复合材料层合板孔挤压力学性能试验研究

杨 康，赵为平，梅 莉，梁 宇， 薛继佳， 王 吉

(1.沈阳航空航天大学 通用航空重点实验室，沈阳 110136；2.辽宁通用航空研究院 设计部，沈阳110136；3.辽宁锐翔通用飞机制造有限公司 工艺室，沈阳 110136)

碳纤维复合材料由于具有质量轻、比强度高、结构整体应力分布均匀等优点，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛的运用[1]。而复合材料结构件与其他结构件之间的装配需大量孔加工，出、入口和孔内壁的加工损伤会严重削弱结构的抗破坏性，影响结构件的承载能力和服役时间，造成经济成本的提高，甚至导致严重的安全问题。杨显昆等[2]提出了一种估算复合材料单钉连接挤压强度的工程算法，该算法能较好地预测出复合材料单钉双剪连接挤压强度；张爽等[3]采用扩展拉格朗日乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模拟，并对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维-基体剪切3类基本损伤类型的产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究，预测了它们的初始挤压破坏载荷；管清宇[4]研究了冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响；李汝鹏等[5]采用三维Hashin失效准则预测材料的初始失效，基于渐进损伤理论提出了一种用于材料损伤后的刚度折减方案；朱伟东等[6]利用B样条曲线插值拟合获取了开孔板最大主应力铺放轨迹，并通过离散网格法建立了变刚度开孔板模型，通过引入Tsai-Wu损伤失效判据以及常刚度退化准则，进行了拉伸失效数值模拟及损伤失效分析，进行了拉伸对比试验；Chang等[7]提出了复合材料含孔层合板在拉伸载荷下的逐渐损伤模型，数值模拟结果与试验数据吻合较好；刘准[8]等针对考虑时间和温度影响的复合材料开孔层板压缩失效分析进行研究，结果表明单层较厚的开孔层板压缩强度对时间和温度更加敏感，而单层较薄的开孔层板则具有更好的损伤容限性能；谢宗蕻等[9]等采用基于应力形式和能量形式的失效准则预测失效的模型，结果表明该模型的预测精度高于传统的特征长度方法；肖梦丽等[10]结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型，通过比较试验数据与数值模拟，表明二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度。王福吉等[11]针对钻削过程中成型分层缺陷的动态演化行为进行研究，得到其在钻削过程中轴向力最大的横刃挤压阶段发生扩展的临界条件以及扩展长度的计算方法。彭亚南等[12]讨论了国内外复合材料挤压响应测试标准存在的差异，指出了目前最适用于复合材料挤压响应测试的标准，并分析了有限元模拟在复合材料挤压破坏损伤进程和强度预测上的应用发展；卢智等[13]采用试验的方法,研究发现单剪形式的二次面外弯曲对强度及变形影响大,双剪结构大幅提高了复合材料机械连接结构的屈服强度和挤压强度;刘向东等[14]通过分析层合板钉孔挤压损伤后剩余刚度的变化规律，提出在挤压变形和强度计算中，针对基体和纤维压缩失效，采用相关模量先突减，然后逐渐提升的刚度修正方法，并与试验结果相吻合；李跃宇[15]对含脱层的复合材料螺栓连接件在静载、疲劳载荷和湿热环境载荷的作用下进行了试验研究，探讨了脱层尺寸对局部失稳载荷、挤压强度和疲劳寿命的影响大小。以上研究均未采用电子显微镜(SEM)扫描断口的方法对复合材料层合板孔挤压失效形式进行分析研究。

本文对4 mm厚的碳纤维复合材料层合板标准试样进行孔挤压性能测试，通过扫描电子显微镜(SEM)对试样的失效区域进行检测扫描，并对受载位置形貌进行分析，测试及分析结果可为研究人员进行相关材料的制备提供一定的参考依据。

1 试验材料和方法

1.1 电子显微镜(SEM)及试验件制备

电子显微镜(SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是：(1)有较高的放大倍数，20～20万倍之间连续可调；(2)有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；(3)试样制备简单。因此，本文利用电子显微镜(SEM)对试验件的断口放大适当的倍数后观察其形貌，得到其断口断裂特征。

试验件为碳纤维增强环氧树脂复合材料，增强材碳纤维材料选用T300 3K 40B/1000，基体环氧树脂由LY 1564 SPT树脂和XB 3487固化剂按重量比配制，本文中提到的树脂含量为树脂与固化剂之间的重量比值，常温固化(22±2)h，采用湿法成型完成复合材料试验件的制备；碳布铺层均为[0°/90°]铺层。

1.2 拉伸试验

试验按照GBT 30968.1-2014《聚合物基复合材料层合板开孔受载孔性能试验方法 第1部分：挤压性能试验方法》进行，试验夹具采用该试验方法中双剪法的试验夹具，如图1所示，其中：1为垫板，2为双剪夹具，3为试样；试验加载采用位移控制，在实验室标准环境下进行，试件采用单向加载，纵向拉伸加载速率为2 mm/min。图2为拉力试验机，型号为Instron 8801，并配置一副可自动调心的夹具。加载时，夹具及其附件与试样无相对移动，保证试样长轴与施力方向及夹具中心线保持一致。

图1 双剪法试验示意图

图2 Instron 8801拉力试验机

2 结果与分析

2.1 挤压强度试验分析

试验时，为了降低试验数据的误差，确保测试结果的准确性，取多个试样进行试验(如图3、图4所示)，挤压强度测试结果见表1所示。图4为试样试验后的失效情况，根据图4，对比GBT 30968.1-2014《聚合物基复合材料层合板开孔受载孔性能试验方法 第1部分：挤压性能试验方法》中的失效模式示意图(见图5所示)，可确定4 mm碳纤维复合材料层合板孔挤压失效形式为撕脱。表1为4 mm碳纤维层合板挤压性能测试结果，根据表1可知，极限挤压强度值波动较小，证明测试结果的可靠性。

2.2 SEM扫描结果

完成碳纤维复合材料层合板的孔挤压力学性能测试后，从图4中划线位置将试样切开，并对切下的待扫描试样(见图6)进行清洁处理，利用SEM扫描观察孔受载后横截面形貌，其典型形貌图见图7所示。

图7a、b分别为孔受载后横截面放大500倍和1000倍时的形貌图，由图7可以看出，孔横截面受载后发生了明显的分层情况，而孔失效处横向的碳纤维，仅有少数的发生了断裂，因此，该碳纤维复合材料层合板孔挤压后的失效主要是由于开孔位置处碳纤维层合板在受载后分层导致的。

图3 试样及试验方法

图4 试样失效情况

图5 挤压试验失效模式示意图

表1 4 mm碳纤维层合板挤压性能测试结果

图6 待扫描试样

3 结论

由于开孔影响复合材构件的力学性能，研究孔挤压强度及失效的形式对复合材料构件的设计、制造有着重要的意义。本文对4mm碳纤维层合板孔挤压性能进行了测试，并利用电子显微镜(SEM)对试样失效处的孔横截面位置进行扫描检测和分析，根据扫描检测结果分析表明：4mm碳纤维复合材料层合板孔挤压加载后的失效主要是由于开孔位置在受载后复合材料层合板分层导致的，因此，在复合材料开孔件的结构设计时，对开孔部位进行局部加强处理，有利于提高复合材料开孔结构的力学性能。

图7 受载横截面电镜扫描图