戎笑遠(yuǎn)，潘利劍，岳廣全，劉 佳，劉衛(wèi)平，，王安威

（1. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 201620；3. 中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 （Carbon fibre reinforced plastics， CFRP）由于具有優(yōu)秀的綜合性能[1–2]，不僅在風(fēng)電葉片、汽車結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用，還受到了航空制造業(yè)的青睞[3–5]。在諸多CFRP 成型工藝中，熱壓罐成型是一種發(fā)展較為成熟、工藝較為完善的方法。然而在鋪貼和熱壓罐成型過程中，很容易將褶皺、分層等缺陷帶入到CFRP 復(fù)合材料預(yù)浸料中，有很多學(xué)者曾對(duì)缺陷的影響展開研究。

張韜[6]研究了褶皺高寬比對(duì)CFRP 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著褶皺數(shù)量和高寬比的增加，CFRP復(fù)合材料的壓縮性能會(huì)顯著下降；Xie 等[7]通過表征缺陷尺寸的各個(gè)參數(shù)來預(yù)測(cè)平坦的預(yù)浸料層合板的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)褶皺會(huì)對(duì)復(fù)合材料的壓縮性能產(chǎn)生較大的影響，在加載方向上起皺角的大小是其壓縮強(qiáng)度的主要影響因素；張婷等[8]制備了具有不同褶皺角和褶皺層數(shù)的試驗(yàn)件，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)褶皺件的起皺角進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度都會(huì)隨著褶皺角的增大而產(chǎn)生明顯下降，且壓縮強(qiáng)度下降的幅度更大；Thor 等[9]利用數(shù)字圖像相關(guān)法 （DIC）來分析每個(gè)試驗(yàn)階段的應(yīng)變等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著層壓板厚度的增加，帶有面外褶皺的復(fù)合材料的失效形式由分層轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g剪切失效，且面外褶皺的振幅和層合板的厚度都會(huì)對(duì)其力學(xué)性能造成非常大的影響；Nie 等[10]通過使用高速X 射線相對(duì)比成像方法記錄在拉伸加載過程中材料中的分層和隨后的擴(kuò)展，并發(fā)現(xiàn)在縱向樣品上具有剪切斷裂和軸向分裂的現(xiàn)象，而在橫向樣品上發(fā)現(xiàn)了基體和纖維的脫黏現(xiàn)象；Short 等[11]研究了分層對(duì)于平板和曲板的壓縮強(qiáng)度的影響，結(jié)合有限元模擬，得出結(jié)論：分層會(huì)對(duì)復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度造成較大的影響，且壓縮強(qiáng)度會(huì)隨著分層位置的加深和分層大小的增加而減?。蛔Ｆ鏃鱗12]研究了分層形狀、大小和位置等因素對(duì)復(fù)合材料孔板的屈曲和缺陷擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的臨界屈曲載荷會(huì)隨著分層的增大而下降；籍永青等[13]對(duì)含有人工模擬分層的試驗(yàn)件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分層缺陷對(duì)復(fù)合材料層合板拉伸性能的影響較小且不同鋪層角度會(huì)產(chǎn)生不同的損傷擴(kuò)展形式。

目前大多數(shù)的研究都偏向于研究缺陷對(duì)于復(fù)合材料某一特定性能的影響，且大多數(shù)研究都重點(diǎn)關(guān)注了缺陷對(duì)復(fù)合材料的拉伸或壓縮強(qiáng)度的影響。本文將著重于研究面外褶皺和分層對(duì)于復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的影響，分析含面外褶皺和分層的復(fù)合材料的斷裂機(jī)理，從而為CFRP 復(fù)合材料的出廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

本試驗(yàn)所使用的原料為比利時(shí)索爾維公司生產(chǎn)提供的CYCOM?970 碳纖維/環(huán)氧樹脂織物預(yù)浸料。

本試驗(yàn)的主要設(shè)備為西安龍德科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的熱壓罐。

1.2 人工制造缺陷的制造

（1）分層的設(shè)計(jì)和制備。

由于聚四氟乙烯薄膜表面張力極小，具有很好的不黏性，因此本試驗(yàn)通過引入聚四氟乙烯薄膜來模擬分層的產(chǎn)生。為更直觀地表示分層和試驗(yàn)件的尺寸，繪制圖1 所示的分層示意圖，其中L、W、H分別代表試驗(yàn)件的長(zhǎng)度、寬度和高度，X和Y分別代表分層的寬度和長(zhǎng)度。聚四氟乙烯膜均埋于預(yù)浸料的中間鋪層處，且位于試驗(yàn)件的幾何中心處。考慮到實(shí)際大飛機(jī)中復(fù)合材料層合板的工作情況，拉伸試驗(yàn)件、壓縮試驗(yàn)件和彎曲試驗(yàn)件以及短梁剪切試驗(yàn)件的分層尺寸設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 試樣的分層尺寸和嵌入位置Table 1 Delamination size and embedding position of the specimen

圖1 分層尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of delamination size

使用裁刀將聚四氟乙烯膜按尺寸裁定，根據(jù)層合板尺寸將膜埋入預(yù)浸料鋪層之間，隨后按鋪層順序?qū)㈩A(yù)浸料鋪貼整齊，如圖2 所示。

圖2 聚四氟薄膜和分層試驗(yàn)件的鋪貼Fig.2 Teflon film and pavement of specimens with delamination

（2）面外褶皺的設(shè)計(jì)及制備。

Wang[14]和O’Hare[15]等的研究表明，面外褶皺的高寬比會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能造成非常大的影響，但是針對(duì)褶皺的尺寸和起皺層數(shù)仍然較少。為此，本試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際大飛機(jī)生產(chǎn)過程中常見的褶皺尺寸（圖3），設(shè)計(jì)了表2 所示的6 種褶皺件類型。

表2 面外褶皺尺寸及位置Table 2 Type of out-of-plane wrinkle

圖3 面外褶皺尺寸示意圖Fig.3 Schematic diagram of out-of-plane size

為較準(zhǔn)確地控制褶皺尺寸，本文提出了一種新的面外褶皺模擬方法，即在預(yù)浸料間加入相同種類的樹脂條來模擬實(shí)際工況下褶皺處的樹脂富集現(xiàn)象，其具體步驟如下。

將處于黏流態(tài)的樹脂用注射器取出并加入到模具的凹槽之中，隨后設(shè)定加熱溫度為120 ℃，加熱時(shí)間為3 h，如圖4（a）所示。在充分冷卻至室溫后，取出樹脂條備用。根據(jù)層合板尺寸預(yù)先設(shè)計(jì)樹脂條埋入預(yù)浸料之中，隨后按鋪層順序?qū)㈩A(yù)浸料鋪貼整齊，如圖4 （b）所示。

圖4 環(huán)氧樹脂條的成型和預(yù)浸料的鋪貼Fig.4 Molding of epoxy resin and pavement of prepreg

1.3 熱壓罐成型工藝

根據(jù)預(yù)浸料的成型工藝要求，設(shè)置熱壓罐的工作參數(shù)，使預(yù)浸料在600 kPa 的壓力和180 ℃的工作環(huán)境下固化4 h。在獲得含有人工制造缺陷的層合板后，對(duì)層合板進(jìn)行切割，獲得圖5 所示的測(cè)試用樣條。

圖5 測(cè)試用樣條Fig.5 Specimen for tests

1.4 力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

為探究面外褶皺和分層對(duì)復(fù)合材料層合板綜合力學(xué)性能的影響，本研究進(jìn)行拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲和短梁剪切試驗(yàn)，各試驗(yàn)夾持和測(cè)試圖如圖6 所示。其中，拉伸和壓縮測(cè)試的測(cè)試速度設(shè)置為2 mm/min，三點(diǎn)彎曲和短梁剪切測(cè)試速度設(shè)置為1 mm/min。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)件尺寸如表3 所示，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，每一組分別測(cè)試6 個(gè)樣品并取平均值。

表3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)件尺寸Table 3 Testing standards and specimens size

圖6 復(fù)合材料拉伸、壓縮、短梁剪切及三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of tensile test, compression test, short beam shear test, three-point-bending test of composite

1.5 測(cè)試前表征

分別對(duì)含有面外褶皺和分層的層合板進(jìn)行超聲C掃描，其圖像如圖7 所示。

圖7 含分層層合板和含面外褶皺層合板的超聲C 掃描結(jié)果Fig.7 Ultrasonic C-scan result of laminate containing delamination and laminate containing out-of-plane wrinkle

可以看出，含有面外褶皺的層合板，在褶皺處出現(xiàn)圖像信號(hào)明顯衰減，而含有分層的層合板，則在分層處出現(xiàn)圖像信號(hào)明顯增強(qiáng)。根據(jù)兩種缺陷所表征圖像的不同特征，可以判定兩種缺陷的種類和尺寸。

為確保人工缺陷的成功引入，分別對(duì)面外褶皺層合板和分層層合板的截面拍攝SEM 圖像，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 含面外褶皺層合板和含分層層合板的SEM 圖像Fig.8 SEM image of laminate containing out-of-plane wrinkle and laminate containing delamination

2 分層的力學(xué)性能影響

分層是熱壓罐成型過程中最常見的缺陷之一，為比較分層對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響，通過熱壓罐制備了不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)件，將標(biāo)準(zhǔn)件和缺陷件的性能進(jìn)行對(duì)比。

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

考察了分層對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，圖9 為含分層的復(fù)合材料試驗(yàn)件與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的載荷–位移曲線及拉伸強(qiáng)度。可以看到，含有分層的復(fù)合材料試驗(yàn)件與標(biāo)準(zhǔn)件的拉伸強(qiáng)度都約為420 MPa，這說明分層對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度并未產(chǎn)生影響。其原因可能是拉伸試驗(yàn)所施加的是對(duì)增強(qiáng)纖維軸向的力，而分層預(yù)埋于預(yù)浸料之間，厚度較小且與載荷共面，加之拉伸過程中復(fù)合材料的載荷主要由纖維承載，因此分層對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生影響。

圖9 含分層試樣的拉伸載荷–位移曲線和拉伸強(qiáng)度Fig.9 Load – displacement curves of tensile specimen and tensile strength of specimen containing delamination

然而，雖然分層幾乎并沒有對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生影響，但是其斷裂形式卻有所不同，圖10 為標(biāo)準(zhǔn)件和分層件的拉伸試驗(yàn)件斷裂形貌?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件在拉伸過程中，試樣內(nèi)部纖維發(fā)生斷裂，同時(shí)在試樣邊緣產(chǎn)生了較為平整的裂紋，根據(jù)ASTM D3039 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)斷裂形貌的分類，其可以歸屬為中央工作段橫向斷裂型；而分層件在拉伸過程中，在分層處的分層進(jìn)一步擴(kuò)展，并在分層結(jié)束段發(fā)生斷裂，產(chǎn)生了中央工作段分層斷裂。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件及分層缺陷件的拉伸破壞照片F(xiàn)ig.10 Tensile failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及壓縮強(qiáng)度比較如圖11 所示。從強(qiáng)度比較，可以看出，標(biāo)準(zhǔn)件的壓縮強(qiáng)度為389 MPa，而分層缺陷件的壓縮強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)注意到，壓縮強(qiáng)度隨分層尺寸的增大而減小，當(dāng)分層寬度由4 mm 增加到13 mm時(shí)，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度由361 MPa 降低到294 MPa，降低了19%，當(dāng)分層寬度達(dá)到13 mm，即分層貫穿試驗(yàn)件寬度方向后，其壓縮強(qiáng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的76%。由于分層在未貫穿試驗(yàn)件時(shí)，其內(nèi)部仍有部分預(yù)浸料的成型狀況良好，在受壓縮載荷時(shí)仍能有較好的承載能力，而當(dāng)分層貫穿試驗(yàn)件后，其在分層附近的結(jié)合幾乎不再存在，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度的進(jìn)一步下降。

圖11 含分層試樣的壓縮載荷–位移曲線及壓縮強(qiáng)度Fig.11 Load – displacement curves of compression specimen and compression strength of specimen containing delamination

圖12是標(biāo)準(zhǔn)件和分層件的破壞試樣?？梢园l(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)件和分層件的破壞形貌較為相似，都在試驗(yàn)件表層出現(xiàn)隆起并伴隨有纖維的屈曲和斷裂，同時(shí)在另一表面由于受力失衡而產(chǎn)生相反方向的裂紋，隨后裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，并在內(nèi)層產(chǎn)生分層和細(xì)小微裂紋。與標(biāo)準(zhǔn)件相比，分層缺陷件預(yù)埋缺陷處產(chǎn)生了明顯的分層，這是由于分層件在受壓縮載荷過程中，由于分層處產(chǎn)生了類似空腔的形貌，使得載荷在分層處無法繼續(xù)傳遞應(yīng)力至試樣兩端，而是在分層處產(chǎn)生向兩側(cè)的分力，從而使得分層在繼續(xù)受壓的過程中向兩側(cè)擴(kuò)展。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件和分層缺陷件的壓縮破壞照片F(xiàn)ig.12 Compression failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.3 短梁剪切試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及壓縮強(qiáng)度比較如圖13 所示。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的層間剪切強(qiáng)度為64 MPa，當(dāng)嵌入分層后，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度明顯降低，這是由于在剪切過程中，剪切應(yīng)力通過鋪層向底端傳遞，而在遇到分層時(shí)，分層處的空腔使得剪切應(yīng)力無法在分層處進(jìn)行有效傳遞，而是向分層兩側(cè)延伸和衰減，從而形成了應(yīng)力尖端。同時(shí)注意到，隨著分層尺寸的增大，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的變化幅度不大，這是因?yàn)樵囼?yàn)件的有效傳遞應(yīng)力鋪層數(shù)目相同，而在分層處的應(yīng)力衰減程度不同。因此，當(dāng)試驗(yàn)件中存在分層，其層間剪切強(qiáng)度就會(huì)急劇下降，但分層尺寸對(duì)其層間剪切強(qiáng)度產(chǎn)生的影響較小。

圖13 含分層試樣的短梁剪切載荷–位移曲線及層間剪切強(qiáng)度Fig.13 Load – displacement curves and interlaminar shear strength of short beam shear specimen containing delamination

從圖14 可以看出，分層件和標(biāo)準(zhǔn)件均在短梁剪切后于層間產(chǎn)生了微小的裂紋，同時(shí)分層件在缺陷附近的裂紋更為明顯。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件和分層試驗(yàn)件的短梁剪切破壞照片F(xiàn)ig.14 Short beam shear failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

2.4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含分層的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及抗彎強(qiáng)度比較如圖15 所示?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料試驗(yàn)件的抗彎強(qiáng)度為523 MPa，嵌入分層后，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分層寬度由4 mm 增加至13 mm 時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度由515 MPa 降低至447 MPa。在彎曲過程中，試驗(yàn)件受到壓縮、拉伸和剪切載荷的交互影響。分層所產(chǎn)生的“空腔”使得復(fù)合材料在彎曲過程中彎曲應(yīng)力傳遞受阻，從而使得復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度降低。

圖15 含分層試樣的三點(diǎn)彎曲載荷–位移曲線及抗彎強(qiáng)度Fig.15 Load – displacement curves and flexural strength of three-point-bending specimen containing delamination

圖16 是標(biāo)準(zhǔn)件和分層件的三點(diǎn)彎曲破壞試樣。標(biāo)準(zhǔn)件的破壞發(fā)生于試樣的上下兩側(cè)，在壓頭接觸處產(chǎn)生了較小的壓縮裂紋，而在另一端面則產(chǎn)生了拉伸裂紋；而分層試驗(yàn)件則只在一端產(chǎn)生了非常明顯的拉伸裂紋。這種現(xiàn)象說明含有分層的試驗(yàn)件在彎曲過程中，下端面的拉伸破壞要早于上端面的壓縮破壞。

圖16 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件和分層缺陷件的彎曲破壞照片F(xiàn)ig.16 Flexural failure image of standard specimen and delamination-contained specimen

由于三點(diǎn)彎曲試樣的破壞現(xiàn)象并不明顯，用SEM觀察其破壞處的形貌，如圖17 所示?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)件的破壞相對(duì)于分層件裂紋較小，更多的是層內(nèi)擴(kuò)展；分層件破壞裂紋較大，但是向?qū)觾?nèi)擴(kuò)展有限。

圖17 含分層三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)件的SEM 圖像Fig.17 SEM image of three-point-bending specimen containing delamination

3 面外褶皺的力學(xué)性能影響

在預(yù)浸料的鋪貼和熱壓罐成型的過程中，常會(huì)因?yàn)轭A(yù)浸料的自身熱膨脹系數(shù)不同或鋪貼不規(guī)范等原因而產(chǎn)生面外褶皺。通過制備含有不同尺寸和嵌入位置面外褶皺的試驗(yàn)件，研究了面外褶皺對(duì)復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能影響。

3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

面外褶皺的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及拉伸強(qiáng)度比較如圖18 所示 （其中D代表褶皺的寬度）。與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件相比，當(dāng)在復(fù)合材料鋪層中嵌入面外褶皺缺陷后，復(fù)合材料可承受的拉伸載荷和伸長(zhǎng)率大大減小，拉伸強(qiáng)度也因此下降。同時(shí)，褶皺尺寸和嵌入位置對(duì)試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度影響較大。從圖18（b）可以看出，對(duì)于面外褶皺位于第2 ～ 3 層的試樣來說，當(dāng)面外褶皺寬度由3 mm 增加到9 mm 時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度由283 MPa 下降至224 MPa，減小了21%，而面外褶皺位于第6 ～ 7 層時(shí)的試樣其拉伸強(qiáng)度也隨著褶皺尺寸的增加而降低。這主要是由于面外褶皺尺寸增大，導(dǎo)致復(fù)合材料在拉伸方向上的有效長(zhǎng)度減小，從而使得復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度降低。而對(duì)于同一尺寸的面外褶皺，當(dāng)其嵌入位置不同時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也不同，位于第2 ～ 3 層的試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度明顯低于位于第6 ～ 7 層試驗(yàn)件的強(qiáng)度，這可能是由于缺陷上下區(qū)域纖維束的數(shù)量差異所致；當(dāng)褶皺遠(yuǎn)離鋪層中心 （第2 ～ 3層）時(shí)，缺陷上下兩區(qū)域纖維束數(shù)量不同，其應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，使得薄層區(qū)域在拉伸載荷下率先發(fā)生斷裂，從而使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度降低；而當(dāng)褶皺位于鋪層中心 （第6 ～ 7 層）時(shí)，褶皺兩側(cè)的纖維分布較為均勻，且厚度高于上述薄層區(qū)域的厚度，這使得復(fù)合材料可以承受相對(duì)較高的載荷。

圖18 含面外褶皺試樣的拉伸載荷–位移曲線及抗拉強(qiáng)度Fig.18 Tensile load – displacement curves and tensile strength of specimen containing out-of-plane wrinkle

此外，注意到位于鋪層中心 （第6 ～ 7 層）的、大尺寸褶皺 （9 mm）的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為332 MPa，高于小尺寸褶皺的、遠(yuǎn)離鋪層中心 （第2 ～ 3 層）的試驗(yàn)件強(qiáng)度（283 MPa），這表明褶皺嵌入位置對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響更為顯著。

圖19 為拉伸試驗(yàn)件破壞后的照片。可以發(fā)現(xiàn)，面外褶皺位于第2 ～ 3 層和第6 ～ 7 層的復(fù)合材料的斷裂均發(fā)生在起皺處。當(dāng)褶皺位于第2 ～ 3 層時(shí)，起皺處上下區(qū)域的斷裂形貌差異較大，其斷裂位置為薄層區(qū)域，這是因?yàn)閺?fù)合材料的破壞始于整體強(qiáng)度較弱的纖維，當(dāng)褶皺位于復(fù)合材料邊緣處時(shí)，由于褶皺兩端纖維束數(shù)量不同，在承受載荷時(shí)其應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，這致使處于邊緣處的較薄鋪層會(huì)首先發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的失效，同時(shí)也觀察到在層間區(qū)域存在分層。而當(dāng)褶皺位于第6 ～ 7 層時(shí)，在褶皺附近觀察到有明顯的纖維斷裂現(xiàn)象，且在褶皺兩端觀察到分層現(xiàn)象。

圖19 含面外褶皺拉伸試樣的斷裂形貌Fig.19 Failure morphology of tensile specimen containing out-ofplane wrinkle

3.2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及壓縮強(qiáng)度如圖20 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的壓縮強(qiáng)度為389 MPa，嵌入褶皺后，缺陷件的壓縮強(qiáng)度大幅降低，不及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的50%，可見面外褶皺對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響更甚，這主要是由于缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中所致。與拉伸相似，面外褶皺試驗(yàn)件的壓縮強(qiáng)度隨缺陷尺寸的增大而降低，并且當(dāng)褶皺遠(yuǎn)離鋪層中心時(shí)，其壓縮強(qiáng)度降低的幅度更大。

圖20 含面外褶皺試樣的壓縮載荷–位移曲線及壓縮強(qiáng)度Fig.20 Compression load – displacement curves and compression strength of specimen containing out-of-plane wrinkle

同時(shí)注意到，當(dāng)面外褶皺位于第2 ～ 3 層時(shí)，壓縮載荷–位移曲線（圖20（a））在上升過程中都經(jīng)歷了一次明顯的掉載現(xiàn)象，這是褶皺附近的薄層區(qū)域斷裂所致，而面外褶皺位于第6 ～ 7 層的試樣曲線并未出現(xiàn)掉載。試樣破壞后的形貌（圖21）也說明了同樣的問題，褶皺位于第2 ～ 3 層時(shí)，可以清楚看到薄層區(qū)域的斷裂，在厚層區(qū)域并不存在分層，而在薄厚兩層區(qū)域交匯處，即起皺處，觀察到明顯的分層；對(duì)于褶皺位于第6 ～ 7 層時(shí)的試樣，在缺陷附近區(qū)域并未出現(xiàn)明顯的纖維斷裂，僅在試樣上表面存在少量纖維的斷裂，而失效是由于沿褶皺所在鋪層向外延伸所產(chǎn)生的分層所致。

圖21 含面外褶皺壓縮試樣的斷裂形貌Fig.21 Failure morphology of compression specimen containing out-of-plane wrinkle

3.3 短梁剪切試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板載荷–位移曲線及層間剪切強(qiáng)度如圖22 所示。可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的層間剪切強(qiáng)度為64 MPa，當(dāng)嵌入面外褶皺后，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度均降低。在進(jìn)行短梁剪切試驗(yàn)時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力十分復(fù)雜，破壞往往是沿鋪層遞進(jìn)發(fā)生的，當(dāng)引入面外褶皺后，一方面，試驗(yàn)件的形狀差異增大了褶皺處的應(yīng)力集中；另一方面，富樹脂區(qū)的存在更易受到剪切載荷的破壞，這使得復(fù)合材料在受剪后極易失效，從而使得復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度降低。

圖22 含面外褶皺試樣的短梁剪切載荷–位移曲線及層間剪切強(qiáng)度Fig.22 Shear load – displacement curves and interlaminar shear strength of short beam shear specimen containing out-of-plane wrinkle

從圖 22（b）可以看出，當(dāng)褶皺尺寸較小時(shí)，其復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度隨褶皺尺寸的增大而降低，當(dāng)褶皺尺寸為3 mm、6 mm 和9 mm 時(shí)，褶皺位于第2 ～ 3 層時(shí)的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度分別為54 MPa、52 MPa 和49 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)件降低了16%、19%和23%，而褶皺位于鋪層中間處的復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度也分別降低了9%、13%和20%。這是因?yàn)殡S著褶皺尺寸的增加，復(fù)合材料中應(yīng)力集中和富樹脂區(qū)面積增大，使得復(fù)合材料不耐剪切，發(fā)生層間失效，從而導(dǎo)致其層間剪切強(qiáng)度降低。

試驗(yàn)后的樣件如圖23 所示，含有面外褶皺的試驗(yàn)件，在受到短梁剪切后，均在褶皺處產(chǎn)生了沿鋪層向外擴(kuò)展的分層，同時(shí)，在試驗(yàn)件下表面均出現(xiàn)了因剪切壓頭下壓而產(chǎn)生的拉伸破壞。

圖23 含面外褶皺短梁剪切試驗(yàn)件的破壞形貌Fig.23 Failure morphology of short beam shear specimen containing out-of-plane wrinkle

3.4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果和形貌分析

含面外褶皺的層合板與不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)層合板三點(diǎn)彎曲的載荷–位移曲線如圖24 所示。根據(jù)載荷–位移曲線，面外褶皺位于第6 ～ 7 層時(shí)，其所受最大載荷要高于褶皺位于第2 ～ 3 層的試驗(yàn)件和不含缺陷的標(biāo)準(zhǔn)件，這是因?yàn)轳薨櫾谙聣哼^程中起到了分散載荷的作用，從而使得復(fù)合材料承載能力提高，但這并不說明試驗(yàn)件在褶皺處的抗彎強(qiáng)度提高，在計(jì)算抗彎強(qiáng)度時(shí)，需充分考慮加入褶皺后的厚度改變，計(jì)算結(jié)果如圖24（b）所示，可以看到，標(biāo)準(zhǔn)件的抗彎強(qiáng)度為523 MPa，對(duì)于同一嵌入位置，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨褶皺尺寸的增加而降低，同時(shí)，面外褶皺遠(yuǎn)離鋪層中心時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度降低幅度更大。

圖24 含面外褶皺試樣的彎曲載荷–位移曲線及抗彎強(qiáng)度Fig.24 Bending load – displacement curves and flexural strength of three-point-bending specimen containing out-of-plane wrinkle

對(duì)彎曲試驗(yàn)件進(jìn)行斷裂形貌的分析，如圖25 所示，可以發(fā)現(xiàn)，其主要破壞發(fā)生于上下表面，其層間沒有產(chǎn)生明顯的剪切斷裂，這符合三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)要求。由于彎曲試驗(yàn)過程中壓頭的不斷施壓，使得與壓頭接觸的上表面產(chǎn)生了局部壓縮破壞，而由于下表面在壓頭加載過程中不斷產(chǎn)生變形，其相對(duì)于與壓頭接觸的下表面產(chǎn)生了局部拉伸破壞。

圖25 含面外褶皺三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)件的破壞形貌Fig.25 Failure morphology of three-point-bending specimen containing out-of-plane wrinkle

4 結(jié)論

（1）面外褶皺和分層都會(huì)引起復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能下降。含面外褶皺的層合板，其拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都會(huì)有較明顯的下降；分層對(duì)于層合板的拉伸強(qiáng)度影響不大，而對(duì)層合板的壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均有不同程度的影響。

（2）褶皺的尺寸和起皺層數(shù)會(huì)對(duì)層合板的力學(xué)性能造成影響，且褶皺起皺層數(shù)的影響要比褶皺尺寸的影響顯著。當(dāng)褶皺位于第2 ～ 3 層時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度相比于標(biāo)準(zhǔn)件最多分別下降了約47%、77%、23%和49%。而當(dāng)褶皺位于層合板的中心時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度相比于標(biāo)準(zhǔn)件則最多分別下降了約22%、65%、20%和34%。

（3）分層的尺寸對(duì)于層合板的力學(xué)性能有一定的影響，但下降幅度不大，且當(dāng)分層貫穿試驗(yàn)件時(shí)其性能才會(huì)有較大的下降。隨著分層尺寸的增大，層合板的壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別最多下降了24%、38%和15%。

（4）含面外褶皺的層合板，其壓縮強(qiáng)度的下降最為顯著，而含分層的層合板，其層間剪切強(qiáng)度下降最為顯著。