分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能的影响

史耀辉,庄 纯,王树宏,盛 涛,刘图远

(1.上海复合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天树脂基复合材料工程技术中心,上海 201112)

随着航空航天领域的不断发展，对于航天用复合材料的性能要求在不断提高。复合材料层合板在制造过程中常会出现内部分层(即分层缺陷)。分层缺陷作为复合材料的常见损伤形式，影响了复合材料的力学性能，直接关系着复合材料的使用，因此对复合材料层合板分层缺陷的研究至关重要[1-5]。

国内外学者对复合材料层合板的分层缺陷做了大量研究[6-9]。王雪明等[10]总结了分层缺陷的种类，并分析了其产生原因，开展了分层缺陷试验模拟方法的研究，发现埋入防黏纸产生的分层最适宜模拟分层缺陷。ALAYDIN等[11]采用Kirchhoff-Love壳理论与各向异性弹塑性损伤相结合的方法，模拟了复合材料各层的力学行为，发现这些层在界面处连接，可用于表示分层的混合模式内聚损伤模型。目前，关于分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能影响的研究较少，为此，笔者选取圆形分层缺陷(直径为19 mm)进行试验，研究了分层缺陷深度与复合材料层合板力学性能之间的关系，以提高复合材料产品的合格率。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

《碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》要求分层缺陷C级探伤(一般区域质量等级)的分层区域不大于19 mm(直径)，因此选取圆形分层缺陷(直径为19 mm)进行试验。为去除铺层角度对试验结果的影响，将层合板铺层设计为0°方向14层，板厚为2.5 mm。

层合板为对称结构，拉伸、压缩试验时，层合板受力和约束均对称，层合板中心对称位置的分层缺陷对拉伸、压缩试验结果的影响一致，因此将压缩及拉伸试样分为7组，各组试样的分层缺陷分别位于层合板2～8层相邻的两层间；弯曲试验时，层合板沿对称面分为受压一侧和手拉一侧，试样两侧受力状况不同，不可对称简化，因此弯曲试样分为14组，各组试样的分层缺陷分别位于层合板2～13层相邻的两层间。压缩、拉伸和弯曲试验的试样尺寸如图1所示。

图1 压缩、拉伸和弯曲试验的试样尺寸示意

层合板实际铺层以及分层缺陷预置方式如图2所示，沿板件长边0°方向将碳纤维预浸料逐层铺设于板上，根据分层缺陷的放置要求，在分层缺陷处放置直径为19 mm的圆形聚四氟乙烯薄膜，并在铺层最外侧标记分层缺陷的具体位置(见图2虚线处)。

图2 层合板实际铺层以及分层缺陷预置方式示意

1.2 试验方法

试验采用的压力机可更换不同夹具，以满足压缩、拉伸和弯曲的试验条件，压缩、拉伸和弯曲的试验过程如图3所示。由图3可知：压缩试验时，为避免偏心压缩，将上、下压块通过导轨连接；拉伸试样通过气动夹具与试验机连接，在试样夹紧后先预加载，确保无误后再加载拉力；弯曲试验为3点弯曲。

图3 压缩、拉伸和弯曲的试验过程

2 试验结果及分析

2.1 力学性能测试

压缩、拉伸和弯曲试验后试样的宏观形貌如图4所示。由图4可知：在到达极限载荷后，压缩试样瞬间被压溃；在破坏时，拉伸试样纤维整体崩断并散开；在接近破坏时，弯曲试样受拉一侧的纤维断裂，持续加大载荷，试样的弯曲挠度突然增大，并发生弯曲破坏。

图4 压缩、拉伸和弯曲试验后试样的宏观形貌

2.2 对抗压强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗压强度的关系如图5所示。由图5可知：分层缺陷在试样的2～4层相邻的两层间(即分层缺陷深度小于板厚的1/4)时，分层缺陷的深度是影响层合板抗压强度的主要因素，层合板抗压强度随分层缺陷深度的增加而减小；当分层缺陷深度为板厚的1/4(层合板中性面)时，层合板的抗压强度最小，约为无分层缺陷层合板(正常试样)抗压强度的44%；分层缺陷在试样的4～7层相邻的两层间(即分层缺陷深度大于板厚的1/4)时，分层缺陷深度对层合板的抗压强度影响较小，分层缺陷试样的抗压强度不小于正常试样抗压强度的75%。

图5 分层缺陷深度与层合板抗压强度的关系

2.3 对抗拉强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗拉强度的关系如图6所示。由图6可知：分层缺陷试样与正常试样的抗拉强度比均大于75%，说明分层缺陷深度对层合板的抗拉强度无明显影响。

图6 分层缺陷深度与层合板抗拉强度的关系

2.4 对抗弯强度的影响

分层缺陷深度与层合板抗弯强度的关系如图7所示。由图7可知：当分层缺陷位于层合板受拉一侧(正向弯曲)或受压一侧(反向弯曲)时，分层缺陷深度对试样的抗弯强度影响有着相似的规律；当分层缺陷位于层合板中性面时，缺陷对层合板的抗弯强度几乎无影响；当分层缺陷的深度小于板厚的1/4时，正向弯曲比反向弯曲的抗弯强度大约11%；当分层缺陷的深度大于板厚的1/4时，弯曲状态对层合板的抗弯强度无明显影响，正向弯曲时最多可使层合板的抗弯强度减少28%，反向弯曲时最多可使层合板的抗弯强度减少50%。

图7 分层缺陷深度与层合板抗弯强度的关系

3 综合分析

当分层缺陷靠近层合板的外表面时，分层缺陷与层合板表面间形成了一个较薄的板状结构，层合板易发生局部屈曲，层合板的有效承载面积减小，导致整个结构的承压载荷减小；当分层缺陷靠近层合板的中性面时，分层缺陷与层合板表面间形成的薄板厚度较大，局部屈曲后层合板的整体承载面积减小；随着分层缺陷与层合板表面间形成的薄板厚度不断增大，整个板出现局部屈曲所需的载荷变大，当出现局部屈曲所需载荷接近层合板整体破坏的载荷时，层合板无局部屈曲，直接发生破坏，此时分层缺陷试样的抗压强度接近正常试样的抗压强度。受拉伸载荷时，层合板全程无局部屈曲现象，因此分层缺陷对层合板的抗拉强度影响较小。

4 结论

(1) 当分层缺陷区域直径为19 mm，且深度大于板厚的1/4时，分层缺陷对层合板的力学性能影响不大。

(2) 当分层缺陷区域直径为19 mm，且深度小于板厚的1/4时，层合板应避免受到压缩载荷。