复合材料损伤阻抗和损伤容限的性能表征

复合材料结构的设计要求和使用经验提出了复合材料体系损伤阻抗和损伤容限性能表征的需求。在试验研究的基础上,本文作者指出长期以来一直使用的CAI (冲击后压缩强度) 的物理意义比较含混,有时可能误导材料研究和设计选材,同时提出应分别用典型层压板静压痕力-凹坑深度曲线的最大压痕力F_max来表征损伤阻抗性能,用凹坑深度-压缩破坏应变曲线门槛值CAIT(Compression failure strain After Impact Threshold)来表征损伤容限性能,同时给出了测试方法的建议。      

炭纤维增强树脂基复合材料层合板低速冲击性能实验研究

对 3种炭纤维增强树脂基复合材料( T300/ N Y9200Z、T300/ Q Y8911和 T700S/ 5228)层合板进行了落锤冲击实验 , 并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度2单位厚度冲击能量( d 2e)曲线 , 损伤面积2凹坑深度( S2d)曲线和冲击后压缩破坏应变2凹坑深度(ε 2d)曲线的对比分析 , 讨论了这 3 种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察 , 对损伤机制进行了讨论。实验结果表明 , 在 3种材料的 d 2e曲线 , S2d曲线和ε 2d曲线上均存在对应的拐点 , 该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主 , 凹坑深度大于拐点时 , 分层损伤基本不再扩展 , 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。     

缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料损伤阻抗及损伤容限性能

通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)技术制备了缝合和未缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料,并进行了低速冲击和冲击后压缩实验,利用深度测量仪检测冲击后的表面凹坑深度.使用Origin软件拟合出了表征损伤阻抗性能的冲击能量-凹坑深度曲线及表征损伤容限性能的凹坑深度-剩余压缩强度曲线.以未缝合复合材料为对比,发现缝合能有...     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

低速冲击下层间增韧复合材料层压板损伤行为研究

为考察“离位”技术对双马来酰亚胺复合材料层压板层间增韧效果,对增韧程未增韧的两种双马复合材料层压板进行低速冲击性及冲击后压缩剩余强度实验研究.结果表明:经过“离位”增韧的双马复合材料层压板层间形成了热塑性树脂/热固性树脂双连续的结构,该结构不仅改善了材料的损伤阻抗,使其表面凹坑深度更明显,而且还大大提高了材料的损伤容限.     

“离位”增韧复合材料准静态压入损伤特性研究

采用"离位"增韧技术对双马来酰亚胺复合材料层压板进行了层间增韧,然后对增韧和未增韧的两种双马复合材料层压板进行准静态压入及冲击后压缩剩余强度试验研究,并用超声C扫描和热揭层对层压板的损伤进行测量。结果表明:经过"离位"增韧的双马复合材料层压板层间形成了热塑性树脂/热固性树脂双连续的结构,该结构不仅能抑制增韧层压板的内部损伤面积,改善损伤阻抗,使其表面凹坑深度更明显,而且还大幅提高了其损伤容限。     

层间韧化的碳纤维复合材料层压板的力学性能

研究了"离位"增韧的双马来酰亚胺复合材料层压板的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性、层间微结构及其形貌变化、冲击分层损伤和冲击后压缩强度,以及典型面内、面外的基本力学性能.结果表明,通过热反应失稳分相、相反转和颗粒粗化等一系列过程,"离位"增韧在复合材料的层间形成了热塑性树脂/热固性树脂双连续的3-3相结构,这种结构大大提高了复合材料层压板的层间韧性、冲击损伤阻抗和损伤容限等性能.     

层间颗粒增韧HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/ Q Y8911 进行层间增韧, 制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI) 实验和冲击后压缩实验, 研究了层间增韧后HT3/ Q Y8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明, 改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷, 或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下, 层间增韧后的HT3/ Q Y8911 具有较深的凹坑, 表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积, 具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下, 层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤阻抗表征

通过落锤冲击试验与准静态压痕试验研究了碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤阻抗,发现两种试验中,复合材料层合板都具有三个损伤阶段。两种试验都具有两个表征损伤阶段变化的拐点:第一个拐点为分层拐点,表征分层起始;第二个拐点为损伤拐点,表征分层扩展趋于饱和。本文建议利用一个三维坐标点(x,y,z,其中x为第二拐点对应的冲击能量,y为相应的凹坑深度,z为分层投影面积)表示的损伤拐点来衡量材料抵抗冲击的能力,此损伤拐点不仅仅代表了材料抵抗冲击的关键点,也揭示了此时的内部损伤状态。     

三维编织复合材料损伤容限性能试验

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30 J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。      

Preliminary Study on Evaluation System of Capability of Composites to Withstand Impact

Inthemiddleof1970th,itwasfoundthatthe mainweaknessofcompositelaminateswastheirsen sitivitytoimpactanditlimitedextensiveuseofcom positesinaircraftstructures.Usuallyitwascon sid eredthatthesensibilitycamefrombrittlenessofresin matrix.Thereforedevelopmentoftoughenedresin matrixhasbeenpaidthemostattentiontobymateri alscientistsforthelast30years.Inordertoevaluate thetoughenedresinmatrixcompositesteststand ards[1,2]bythecharacteristicquantityofCAI(Com pressionAfterImpact)wasproposedin1980th.In th…     

复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。      

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

离位增韧复合材料层合板准静态压入实验研究

采用准静态压入(Quasi-Static Indentation, QSI)实验方法对"离位"增韧复合材料层合板和未增韧层合板进行了实验研究.分析了QSI实验中层合板的损伤破坏过程,并对两类层合板的实验结果进行了对比分析.结果表明:"离位"增韧技术能够有效提升复合材料层合板的低速冲击损伤阻抗性能;准静态压入实验中,接触...     

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素

依据笔者在这方面的研究和前人的工作，以及现有各种改进炭纤维增强树脂基复合材料冲击性能的方法，分析和总结了复合材料层合结构冲击损伤以及损伤容限，其中主要是冲击后压缩强度的重要影响因素，并且讨论了这些因素的作用。     

小尺寸试件层合板低速冲击后的剩余压缩强度

使用一种小尺寸试件试验方法来测量复合材料层合板低速冲击后的剩余压缩强度(CAI),以便减少试验费用,降低材料研制成本和周期。在试验研究的基础上,建立了复合材料低速冲击后剩余压缩强度估算的一种软化夹杂模型。该模型将冲击损伤等效成圆形低刚度的夹杂,用8节点等参元分析层合板的应力应变状态,以点应力准则为压缩破坏判据。理论分析结果与试验对比显示,该模型简单有效。