碳/环氧复合材料横管开裂失效分析

万 蕾，孙 璐，李 晶，杨耀东

(北京卫星制造厂，北京 100094)

0 引言

碳/环氧复合材料相比于金属材料密度小、比强度和比刚度高，并且在真空条件下质损率低、热膨胀系数小，更加符合现代航天器的要求，被广泛应用于航天领域中的卫星天线、卫星本体、太阳电池阵基板结构等航天器重要组成部分［1］。目前国内外对碳/环氧复合材料的研究集中在对其制备成型工艺、缺陷的无损检测方法(主要为声发射、超声波C 扫检测)，以及孔隙、分层等缺陷对其性能影响的研究，在航天领域，主要针对碳/环氧复合材料的应用以及与空间环境的交互作用等进行了相关研究［2-8］。但针对具体复材构件中的孔隙率等缺陷的控制标准的研究尚不够深入。

卫星天线结构为验证其展开功能和承载能力，在其研制过程中需经历多次展开、收拢和力学试验，使其承受循环载荷、压弯组合变形、振动等复杂的力学环境。该天线结构在完成收拢状态力学振动试验后，进行第60 次展开试验的过程中，其重要组件横管发生了折损。该横管为碳/环氧复合材料，横管长1 492.7 mm、壁厚0.6 mm、内径(24±0.05)mm，该横管采用7 层铺层结构，5 层缠绕层(±15°层和90°层)和2 层铺覆层(0°层)。缠绕层采用M40JB-6K 碳纤维丝束浸渍环氧树脂通过缠绕工艺制备。

本研究通过失效件与比对件的弯曲试验、宏观观察、微观观察、金相分析，确定横管的失效模式，并对其失效原因进行分析，同时提出后续解决措施建议。

1 试验过程与结果

1.1 失效横管宏观观察

对分解下来的失效横管进行目视观察，其宏观形貌如图1 所示。横管发生了向下弯曲变形开裂，弯曲角度约25°，圆管变形呈扁平状，断裂处的裂纹沿铺层方向扩展，弯曲部位内侧表面约3/4 周范围存在断裂及层间开裂现象(图1b)，断裂处附近沿轴向长约40 mm(弯裂处两侧各约20 mm)的范围内可见不同程度的层间开裂现象，断裂处纤维束参差不齐，部分呈翘起、错位状态;而断裂处弯曲外侧表面1/4 周范围未见明显裂纹及层间开裂现象。此外，横管分解下来后在卸载状态下极易恢复原有状态，以上宏观形貌特征表明横管具有典型的弯曲破坏特征。采用游标卡尺对失效横管壁厚进行测试，结果为0.61～0.70 mm，符合设计要求。

图1 失效横管宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the failure transverse pipe

1.2 三点弯曲试验

由于失效部位主要是受到弯矩作用而发生的破坏，为了考核失效横管其他部位的弯曲性能，在失效横管未开裂区域和比对横管(同种加工工艺，未使用横管)上分别截取部分试件进行三点弯曲性能试验，加载后试件发生弯曲变形，卸载后试样弯曲破坏位置趋向恢复原态。对试验后的2个三点弯曲试件分别进行宏观形貌观察，可见，其宏观形貌基本一致，且与失效件破坏特征基本相同。2 个弯曲试样的弯曲性能测试结果如表1 所示，结果表明失效横管未开裂区域与比对横管三点弯曲破坏载荷相当，未见明显差异。

表1 三点弯曲试验结果Table 1 Results of three-point bending test

1.3 断口微观观察

1)弯曲试验件裂纹断面。

分别对2 个弯曲试验件(失效横管未开裂区域和比对横管)裂纹断面进行微观形貌观察。2件弯曲试验件裂纹断面的微观形貌较相似，未见明显的气孔、贫胶区等原始材料缺陷，树脂聚集区为脆性断裂特征，树脂基本连续且呈台阶、波纹辐射状及锯齿断裂形貌，边缘棱角分明，树脂与纤维的结合界面区域未见明显异常，纤维间的树脂较充盈，呈台阶及锯齿状，棱角分明(图2)。

2)失效件裂纹断面。

失效横管裂纹断面分为源区、源区附近缓慢扩展区及失稳快速扩展区3 部分，其微观形貌如图3 所示。其中失稳快速扩展区的断裂形貌与弯曲试验件裂纹断面形貌相似，源区及附近缓慢扩展区形貌则存在显著差异，主要表现在:树脂富集区断面由于受到多次往复弯曲、磨损变得更为平滑，原来的台阶、锯齿状断面呈现弯曲、磨损形貌，断面变窄，边缘变得较为圆滑;纤维间树脂大面积缺失，残留的树脂呈断续状，原始的台阶及锯齿状消失，断面变得非常圆滑。

1.4 金相分析

在失效横管及比对横管上分别取样制备成金相试样进行内部结构观察，结果表明2 个试样横截面上均可见7 层明显铺层、纤维分布较均匀，未见明显分层及层间开裂现象，但均存在少量孔隙(图4、图5 中黑色区域)。

图2 弯曲试验件开裂面微观形貌Fig.2 Micro morphology of fracture surface

图3 失效横管裂纹断面微观形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface (Failure transverse pipe)

图4 比对横管的截面形貌Fig.4 Transversal morphology of comparison specimen

图5 失效横管的截面形貌Fig.5 Transversal morphology of failure pipe

采用图像分析仪对2 个试样纤维体积含量及孔隙率分别进行测试(表2)，结果表明，2 个试样的纤维体积含量均符合设计要求(≥55%)。此外，军品用树脂基复合材料的孔隙率要求一般小于2%，失效件与比对件的孔隙率均在此范围内，但失效件胡孔隙率较比对件明显偏高，且图5 显示出个别的孔隙较大。

表2 纤维体积含量及孔隙率测试结果Table 2 Results of fiber volume fraction and porosity percentage

2 分析与讨论

通过以上测试结果表明:1)失效横管和比对横管结构未见明显差异，均为7 层铺层结构，纤维体积含量、孔隙率、壁厚均符合要求，但失效件的孔隙率明显高于比对件;2)失效横管与比对横管的三点弯曲破坏载荷大致相同。

宏观破坏形貌观察结果表明:失效横管与三点弯曲试验件的宏观破坏形貌相似，均具有典型的弯曲破坏特征。内侧受压面发生层间开裂和局部断裂现象，弯曲外侧受拉面未见明显层间开裂及断裂现象。

破坏部位的微观观察结果表明:失效横管失稳快速扩展区的断裂特征与比对件三点弯曲断口特征较一致，而与源区及附近扩展区的形貌存在明显差异，具体表现在树脂富集区和纤维间树脂的断裂特征:1)快速扩展区的树脂富集区树脂基本连续，且呈台阶、波纹辐射状及锯齿断裂形貌，边缘棱角分明;而源区及附近区域的树脂富集区断面由于受到多次反复弯曲作用及磨损，断面变得更为平滑，原来的台阶、锯齿状断面呈现弯曲、磨损及脱落形貌，断面宽度变窄，边缘变得较为圆滑，部分界面不清晰;2)快速扩展区纤维间的树脂较充盈、连续，呈台阶及锯齿状，棱角分明;而源区及附近区域树脂大面积缺失，残留的树脂呈断续状，原始的台阶及锯齿状消失，断面变得非常圆滑。

上述结果表明，横管在第60 次试验之前已经发生铺层层间损伤及局部开裂或断裂。由于经过了多次反复的应力作用，源区状态已发生变化，已无法判定源区是否有原始缺陷存在。但碳/环氧复合材料横管在制备过程中不可避免会存在一定的气孔缺陷，且失效件明显高于比对件。当其在后续进行收拢态振动及反复展开、收拢试验的过程中，横管承受循环载荷、压弯组合变形、振动等复杂的力学环境，在应力作用下开始萌生裂纹并逐步发生扩展，尤其是在反复展开、收拢的试验过程中，横管在反复加载的轴向压缩-弯曲载荷的作用下发生弯曲变形，在变形集中区缺陷发生扩展并逐步形成分层开裂损伤，使局部区域刚度下降，在后续使用中分层开裂损伤进一步加剧，导致横管的整体刚度逐渐下降，最终在第60 次展开试验中发生弯曲失稳破坏［9-14］。横管在未使用时以及试验过程中均采用接触式脉冲超声无损检测方法对其可能存在的分层缺陷、脱粘、开裂、弥散性缺陷等进行检测，但由于碳/环氧复合材料横管为薄壁、大曲率结构，对缺陷敏感性高，准确检测难度较大，现有的孔隙率控制标准是否适用值得研究。因此，建议今后开展对碳/环氧复合材料横管无损检测方法的研究，提高检测灵敏度的同时建立适合碳/环氧复合材料横管的缺陷评价规范，有效识别出碳/环氧复合材料横管在使用过程中的安全隐患。

3 结论与建议

1)失效件的破坏模式为弯曲破坏，失效件在第60 次试验之前已经发生铺层层间损伤及局部开裂或断裂。

2)收拢、展开过程中横管在反复加载的轴向压缩-弯曲载荷的作用下发生弯曲变形，在变形集中区缺陷发生扩展并逐步形成分层开裂损伤，使局部区域刚度下降，在后续使用中分层开裂损伤进一步加剧，导致横管的整体刚度逐渐下降，最终在第60 次展开试验中发生弯曲失稳破坏。

3)失效件的孔隙率明显高于比对件，建议今后开展对碳/环氧复合材料横管无损检测方法的研究，提高检测灵敏度的同时，建立研究并建立适合碳/环氧复合材料横管的缺陷评价规范，有效识别出碳/环氧复合材料横管在使用过程中的安全隐患。

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