高温预损伤对碳纤维复合材料...后压缩剩余强度影响规律研究_曹雨函.pdf
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1、高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究:.高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究曹雨函,郭姝含,欧阳俊杰,孔繁淇,王付胜(.中国民航大学 中欧航空工程师学院,天津;.中国商飞上海飞机设计研究院,上海)摘要:对 环氧树脂基 级碳纤维复合材料()层合板在不同预损伤温度(、)和损伤时间(、)下进行低速冲击和冲击后压缩试验(),结合数字图像技术()和微观形貌研究高温预损伤下 层合板失重量与剩余强度随损伤温度和时间的变化规律。结果表明:层合板不同温度下相对失重量和冲击后压缩强度下降率均先快后慢,最后趋于稳定。预损伤后相对失重量和剩余强度随损伤时间变化较小,损伤 后趋于
2、稳定。温度升至 与 ,损伤初期层合板剩余强度迅速下降,后剩余强度分别降低.和.,较 下损伤 后剩余强度更低。分析结果,建立 层合板高温预损伤导致的失重量与冲击后压缩剩余强度线性关系模型。利用 技术记录 层合板在压缩方向上的应变演化规律,并得到应变云图。观察微观形貌发现高温损伤使树脂对纤维的包裹性下降,层间出现散布的树脂颗粒,且在 时材料的损伤形式由结构性断裂变为环氧树脂氧化分解导致的损伤。关键词:碳纤维复合材料;高温预损伤;剩余强度;数字图像相关技术中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(.,;.,):()()(,)(,)(),.,:;收稿日期:基金项目:大学生创新创业训练计划项目()作者简
3、介:曹雨函(),女,硕士研究生,主要从事复合材料失效分析方面的研究。通讯作者:王付胜(),男,实验师,硕士研究生,主要从事复合材料失效分析方面的研究,.。年 月复合材料科学与工程 碳纤维增强树脂基复合材料(,)因具有比强度高、比模量高、质轻、耐高温、抗冲击性优良等优点成为目前国际上民用航空领域应用最广泛的复合材料。在飞机维修过程中,复合材料应用部位常处于冲击与高温环境中,复合材料中树脂基体具有较高的温度敏感性,因此研究高温损伤环境下复合材料力学性能演化规律在实际维护与应用中具有工程意义。等对 碳纤维复合材料进行高温界面区域老化研究,发现材料出现失重现象,且断裂能随高温老化时间的增加先增大后减小
4、。陈明等发现高温下环氧树脂软化分解是碳纤维复合材料力学性能下降的主要原因之一。宗庆松结合 射线检测方法对 级 层合板建立了随温度线性变化的损伤演化模型。何沛夕采用超声 扫描对冲击后压缩试验进行损伤检测。于倩倩等对在 下进行热老化处理后的 级 层合板进行压缩强度测试,发现随热老化温度的升高,压缩强度呈先减小后增大的趋势。翁晶萌对 复合材料层合板进行室温至 下冲击后压缩试验,采用应变片监测压缩过程,发现随温度升高,剩余强度下降速率变大。研究者对高温条件下低速冲击后材料压缩剩余强度影响规律的研究并不全面,关于冲击后压缩过程中复合材料层合板的应变分布及演化过程鲜有研究;有关失重量与剩余强度关系的定量化
5、研究不足,不利于工程实际应用;此外,在工程应用中,复合材料层合板常使用螺栓连接,需进行开孔,而对含双孔的复合材料层合板在外物冲击后应力集中区域的损伤情况及力学性能变化的研究较少。因此本文对环氧树脂基 级碳纤维复合材料进行高温预损伤,测试其失重情况;进行低速冲击试验并测试其冲击后剩余强度,对比不同损伤温度下材料的剩余强度变化情况,建立失重量与剩余强度之间的定量关系;利用数字图像采集()技术对冲击后压缩过程进行监测,得到其压缩过程中的应变分布及演化规律;并结合扫描电子显微镜()对断口处的观察结果进行损伤机理的分析,具有一定的研究和工程意义。试验研究.材料与试件本文采用 环氧树脂基 级碳纤维复合材料
6、层合板进行试验,预浸料由威海光威复合材料股份有限公司制造提供,其基本力学性能参数如表 所示。本文所用的 层合板按铺层角度进行热压铺层,共 层,厚度为,参考 试验标准进行试样的设计。为模拟碳纤维复合材料在飞机蒙皮紧固件连接处的实际情况,在试样中心处设计连接孔,采用孔径 ,孔间距 的双孔结构。双孔位于试样中心处以降低该处结构强度,保证所测压缩强度数据真实可靠。试样尺寸设计如图()所示,试样实物图见图()。表 级碳纤维复合材料力学性能参数 参数数值 图 级碳纤维复合材料试样及尺寸.试验方案设计.高温预损伤试验 层合板的高温预损伤试验在恒温箱式高温炉中进行。损伤温度须高于其玻璃化转变温度(),但超过
7、后环氧树脂出现快速氧化分解,会导致其完全失效。在低于 时,环氧树脂性质稳定。因此设置三组高于 的试验组,试验温度分别为 、和 ,在每个损伤温度下分别进行 、和 的温度预损 年第 期高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究伤。对试样进行编号,编号原则体现出损伤温度及时间,标注形式为,其中 为损伤温度,为损伤时间。以“”为例,其表示在 的温度中损伤 的试验件。.落锤低速冲击试验落锤低速冲击试验参照 标准,在室温下使用 落锤冲击试验机完成,试验装置如图 所示。试验选用 钢制圆形冲头,半径为 ,冲击能量设定为 ,冲击位置为 层合板双孔中间。分析能量吸收情况得到能量吸收率随损伤条件的变化
8、规律。图 落锤冲击试验机.冲击后压缩试验冲击后压缩试验()根据 标准,在 电子万能材料试验机上进行。试验机作动臂以向下.的加载速度向层合板上端施加载荷。载荷持续加载 后材料被垂直压溃。设备用于采集压缩过程中层合板应变演化情况。试验过程中通过摄像机追踪散斑位置以获取试样各点应变信息。压缩试验装置及 设备如图 所示。图 冲击后压缩试验装置及 设备.试验结果与讨论.相对失重量碳纤维在 时性能基本稳定,而环氧树脂在空气中使用时,超过 时会发生热氧化分解,故 层合板耐高温性能主要取决于树脂基体的耐热性。有氧环境中 层合板的树脂基体在高温下发生热分解和氧化等行为,导致碳纤维和树脂基体间的黏合性下降,宏观表
9、现为 层合板重量减轻。本文利用试样相对失重量 表征其损伤程度:()式中:为试样高温损伤前的初始质量;为试样在 时刻的质量。使用 软件对试验数据进行曲线拟合,比较拟合曲线的残差平方和()及决定系数(),越接近,越接近,表示拟合结果越好。拟合曲线的 均小于.,均高于.,因此认为三种温度下 指数函数模型拟合曲线具有可靠性。相对失重量 与损伤时间 的拟合曲线函数表达式如公式()所示。对于 ,.,.,.;对于 ,.,.,.;对于 ,.,.,.。()如图 所示,随高温老化时间增加,层合板在三个温度下相对失重量的变化速率均先快后慢,最后趋于平缓。环境温度为 时,层合板只在前期出现失重,后失重量的变化趋于平衡
10、,相对失重量保持在.;的相对失重量在 后趋于稳定,试验结束时稳定在.。对于 ,在损伤 内,相对失重速率达到每小时,相对失重量为.,失重量超过之后 相对失重量之和,即.。复合材料的高温老化过程包括脱湿、后固化和分解等过程。在高温老化初始阶段,重量快速减少主要为材料内部水分等的脱除,基本脱除后失重量逐渐趋于稳定。当损伤温度升高时,失重量趋于稳定的过程延长。这是由于损伤温度较低时,低分子挥发物较少,失重量上升趋势平缓。随着温度的升高,树脂基体出现软化,伴随基体分解程度加深。和 的温度损伤使材料在 时的失重量基本达到平衡,但 下材料的失重量 年 月复合材料科学与工程仍在缓慢增加,此时树脂的进一步氧化分
11、解使层合板继续失重,时未达平衡。图 层合板相对失重量曲线.抗冲击性能观察材料宏观损伤形貌,发现其均出现明显的凹坑,冲击背面出现纤维断裂,两孔边缘出现明显分层。随高温损伤时间的增加,凹坑损伤范围增大,冲击背面纤维断裂更为明显。材料受到冲击时,以形变、分层和纤维断裂的形式将部分冲击能量吸收。高温损伤造成环氧树脂老化分解,纤维易和基体发生脱黏,树脂传递载荷的能力下降,造成冲击区域背部纤维的断裂。对三组高温损伤试验中不同损伤条件对应的低速冲击能量吸收率进行多项式拟合,如图 所示,值在 以上,拟合结果具有可靠性。其中能量吸收率 由材料吸收的冲击能()占冲头总动能()的百分比表示,见公式()。()()时间
12、冲击能量吸收率曲线()()温度冲击能量吸收率曲线()图 冲击试验数据拟合.图()为能量吸收率随损伤时间变化曲线。损伤温度为 时,先增大后减小,整体呈下降趋势,最大值为.,损伤时间为.,最小值为.,损伤时间为 。和 下曲线单调递减:下,损伤 时吸收率最高,为.,时最低,为.;下,损伤 时最高,为.,时最低,为.。损伤温度下,随损伤时间增加,试样能量吸收率上下浮动不超过.;时的浮动为.。的温度损伤使 层合板的能量吸收率下降了.,相较另外两组试验数据,吸收率大幅下降,表明层合板抗冲击性能下降。分析 时的损伤曲线可知,在材料老化初期,由于其经历的主要是脱湿和后固化阶段,对材料起到一定的强化作用,与高温
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