飞行器用KT31/HFW285SA层压板不同环境下的力学性能

俞 敏 李笑喃

（江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院有限公司，江苏 常州 213002）

随着人们对飞行器性能的要求越来越高，相关结构的设计标准也越来越严格，传统的材料难以满足飞行器各部位对性能的要求，碳纤维复合材料凭借比强度高、比模量高等特性受到青睐。例如某型无人直升机平尾采用EM103/HFW285SA/52和Rohace1151WF整体共固化成型。但由于树脂本身耐高/低温性能、耐湿/热性能以及断裂韧性较低，会影响碳纤维复合材料在某些特殊部位的推广应用。因此，须对新开发的碳纤维复合材料的力学性能进行研究，扩大复合材料在飞行器上的应用范围。

该文拟通过径向/纬向拉伸、压缩、弯曲试验以及层间、纵横剪切试验全面探究环境温度对KT31/HFW285SA层压板力学性能的影响。试验研究了层压板在室温干态（23 ℃）、低温干态（-55 ℃）及高温湿态（130 ℃）3种状态下的强度和模量，为飞行器的轻量化设计和可靠性分析提供了基础数据。

1 试验部分

1.1 试验项目

该试验所进行的试验项目见表1。

表1 层压板力学性能试验项目

1.2 试验件

试验件材料KT31树脂（RTM用）属于高温固化环氧树脂体系，碳纤维织物为HFW285SA缎纹布。试验件由江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院制备，由第三方检测机构进行试验。

试验前根据试验标准的要求对试验件的外观、尺寸进行检验、测量和记录，结果表明，试验件均为合格试样。

试验件铺层、尺寸和数量见表2。

表2 试验件铺层、尺寸及数量

1.3 试验件状态调节

在试验前，试样在试验室标准环境下（温度为（23±3） ℃，湿度为（50±10）% RH）至少放置24 h。

根据《树脂基复合材合板湿热环境湿热试验方法》（HB 7401—1996）的要求完成湿态试验件状态调节工作。湿态试验件状态调节环境如下：（70±3） ℃、（85±5）% RH。首先，将伴随件称重（）。其次，连同其他试验件一起放入湿热试验箱，设置环境箱温度为70℃、相对湿度为85%。最后，对试验件进行吸湿状态调节，根据标准要求对伴随件称重并记录，直到连续3次对伴随件称重得到的吸湿速率连续两天内吸湿量的变化均小于等于0.02%），连续测出三次也就是至少测4天，其中每个连续的两天的结果都满足，即达到吸湿饱和状态，此时停止状态调节。试验件的吸湿量如公式（1）所示。

式中：W为试验件的吸湿量，%；M为第次称量的试验件质量，g；为试验件工程干态质量，g。

1.4 试验测试

该文的试验测试共包括3种试验环境条件：1） 室温干态。温度为23 ℃，湿度为（50±10）% RH。2） 低温干态。温度为-55 ℃。3） 高温湿态。温度为130 ℃（试验件须根据第1.3.2节完成湿态试验件状态调节工作）。试验前根据试验标准的要求对试验件进行测量、检验和记录，如果存在缺陷和不符合尺寸及制备要求的试验件，就对其进行作废处理。

低温干态和室温干态试验采用应变计测量应变，高温湿态采用引伸计测量应变。应变计均采用中航电测生产的室温应变计（BE120-3AA或BE120-2BB）和低温应变计（BA120-3AA150）。应变数据由ST-16数据采集仪采集。

对在130 °C和-55 °C温度条件下进行性能测试的试样来说，相关试验均在力学试验机高低温环境箱中进行。在高温试验的过程中，当环境箱内温度达到指定的温度后，保温2 min～3 min，将试样温度保持在所需试验温度的±3 ℃范围内再进行试验。在低温试验的过程中，当环境箱内温度达到指定的温度后，保温5 min～6 min，将试样温度保持在所需试验温度的±3 ℃范围内再进行试验。

根据《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 3354—1999）的要求进行经向/纬向拉伸试验，根据如图1所示的位置背靠背地粘贴在应变计上。以2 mm/min的速率对试验件进行连续加载并采集载荷-应变数据，直至试件破坏并记录破坏载荷和失效模式。在1 000 me～3 000 me的纵向应变区间内测得拉伸模量。

图1 经向/纬向拉伸试验件贴片图（单位：mm）

根据根据相关标准的要求进行经向/纬向压缩试验。根据如图2所示的位置背靠背地黏贴应变计。以1 mm/min的速率对试验件进行连续加载并采集载荷-应变数据，直至试件破坏并记录破坏载荷和失效模式。在1 000 με～3 000 με的纵向应变区间内测得拉伸模量。

图2 压缩试验件贴片图（单位：mm）

根据《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》（GB/T 1449-2005）的要求进行经向/纬向弯曲试验。以1.0 mm/min的加载速率对试验件施加压缩载荷，直至弯曲应变超过5 000 με，此后将加载速率提高至5.0 mm/min，连续加载，直至试验件破坏并记录试验件的破坏载荷和破坏模式。经向/纬向弯曲试验状态如图3所示。

图3 弯曲试验状态

根据《纤维增强塑料 短梁法测定层间剪切强度》（JC/T 773—2010）的要求进行层间剪切试验。以1 mm/min的加载速率对试验件进行连续加载，直到载荷下降至最大载荷的30%为止，记录试件的破坏载荷和破坏模式。短梁剪切试验状态如图4所示。以2 mm/min的速率对试验件进行连续加载，采集载荷-应变数据，直至试件破坏并记录破坏载荷和失效模式。

图4 层间剪切试验状态

根据相关标准的要求进行纵横剪切试验，根据如图5所示的位置背靠背地粘贴在应变计上。以2 mm/min的速率对试验件进行连续加载，采集载荷-应变数据，直至试件破坏并记录试验件的最大载荷和破坏模式。

图5 纵横剪切试验件贴片图（单位：mm）

2 试验结果

KT31/HFW285SA层压板在不同环境状态下试件强度和模量试验结果的统计值见表3。空白部分数据缺失（在130 ℃环境下应变片黏接强度低，无法测量应变数据，无法计算模量以及特定应变下的强度）。拉伸试验采用高温引伸计测得相关数据。

表3 力学性能试验结果统计值

由表2可知，KT31/HFW285SA层压板强度性能表现良好，所有强度性能均达到指标要求（表1）。其中，经向拉伸强度超过指标最低要求值的41.3%，纬向拉伸强度超过指标最低要求值的52.0%，经向压缩强度超过指标最低要求值的4.0%，纬向压缩强度超过指标最低要求值的10.7%，经向弯曲强度超过指标最低要求值的63.4%，纬向弯曲强度超过指标最低要求值的65.4%，纵横剪切超过指标最低要求值的4.6%，层间剪切强度超过指标最低要求值的7.7%。除纬向压缩模量外，KT31/HFW285SA层压板所有模量性能均达到指标要求。其中，纬向模量指标最低要求值为60.0 GPa，其实际测量值为59.3 GPa，略低于指标的最低要求值。

3 结语

综合测试结果可见，经过湿热环境处理后的H301RTM/HFW285SA层压板的力学性能会明显受环境温度的影响。该文通过试验得出以下4个结论：1） 在经历短时低温（-55℃）后，层压板的拉伸强度、弯曲强度以及模量的值均比室温干态环境下低，最高下降了12.4%；层压板的压缩强度、剪切强度的值比室温干态环境下高，最高上升了51.1%。2） 在经历短时高温（130 ℃）后，层压板的拉伸强度的值比室温干态环境下高，最高上升了11.8%；其余性能的值都比室温干态环境下低（其中，剪切强度下降最明显）。3） 有必要进一步研究H301RTM/HFW285SA层压板长期处于高温或者低温状态下的力学性能。4） 初步判断材料的基本性能满足需求，需要进一步进行设计与许用值相关的开孔拉神、开孔压缩、螺栓挤压以及冲击后压缩试验等，以便更全面地对材料进行评价。