分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能的影响

 

国内外学者对复合材料层合板的分层缺陷做了大量研究。王雪明等总结了分层缺陷的种类，并分析了其产生原因，开展了分层缺陷试验模拟方法的研究，发现埋入防黏纸产生的分层最适宜模拟分层缺陷。ALAYDIN 等采用Kirchhoff Love壳理论与各向异性弹塑性损伤相结合的方法，模拟了复合材料各层的力学行为，发现这些层在界面处连接，可用于表示分层的混合模式内聚损伤模型。目前,关于分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能影响的研究较少，为此，来自上海复合材料科技有限公司和上海航天树脂基复合材料工程技术中心的史耀辉、庄纯等研究人员选取圆形分层缺陷(直径为19mm)进行试验，研究了分层缺陷深度与复合材料层合板力学性能之间的关系，以提高复合材料产品的合格率。

 

 

1.1 试验材料

《碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》要求分层缺陷C级探伤(一般区域质量等级)的分层区域不大于19mm(直径)，因此选取圆形分层缺陷(直径为19mm)进行试验。为去除铺层角度对试验结果的影响，将层合板铺层设计为0°方向14层，板厚为2.5mm。

 

层合板为对称结构，拉伸、压缩试验时，层合板受力和约束均对称，层合板中心对称位置的分层缺陷对拉伸、压缩试验结果的影响一致，因此将压缩及拉伸试样分为7组，各组试样的分层缺陷分别位于层合板2~8层相邻的两层间；弯曲试验时，层合板沿对称面分为受压一侧和手拉一侧，试样两侧受力状况不同，不可对称简化，因此弯曲试样分为14组，各组试样的分层缺陷分别位于层合板2~13层相邻的两层间。压缩、拉伸和弯曲试验的试样尺寸如图1所示。

层合板实际铺层以及分层缺陷预置方式如图2所示，沿板件长边0°方向将碳纤维预浸料逐层铺设于板上，根据分层缺陷的放置要求，在分层缺陷处放置直径为19mm的圆形聚四氟乙烯薄膜，并在铺层最外侧标记分层缺陷的具体位置(见图2虚线处)。

1.2 试验方法

试验采用的压力机可更换不同夹具，以满足压缩、拉伸和弯曲的试验条件,压缩、拉伸和弯曲的试验过程如图3所示。由图3可知：压缩试验时，为避免偏心压缩，将上、下压块通过导轨连接；拉伸试样通过气动夹具与试验机连接，在试样夹紧后先预加载，确保无误后再加载拉力；弯曲试验为3点弯曲。

 

2.1 力学性能测试

压缩、拉伸和弯曲试验后试样的宏观形貌如图4所示。由图4可知：在到达极限载荷后，压缩试样瞬间被压溃；在破坏时，拉伸试样纤维整体崩断并散开；在接近破坏时，弯曲试样受拉一侧的纤维断裂，持续加大载荷，试样的弯曲挠度突然增大，并发生弯曲破坏。

2.2 对抗压强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗压强度的关系如图5所示。由图5可知：分层缺陷在试样的2~4层相邻的两层间(即分层缺陷深度小于板厚的1/4)时，分层缺陷的深度是影响层合板抗压强度的主要因素，层合板抗压强度随分层缺陷深度的增加而减小；当分层缺陷深度为板厚的1/4(层合板中性面)时，层合板的抗压强度最小，约为无分层缺陷层合板(正常试样)抗压强度的44%；分层缺陷在试样的4~7层相邻的两层间(即分层缺陷深度大于板厚的1/4)时，分层缺陷深度对层合板的抗压强度影响较小，分层缺陷试样的抗压强度不小于正常试样抗压强度的75%。

2.3 对抗拉强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗拉强度的关系如图6所示。由图6可知：分层缺陷试样与正常试样的抗拉强度比均大于75%，说明分层缺陷深度对层合板的抗拉强度无明显影响。

2.4 对抗弯强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗弯强度的关系如图7所示。由图7可知：当分层缺陷位于层合板受拉一侧(正向弯曲)或受压一侧(反向弯曲)时，分层缺陷深度对试样的抗弯强度影响有着相似的规律；当分层缺陷位于层合板中性面时，缺陷对层合板的抗弯强度几乎无影响；当分层缺陷的深度小于板厚的1/4时，正向弯曲比反向弯曲的抗弯强度大约11%；当分层缺陷的深度大于板厚的1/4时，弯曲状态对层合板的抗弯强度无明显影响，正向弯曲时最多可使层合板的抗弯强度减少28%，反向弯曲时最多可使层合板的抗弯强度减少50%。

 当分层缺陷靠近层合板的外表面时，分层缺陷与层合板表面间形成了一个较薄的板状结构，层合板易发生局部屈曲，层合板的有效承载面积减小，导致整个结构的承压载荷减小；当分层缺陷靠近层合板的中性面时，分层缺陷与层合板表面间形成的薄板厚度较大，局部屈曲后层合板的整体承载面积减小；随着分层缺陷与层合板表面间形成的薄板厚度不断增大，整个板出现局部屈曲所需的载荷变大，当出现局部屈曲所需载荷接近层合板整体破坏的载荷时，层合板无局部屈曲，直接发生破坏，此时分层缺陷试样的抗压强度接近正常试样的抗压强度。受拉伸载荷时，层合板全程无局部屈曲现象，因此分层缺陷对层合板的抗拉强度影响较小。

 

 

 (1) 当分层缺陷区域直径为19mm，且深度大于板厚的1/4时，分层缺陷对层合板的力学性能影响不大。

 (2) 当分层缺陷区域直径为19mm，且深度小于板厚的1/4时，层合板应避免受到压缩载荷。

 

作者：史耀辉1,2，庄纯1,2，王树宏1,2，盛涛1,2，刘图远1,2

单位：1.上海复合材料科技有限公司；

2.上海航天树脂基复合材料工程技术中心

来源：《理化检验-物理分册》2023年第1期