高損傷容限復(fù)合材料體系研制途徑的探討

根據(jù)上述分析，從進(jìn)步壓縮設(shè)計(jì)值的角度考慮，對(duì)材料性能的要求是含BVID時(shí)具有較高的CAI值。文獻(xiàn)[7]～[9]通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，含沖擊損傷層壓板的壓縮破壞機(jī)理是沖擊損傷四周在加載過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一特征損傷區(qū)，當(dāng)該區(qū)內(nèi)0°纖維均勻應(yīng)力達(dá)到單向板的壓縮強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)破壞，提出可將沖擊損傷區(qū)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)軸與損傷寬度相同的橢圓孔，然后采用損傷區(qū)纖維斷裂（FD）失效判據(jù)來(lái)進(jìn)行估算，該失效判據(jù)為：當(dāng)缺口(或損傷)四周特征長(zhǎng)度l0范圍內(nèi)0°層的均勻軸向應(yīng)力達(dá)到單向板的極限強(qiáng)度時(shí)，含損傷層壓板出現(xiàn)破壞。固然該估算方法有一定局限性，但可以說(shuō)明含BVID層壓板的CAI值與沖擊損傷的面積（或?qū)挾龋?、?fù)合材料體系的特征尺寸和單向板的壓縮強(qiáng)度有關(guān)，因此高損傷容限復(fù)合材料體系的研制應(yīng)從這幾方面著手，特別是盡可能減少BVID時(shí)的損傷面積（寬度）。文獻(xiàn)[10]和[11]對(duì)沖擊損傷隨沖擊能量增加的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層壓板的抗沖擊行為呈現(xiàn)有明顯的拐點(diǎn)現(xiàn)象，圖3給出了對(duì)應(yīng)于不同的沖擊能量，作為損傷阻抗標(biāo)志的凹坑深度和作為損傷容限標(biāo)志的CAI值的變化規(guī)律，同時(shí)給出了不同沖擊能量對(duì)應(yīng)的內(nèi)部損傷狀態(tài)。隨沖擊能量的增加其凹坑深度、內(nèi)部分層損傷狀態(tài)和壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律是當(dāng)沖擊能量較小時(shí)，沒(méi)有凹坑，同時(shí)內(nèi)部沒(méi)有損傷；能量增加后可以檢測(cè)到凹坑，但深度很淺，目視基本不可見(jiàn)，表明表面樹(shù)脂出現(xiàn)了塑性，但內(nèi)部仍無(wú)損傷，同時(shí)壓縮強(qiáng)度沒(méi)有降低；繼續(xù)增加能量，凹坑深度不斷增加（通常仍比較淺），內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)分層損傷，此時(shí)壓縮強(qiáng)度開(kāi)始下降；繼續(xù)增加能量，凹坑深度也不斷增加，同時(shí)壓縮強(qiáng)度急劇下降；在沖擊能量超過(guò)某個(gè)值后，凹坑深度（大約為0.5mm）隨能量增加而急劇增加，很快達(dá)到了BVID的要求，并可以觀(guān)察到?jīng)_擊部位表面纖維斷裂，但內(nèi)部分層損傷面積基本上不再增加，同時(shí)其CAI值也基本上不再降低。作者用熱揭層的方法對(duì)拐點(diǎn)前后的損傷狀態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象的本質(zhì)是其損傷機(jī)理發(fā)生了突變，即由單純的基體裂紋和分層到出現(xiàn)沖擊部位表面纖維斷裂，一旦表面纖維開(kāi)始斷裂，內(nèi)部的分層區(qū)域基本上不再增加，其后續(xù)的損傷機(jī)理是從表面到內(nèi)部的纖維斷裂。由于出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的內(nèi)部損傷尺寸基本上代表了含BVID試樣可能存在的損傷尺寸，而損傷尺寸決定了CAI值，因此可以通過(guò)對(duì)影響損傷擴(kuò)展和控制表面纖維斷裂的因素分析，來(lái)確定研制高損傷容限復(fù)合材料體系的途徑。控制拐點(diǎn)時(shí)損傷尺寸的因素有以下幾點(diǎn)：（1)降低樹(shù)脂從分層起始到表面纖維出現(xiàn)斷裂期間的層間分層擴(kuò)展速率；（2)使拐點(diǎn)盡早出現(xiàn)，即盡早達(dá)到纖維的斷裂應(yīng)變。為此有2種途徑：使沖擊部位的樹(shù)脂盡早進(jìn)進(jìn)塑性，從而增大局部的纖維應(yīng)變；采用斷裂應(yīng)變較低的纖維。

機(jī)翼結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料體系對(duì)纖維和樹(shù)脂性能的要求

1 對(duì)纖維的性能要求
　　源于復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的需求，20世紀(jì)80年代波音公司提出了第二代復(fù)合材料體系的研制要求，其中對(duì)纖維性能的要求強(qiáng)度進(jìn)步50%，模量進(jìn)步30%，并要求與高韌性樹(shù)脂復(fù)合后，壓縮設(shè)計(jì)許用應(yīng)變應(yīng)由3000～4000με進(jìn)步到6000～8000με。根據(jù)上述分析，為滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，復(fù)合材料體系要求具有較高的模量，因此模量比T300（約230GPa）高30%的要求是公道的，這也應(yīng)是機(jī)翼用碳纖維的要求。對(duì)于損傷容限要求，波音公司的要求也是公道的，但具體到纖維強(qiáng)度進(jìn)步50%的要求是否公道還需推敲。由于強(qiáng)度與模量進(jìn)步幅度不同，使得纖維的斷裂延伸率由原來(lái)的1.5%～1.8%進(jìn)步到了1.8%～2.1%，斷裂延伸率的進(jìn)步意味著表面層纖維不輕易斷裂，從而推遲了拐點(diǎn)的出現(xiàn)，增加了分層損傷擴(kuò)展的空間，同時(shí)為保證出現(xiàn)BVID，也增加了高性能樹(shù)脂的研制難度，即要求樹(shù)脂有較高的塑性。
　　由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)復(fù)合材料抗沖擊性能的評(píng)定一直沿用傳統(tǒng)的CAI值，而忽略了BVID的條件，固然用傳統(tǒng)的CAI值來(lái)評(píng)定，其損傷容限性能應(yīng)有較大的進(jìn)步，但實(shí)際情況如圖2所示，含BVID時(shí)的CAI值有可能降低，即使進(jìn)步，幅度也很小，這就是采用第二代復(fù)合材料體系（T800和IMS類(lèi)中模高強(qiáng)纖維和3900、8552及M21類(lèi)韌性樹(shù)脂）后至今，機(jī)翼結(jié)構(gòu)壓縮設(shè)計(jì)許用應(yīng)變?nèi)匀粺o(wú)法超過(guò)4000的原因。纖維拉伸強(qiáng)度的進(jìn)步對(duì)進(jìn)步復(fù)合材料體系開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度有利，對(duì)進(jìn)步機(jī)械連接強(qiáng)度有利，但這2個(gè)指標(biāo)并不是影響機(jī)翼減重的主要因素，因此從進(jìn)步損傷容限性能的角度出發(fā)高強(qiáng)度和高斷裂延伸率纖維并不是最好的選擇。由于復(fù)合材料體系的壓縮強(qiáng)度取決于多種因素，迄今為止高強(qiáng)纖維的壓縮強(qiáng)度并沒(méi)有進(jìn)步，所以過(guò)高的纖維拉伸強(qiáng)度實(shí)際上妨礙了損傷容限性能的進(jìn)步。作者以為下一代碳纖維性能指標(biāo)如下：拉伸彈性模量約300GPa，拉伸強(qiáng)度約4500～5000MPa，斷裂延伸率約1.5%～1.8%。

2 對(duì)樹(shù)脂的性能要求
　　由于復(fù)合材料體系的模量主要取決于纖維，因此從穩(wěn)定性要求出發(fā)，對(duì)樹(shù)脂沒(méi)有特別的要求。但樹(shù)脂性能的進(jìn)步有可能降低沖擊過(guò)程中分層損傷的擴(kuò)展性能，從而減小對(duì)應(yīng)BVID的損傷尺寸，這是20多年來(lái)復(fù)合材料界一直努力的方向。從圖4所示的損傷擴(kuò)展規(guī)律可以看出，為了降低含BVID時(shí)的損傷尺寸，對(duì)樹(shù)脂?？唇档蛷姆謱悠鹗嫉焦拯c(diǎn)出現(xiàn)之間的擴(kuò)展速率和當(dāng)纖維斷裂延伸率不變時(shí)增加沖擊區(qū)的纖維變形。初步研究表明分層起始對(duì)不同樹(shù)脂變化不大，為降低損傷擴(kuò)展速率其控制因素是樹(shù)脂的層中斷裂韌性，進(jìn)步樹(shù)脂的GIc和GIIc可降低損傷擴(kuò)展過(guò)程。沖擊凹坑實(shí)際上是樹(shù)脂進(jìn)進(jìn)塑性的表征，為了增加沖擊區(qū)域的纖維變形，?？礃?shù)脂易于產(chǎn)生塑性變形，使得在較小的沖擊能量下即有可能使沖擊部位的纖維達(dá)到其斷裂變形量。

3 損傷容限與損傷阻抗
　　損傷容限和損傷阻抗是復(fù)合材料抗沖擊性能的2個(gè)方面，前者是含一定損傷時(shí)對(duì)強(qiáng)度影響的性能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)而言主要是安全性的考慮；后者是抵抗一定的外來(lái)物沖擊（能量或力）時(shí)產(chǎn)生損傷大小能力的性能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)而言主要是經(jīng)濟(jì)性考慮。對(duì)有一定厚度的機(jī)翼結(jié)構(gòu)而言，主要考慮其損傷容限要求；對(duì)薄蒙皮和薄面板夾層結(jié)構(gòu)，應(yīng)主要考慮損傷阻抗要求，即不會(huì)因常見(jiàn)的小能量沖擊產(chǎn)生表面凹坑和纖維斷裂，引起水分浸進(jìn)和維護(hù)題目。本文從機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)步壓縮設(shè)計(jì)許用值出發(fā)，主要考慮進(jìn)步損傷容限性能，?？词褂弥械葦嗔蜒由炻实睦w維與韌性樹(shù)脂組合的復(fù)合材料；但對(duì)操縱面而言，應(yīng)主要考慮損傷阻抗要求，不希看產(chǎn)生凹坑，高斷裂延伸率的纖維和韌性樹(shù)脂可得到高損傷阻抗的復(fù)合材料。因此高損傷容限和高損傷阻抗的要求對(duì)復(fù)合材料研制提出了互相矛盾的要求，材料研制者必須明確其應(yīng)用對(duì)象。

4 工程應(yīng)用遠(yuǎn)景
　 （1) T800在國(guó)內(nèi)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
　   國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期以來(lái)在研制韌性樹(shù)脂時(shí)均采用CAI＠6.7J/mm來(lái)評(píng)定其損傷容限性能，因此將它們與高斷裂延伸率的纖維進(jìn)行復(fù)合時(shí)，其CAI＠BVID均相當(dāng)?shù)?，用于結(jié)構(gòu)時(shí)，其壓縮設(shè)計(jì)許用值甚至低于原來(lái)脆性樹(shù)脂復(fù)合材料體系達(dá)到的水平。目前國(guó)外復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)用的高斷裂延伸率纖維與韌性樹(shù)脂復(fù)合得到的第二代復(fù)合材料體系，其壓縮許用應(yīng)變并沒(méi)有得到預(yù)期的進(jìn)步（當(dāng)然因模量的進(jìn)步，壓縮許用強(qiáng)度得到了進(jìn)步）。因此為了采用與高斷裂延伸率纖維復(fù)合的韌性樹(shù)脂，必須采用CAI＠BVID來(lái)評(píng)定其損傷容限性能，但預(yù)期很難實(shí)現(xiàn)壓縮許用應(yīng)變超過(guò)5000με的目標(biāo)。
　 （2) 本文推薦的纖維和樹(shù)脂體系的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
　   假如研制出具有本文推薦性能指標(biāo)的碳纖維，可以與目前已有的大多數(shù)韌性樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合，既可滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，也有可能較大幅度地進(jìn)步壓縮設(shè)計(jì)許用值（如達(dá)到5000με），從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼減重的要求。圖4給出了不同纖維與樹(shù)脂組合復(fù)合材料體系的抗沖擊性能。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)完整性要求和復(fù)合材料抗沖擊性能的研究和T300纖維的使用經(jīng)驗(yàn)表明，適用于機(jī)翼蒙皮復(fù)合材料體系的性能要求應(yīng)當(dāng)具有較高的模量和含BVID時(shí)的剩余壓縮強(qiáng)度，為此要求具有碳纖維應(yīng)具有中等拉伸彈性模量（約300GPa）和中等拉伸強(qiáng)度（4500～5000MPa）的碳纖維（一般斷裂延伸率不超過(guò)1.8%），而對(duì)樹(shù)脂的要求則應(yīng)具有較高的層中斷裂韌性和一定的塑性變形能力。由于目前沒(méi)有相應(yīng)的碳纖維，上述結(jié)論還有待于試驗(yàn)驗(yàn)證。