沖擊損傷對CFRP層合板拉伸—滲漏性能的影響研究.pdf

1、自上世紀(jì)九十年代以來,復(fù)合材料的設(shè)計和制造技術(shù)不斷取得進步,尤其是在大型民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的進展,并逐漸應(yīng)用到主承力構(gòu)件中,整體、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的應(yīng)用不斷增大,并逐步向整體化、設(shè)計制造一體化發(fā)展。復(fù)合材料對各種應(yīng)力的作用具有相當(dāng)?shù)拿舾行?受的沖擊作用后在材料的內(nèi)部會出現(xiàn)如基體開裂、層間滑脫、基體擠壓破壞、分層和脫層、纖維擠壓變形以及纖維斷裂等一些損傷現(xiàn)象,這些損傷對復(fù)合材料的性能影響很大。作為飛機燃料箱構(gòu)件的復(fù)合材料層合板

2、則對應(yīng)力作用更加敏感,一旦構(gòu)件受到?jīng)_擊作用而沒有及時發(fā)現(xiàn),損傷部位的尺寸在應(yīng)力的作用下迅速擴展,將會造成燃油滲漏等重大安全事故。
　　本文采用超聲A掃描對五種鋪層的CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)層合板構(gòu)件的均勻分布的16個點進行掃描,經(jīng)計算得到了層合板的相對體積孔隙率;研究了不同沖擊能量對不同鋪層的層合板沖擊而成的初始凹坑深度,并對凹坑在168小時內(nèi)多個時刻的深度進行了測試。以三維超景深

3、掃描儀對凹坑的表面形貌進行了測試和分析,采用超聲快速掃描系統(tǒng)對凹坑表面和內(nèi)部的損傷形態(tài)進行了表征,通過分析凹坑深度的變化、表面形貌和內(nèi)部形態(tài)研究了不同能量下沖擊損傷的機理;通過層合板構(gòu)件對氮氣和航空煤油的拉伸-滲漏性能的測試與分析,得出了不同厚度層合板的沖擊能量門檻值。
　　研究表明:凹坑表面的破壞都伴隨著裂紋的產(chǎn)生和層合板背面的凸起,隨沖擊能量的增加,裂紋的數(shù)量或尺寸都會有所增加。在低能量時,沖擊損傷的機理主要為表層樹脂的壓縮和

4、變形,隨著能量的增加,表面樹脂會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,內(nèi)部也會出現(xiàn)分層現(xiàn)象,當(dāng)能量達到一定值時內(nèi)部的樹脂和纖維也出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。對于Ⅴ類層合板,在65J的沖擊能量下凹坑的底部出現(xiàn)了裂紋,這可能是局部應(yīng)力過大造成的損傷。
　　所有五類CFRP層合板的孔隙率的最大值為0.1％,低于力學(xué)性能變化的臨界值,因此基本可以忽略其對本試驗的影響。對于五類CFRP層合板,沖擊凹坑都存在深度回彈的現(xiàn)象,其深度都隨著時間的推移而逐漸變淺,并且在低能量下展示出

5、更好的回彈行為;凹坑深度在沖擊完成后的12小時內(nèi)凹坑回彈較快,隨后逐漸減小,到168小時后基本處于穩(wěn)定狀態(tài);CFRP層合板的鋪層數(shù)量對沖擊損失有著直接的影響,鋪層越厚則抗沖擊性能越好;通過測試沖擊后五種層合板在55℃和0.24MPa下對氮氣和航空煤油的拉伸-滲漏性能,確定了其各自的拉伸-滲漏值,根據(jù)線性回歸曲線,確定了沖擊能量門檻值與層合板厚度的倍數(shù)關(guān)系并最終確定了五類層合板燃料箱構(gòu)件的沖擊能量門檻值分別為:20J、25J、35J、40