碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究

竺铝涛，张 发

碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究

竺铝涛1，张 发2

（1.中国石化上海石油化工股份有限公司，上海200540；2.东华大学纺织学院，上海201620）

为研究复合材料不同铺层结构的抗冲击性能，采用碳纤维预浸料制备了单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层2种不同结构的碳纤维复合材料层压板，并使用Instron 9250落锤冲击测试仪测试其低速冲击性能，得到了载荷-时间曲线，分析了2种不同铺层方式的复合材料层压板的低速冲击加载力学性能，得到复合材料层压板的破坏形态来分析其破坏方式。结果表明：2种铺层方式产生了不同的破坏模式，正交[0/90]2s的复合材料层压板的抗低速冲击能力要优于单向[0°]8铺层的。

碳纤维预浸料；层压板；低速冲击；复合材料；破坏形式；冲击响应；铺层

0 引言

碳纤维复合材料由于具有质量轻、强度高、抗疲劳性能好和可设计性强等优点，在航空航天领域得到了越来越广泛地应用。但是在实际制造、维修和应用中，纤维复合材料存在着共同的弱点，即对冲击载荷引起的损伤比较敏感。特别是外物的低速冲击载荷作用在其内部形成“不易察觉的各种损伤”，如层间脱层、基体开裂和纤维断裂等。该损伤范围大且在材料内部不易被发现，但会使复合材料的力学性能严重退化[1-6]，强度可削弱35%～40%[7]，从而导致结构承载能力大大降低。相对于高速冲击所造成的穿透损伤而言，低速冲击具有很大的潜在危害性和安全隐患，且此类冲击在生产、使用过程中更普遍[8-9]。因此，理解复合材料层压板的低速冲击损伤及冲击后的力学性能对有效地进行复合材料结构设计具有重要的理论意义与工程价值。

国内外对复合材料低速冲击进行研究时，分析了冲头直径和形状、冲击角度、冲击物质量和材料、冲击能量、对材料的冲击损伤破坏、以及对材料不同结构的低速冲击损伤模式进行了大量的试验研究[10-15]。

本文利用落锤冲击装置对碳纤维增强复合材料层压板进行了低速冲击试验研究[16]，并对单向[0°]8和正交 [0/90]2s铺层2种不同铺层方式的低速冲击加载力学性能和破坏模式进行了分析。

1 试样制备与测试

1.1 原料

碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板试样采用碳纤维预浸料制备。该材料采用土耳其AKSA公司的A12碳纤维与环氧树脂在预浸设备上使用涂膜工艺加工而成，具体材料性能参数见表1、2。

表1 土耳其AKSA碳纤维性能参数

表2 碳纤维预浸料用YPX-3001环氧树脂性能参数

1.2 试样制备

将碳纤维预浸料按规定尺寸裁剪，分别进行单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层，然后通过在烘箱内抽真空加热固化而成，再将所得层压板进行修剪，所得试样尺寸（长×宽×高）为150 mm×28 mm×1 mm。

1.3 冲击试验

2种不同铺层方式复合材料层压板的低速冲击试验在Instron-Dynatup 9250 HV落锤冲击试验机上进行，如图1所示。该试验的冲头直径为12.7 mm的钢制半球面，冲头质量为11.4 kg，夹持距离为120 mm。试验冲击能量和冲击速度可以通过调整冲头的下落高度来控制，分别采用1、3、10、15 J的冲击能量。各冲击能量下至少测试3个试样，在冲击测试之后记录各自的载荷-时间历程曲线。

图1 Instron-Dynatup 9250 HV落锤冲击试验机

2 试验结果

2.1 低速冲击性能分析

在不同冲击能量下，2种不同铺层方式的复合材料层压板的时间-载荷曲线如图2所示。从图2（a）中可见，在1 J的冲击能量下，正交铺层在达到最大承受载荷后，曲线开始下降且比较光滑；当冲击能量达到3 J以上时，其在最大载荷附近产生锯齿状波动，达到最大载荷后呈直线下降；在接近载荷0时，又产生了水平锯齿状波动。经比较可知，冲击能量越大，材料达到最大载荷的时间越早，即材料失效的时间越早。从图2（b）中可见，单向铺层与正交铺层具有相似的破坏趋势，但是单向铺层较少出现锯齿状波动，说明此结构瞬间失效，各层的破坏方式较一致，同时单向铺层的失效时间比正交铺层的更提前。

图2 2种不同铺层方式复合材料层压板的时间-载荷曲线

在不同冲击能量下2种不同铺层方式的复合材料层压板的最大载荷值见表3。从表中可见，正交铺层比单向铺层方式能承受更大的载荷，在10 J的冲击能量下，承载方式提高了约50%。

表3 在不同冲击能量下2种不同铺层方式的复合材料层压板的最大载荷值 kN

2.2 破坏形态分析

在 1、3、10 J冲击能量下，单向[0°]8铺层复合材料层压板的破坏形态如图3所示。从图中可见，各种冲击能量作用下的复合材料都发生破坏，其破坏模式为沿着纤维方向产生轴向劈裂。由于相邻层间纤维排列方向一致，裂纹主要以树脂沿着纤维方向发生劈裂破坏，最终完全失效，证明纤维没有起到很好的承载作用。

图3 在不同冲击能量下单向铺层层压板的破坏形态

在 1、3、10 J冲击能量下，正交[0/90]2s铺层复合材料层压板的破坏形态如图4所示。从图中可见，在1 J冲击能量下，材料没有被破坏，处于弹性载荷范围内。在3 J冲击能量下，材料沿宽度方向折断，这与单向[0°]8复合材料层压板的破坏模式完全不同，其形式为基体开裂和纤维断裂。在10 J冲击能量下，材料除了发生横向断裂外，在断裂处还有纵向开裂，为小矩形的破坏形态。可知材料横向断裂使得复合材料在承受冲击载荷时，纤维发生拉伸断裂，碳纤维拉伸强度高的优势得以发挥，复合材料的利用率和能量吸收能力得到大幅提高。

图4 在不同冲击能量下正交铺层层合板的破坏形态

3 结论

本文通过对单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层复合材料层合板在不同能量下进行冲击试验，对比分析后得出如下结论：

（1）对于不同结构，冲击能量越大，载荷-位移曲线上的冲击载荷峰值越高，材料失效的时间越早，冲击损伤程度越大。

（2）2种铺层结构具有不同的破坏模式，其中单向铺层层压板的破坏模式为材料沿着纤维方向产生轴向劈裂，而正交铺层层压板的破坏模式为沿着宽度方向折断。

（3）正交铺层结构比单向铺层结构具有更高的冲击载荷峰值，抗冲击能力更强。

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Experimental Investigation of Low-Speed Impact for Carbon Fiber Composite Laminate

ZHU Lv-tao1，ZHANG Fa2
（1.Acrylic Fiber Division,SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.,Shanghai 200540,China;2.Collegesof Textile,Donghua University,Shanghai 201620,China）

In order to study the impact resistance of composite with different layer modes,two kinds of laminates that unidirectional[0°]8and cross ply[0/90]2swere prepared with carbon fiber prepreg.Low-speed impact testing was performed by Instron 9250 drop weight impact testingmachine.Force-timecurveswereobtained toanalyzelow-speed impact with loadingmechanical performanceof two kindsof laminates.Thedamage mode of compositelaminatewasobtained toanalyzeitsdamagingmanners.Theresultsshowthatthetwolayer modeshaveadifferent damagingmanners,thelow-speed impactresistanceofthecrossply[0/90]2slaminateisbetter thanthatof unidirectional[0°]8laminate.

carbon fiber prepreg；laminate； low-speed impact；composite laminates；damaging manner；impact response；lay up

V214.8

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.017

2013-10-23

竺铝涛（1983），男，从事纺织结构复合材料研发工作；E-mail：taozai23@163.com。

竺铝涛，张发.碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究[J].航空发动机，2015,41（1）：85-88.ZHULvtao,ZHANGFa.Experimental investigation of low-speed impact for carbon fiber compositelaminate[J].Aeroengine，2015，41（1）：85-88.

（编辑：肖磊）