層方式對(duì)拉伸剩余強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)表明：二者對(duì)拉伸剩余強(qiáng)度都存在一定影響。J.M.Koo等[12]指出，在沖擊能量不變的情況下，沖頭質(zhì)量大小與剩余強(qiáng)度基本無關(guān)。上述學(xué)者從多種角度對(duì)剩余拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了研究，但沖擊能量變化對(duì)試件剩余拉伸強(qiáng)度的影響研究較少；因此需要開展這方面的研究工作，為復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

本文以T300 12K/164型單向帶碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板沖擊后的靜拉伸強(qiáng)度開展了試驗(yàn)研究。設(shè)置試驗(yàn)對(duì)照組，對(duì)典型力-位移拉伸曲線進(jìn)行了分析，研究了沖擊能量與剩余拉伸強(qiáng)度的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

采用南京玻纖院生產(chǎn)的T300/12K碳纖維作為增強(qiáng)纖維，國產(chǎn)164環(huán)氧樹脂作為基體，通過濕法鋪層常溫真空加壓工藝制作碳纖維層合板試件。參照GB/T 14153標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試件，試件尺寸如圖1所示。試件鋪層為[0]8,厚度為2 mm。采用數(shù)控加工方式制取長(zhǎng)250 mm、寬25 mm的試驗(yàn)樣品。沖擊點(diǎn)為試件的形心位置。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，在試件兩端粘貼長(zhǎng)50 mm、寬25 mm、厚1 mm的加強(qiáng)片，用于靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)。

1.2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

參照GB/T 14153標(biāo)準(zhǔn)，采用萬測(cè)DIT152落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn)。沖擊裝置如圖2所示。沖擊頭端部為半球形，直徑16 mm，沖擊組件總質(zhì)量為5.5 kg。橫梁上的機(jī)械裝置夾持沖擊組件，上升至指定高度后自由落下，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，可通過調(diào)節(jié)橫梁高度改變沖擊能量大小。沖擊試驗(yàn)機(jī)自帶防反彈二次沖擊裝置。沖擊能量分別選擇10、15、20和25 J，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)件編號(hào)分別為C-10、C-15、C-20和C-25，未沖擊組試驗(yàn)件編號(hào)為C-0。相應(yīng)落錘高度依次為185.4、278.1、370.8和463.5 mm。

由于試件尺寸較小，無法直接固定在沖擊平臺(tái)上，因此在平臺(tái)上放置一個(gè)剛性板，使用C形夾將試件固定在剛性板上，避免試件在受沖擊時(shí)發(fā)生振動(dòng)，減小試驗(yàn)系統(tǒng)的能量耗散。試件夾持方式如圖3所示。

1.3 靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)

對(duì)沖擊后的試件進(jìn)行靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)，選取C-0組試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)在萬測(cè)XY305電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移加載方式，加載速率為2 mm/min，同一能量下靜強(qiáng)度拉伸試件數(shù)量為5個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沖擊后試件表面形貌分析

使用OLYMPUS-SZX7體視顯微鏡對(duì)沖擊后試驗(yàn)件表面形貌進(jìn)行拍攝。圖4所示為沖擊后各試驗(yàn)組試件的典型表面形貌。由圖4可知，各試驗(yàn)組試件正面的沖擊位置產(chǎn)生了近圓形凹坑，背面出現(xiàn)基體開裂和分層現(xiàn)象。C-10組試件損傷程度較輕，背面無明顯變化；C-15組試件沖擊面凹坑相對(duì)C-10擴(kuò)大，基體損傷更明顯，試件背面出現(xiàn)輕微的分布基體短裂紋；C-20組試件凹坑直徑繼續(xù)增大，損傷程度加劇，試件背面出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋和輕微凸起；C-25組試件凹坑中的裂紋向周圍擴(kuò)展，損傷面積進(jìn)一步增加，背面高高隆起，基體開裂、纖維斷裂情況明顯。

圖5所示為各試驗(yàn)組沖擊能量-凹坑面積均值曲線。由圖5可知，4組受沖擊試件的凹坑面積隨沖擊能量增加基本呈線性增加趨勢(shì)。沖擊能量達(dá)到15 J時(shí)，沖擊造成的應(yīng)力導(dǎo)致碳纖維層合板進(jìn)入漸進(jìn)損傷過程，發(fā)生基體開裂、基體壓潰、纖維斷裂、纖維基體抽離等模式損傷，表現(xiàn)為曲線斜率增大；沖擊能量達(dá)到20 J時(shí)，由于試件厚度有限，且位于剛性板上方，試件受損后底部剩余剛度變大，凹坑面積增長(zhǎng)速率減小，表現(xiàn)為曲線斜率略有下降；沖擊能量達(dá)到25 J時(shí)，基體裂紋向四周擴(kuò)展，纖維斷裂和基體開裂等損傷程度加深，阻止損傷向試件厚度方向蔓延。

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 拉伸載荷-位移曲線

圖6所示為承受15 J能量沖擊后試件的拉伸載荷-位移曲線。曲線上標(biāo)記的O、A、B點(diǎn)依次為原點(diǎn)、拉伸載荷損傷起始點(diǎn)、試件斷裂點(diǎn)。OA曲線呈線性特征。位移到達(dá)A點(diǎn)后，在拉伸載荷作用下試件進(jìn)入損傷過程，出現(xiàn)拉伸載荷隨位移增大先突降再上升的振蕩現(xiàn)象。原因是試件鋪層方向?yàn)?°，拉伸破壞模式主要為纖維斷裂；此時(shí)試件中發(fā)生纖維的局部斷裂，造成試件承載力降低，拉伸載荷突降；同時(shí)試件中未斷裂的纖維開始承力，致使拉伸載荷再次上升。到達(dá)B點(diǎn)后，試件中的纖維全部斷裂，失去承載力。

圖7所示為5組試件拉伸載荷-位移典型曲線。由圖7可知，C-0組曲線基本為線性趨勢(shì)；C-10組沖擊能量較低，初始損傷程度較輕，因此峰值載荷有所下降，但載荷曲線趨勢(shì)基本與C-0組重合；另外3組試件趨勢(shì)基本一致。C-0～C-25各試驗(yàn)組拉伸載荷峰值均值依次為52.61、47.75、41.11、33.43和20.90 kN，拉伸載荷峰值隨沖擊能量增大呈單調(diào)減小趨勢(shì)。各試驗(yàn)組試件斷裂時(shí)的位移均值依次為4.01、3.79、3.63、3.29和2.88 mm，斷裂時(shí)位移隨沖擊能量增大呈單調(diào)減小趨勢(shì)。試件受到?jīng)_擊后，沖擊區(qū)域產(chǎn)生近圓形凹坑，出現(xiàn)基體壓潰、纖維基體抽離、纖維斷裂、基體開裂等損傷形式，層合板的局部剛度和承載能力下降，導(dǎo)致拉伸載荷也出現(xiàn)整體下降。后3組試件沖擊能量較高，試件內(nèi)部產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷，試件整體承載力明顯下降，與無損組曲線出現(xiàn)明顯的整體下降趨勢(shì)，且隨沖擊能量增大，試件斷裂位移不斷減小。

2.2.2 拉伸剩余強(qiáng)度與現(xiàn)象分析

試件的拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1447—2005提供的方法計(jì)算，計(jì)算式如下：

(1)

式中，σt為拉伸強(qiáng)度；Pmax為試件斷裂前承受的最大載荷；b為試件寬度；d為試件厚度。

各組試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。已剔除差異過大的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，各試驗(yàn)組拉伸強(qiáng)度依次為938.43、831.90、722.03、582.37和371.20 MPa；試件的剩余拉伸強(qiáng)度隨沖擊能量增大而不斷降低。沖擊能量-靜拉伸強(qiáng)度曲線如圖8所示，各沖擊組試件剩余強(qiáng)度相較未沖擊組依次下降11.35%、23.06%、37.94%、60.44%。C-25組試件拉伸強(qiáng)度驟減，原因可能是沖擊能量過大，裂紋向沖擊區(qū)域周圍迅速延伸，碳纖維在高能量沖擊損傷程度加劇，承載能力迅速下降。

試件斷裂形貌如圖9所示。受沖擊試件的斷口基本位于沖擊區(qū)域附近，這是由于試件受沖擊區(qū)域出現(xiàn)損傷，剛度發(fā)生突變，形成了薄弱區(qū)，應(yīng)力較為集中；各組試件的斷口方向都與纖維方向垂直。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)沖擊試驗(yàn)表明：試件沖擊區(qū)域正面出現(xiàn)近圓形凹坑，背面出現(xiàn)基體損傷和分層現(xiàn)象；4組沖擊試件的凹坑面積隨沖擊能量增加基本呈線性增加趨勢(shì)。

2)靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)表明：拉伸載荷峰值隨沖擊能量增大呈單調(diào)減小趨勢(shì)；斷裂時(shí)位移隨沖擊能量增大呈單調(diào)減小趨勢(shì)。

3)C-10～C-25組試件的剩余拉伸強(qiáng)度隨沖擊能量增大呈單調(diào)減小趨勢(shì)，依次下降11.35%、23.06%、37.94%、60.44%。

4)受沖擊試件的斷口基本位于沖擊區(qū)域附近，試件的斷口方向都與纖維方向垂直。