高損傷容限復(fù)合材料體系研制途徑的探討

根據(jù)上述分析，從進(jìn)步壓縮設(shè)計值的角度考慮，對材料性能的要求是含BVID時具有較高的CAI值。文獻(xiàn)[7]～[9]通過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，含沖擊損傷層壓板的壓縮破壞機理是沖擊損傷四周在加載過程中會出現(xiàn)一特征損傷區(qū)，當(dāng)該區(qū)內(nèi)0°纖維均勻應(yīng)力達(dá)到單向板的壓縮強度時出現(xiàn)破壞，提出可將沖擊損傷區(qū)簡化為長軸與損傷寬度相同的橢圓孔，然后采用損傷區(qū)纖維斷裂（FD）失效判據(jù)來進(jìn)行估算，該失效判據(jù)為：當(dāng)缺口(或損傷)四周特征長度l0范圍內(nèi)0°層的均勻軸向應(yīng)力達(dá)到單向板的極限強度時，含損傷層壓板出現(xiàn)破壞。固然該估算方法有一定局限性，但可以說明含BVID層壓板的CAI值與沖擊損傷的面積（或?qū)挾龋?、?fù)合材料體系的特征尺寸和單向板的壓縮強度有關(guān)，因此高損傷容限復(fù)合材料體系的研制應(yīng)從這幾方面著手，特別是盡可能減少BVID時的損傷面積（寬度）。文獻(xiàn)[10]和[11]對沖擊損傷隨沖擊能量增加的擴展規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層壓板的抗沖擊行為呈現(xiàn)有明顯的拐點現(xiàn)象，圖3給出了對應(yīng)于不同的沖擊能量，作為損傷阻抗標(biāo)志的凹坑深度和作為損傷容限標(biāo)志的CAI值的變化規(guī)律，同時給出了不同沖擊能量對應(yīng)的內(nèi)部損傷狀態(tài)。隨沖擊能量的增加其凹坑深度、內(nèi)部分層損傷狀態(tài)和壓縮強度的變化規(guī)律是當(dāng)沖擊能量較小時，沒有凹坑，同時內(nèi)部沒有損傷；能量增加后可以檢測到凹坑，但深度很淺，目視基本不可見，表明表面樹脂出現(xiàn)了塑性，但內(nèi)部仍無損傷，同時壓縮強度沒有降低；繼續(xù)增加能量，凹坑深度不斷增加（通常仍比較淺），內(nèi)部開始出現(xiàn)分層損傷，此時壓縮強度開始下降；繼續(xù)增加能量，凹坑深度也不斷增加，同時壓縮強度急劇下降；在沖擊能量超過某個值后，凹坑深度（大約為0.5mm）隨能量增加而急劇增加，很快達(dá)到了BVID的要求，并可以觀察到?jīng)_擊部位表面纖維斷裂，但內(nèi)部分層損傷面積基本上不再增加，同時其CAI值也基本上不再降低。作者用熱揭層的方法對拐點前后的損傷狀態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)拐點現(xiàn)象的本質(zhì)是其損傷機理發(fā)生了突變，即由單純的基體裂紋和分層到出現(xiàn)沖擊部位表面纖維斷裂，一旦表面纖維開始斷裂，內(nèi)部的分層區(qū)域基本上不再增加，其后續(xù)的損傷機理是從表面到內(nèi)部的纖維斷裂。由于出現(xiàn)拐點時的內(nèi)部損傷尺寸基本上代表了含BVID試樣可能存在的損傷尺寸，而損傷尺寸決定了CAI值，因此可以通過對影響損傷擴展和控制表面纖維斷裂的因素分析，來確定研制高損傷容限復(fù)合材料體系的途徑?？刂乒拯c時損傷尺寸的因素有以下幾點：（1)降低樹脂從分層起始到表面纖維出現(xiàn)斷裂期間的層間分層擴展速率；（2)使拐點盡早出現(xiàn)，即盡早達(dá)到纖維的斷裂應(yīng)變。為此有2種途徑：使沖擊部位的樹脂盡早進(jìn)進(jìn)塑性，從而增大局部的纖維應(yīng)變；采用斷裂應(yīng)變較低的纖維。

機翼結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料體系對纖維和樹脂性能的要求

1 對纖維的性能要求
　　源于復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)的需求，20世紀(jì)80年代波音公司提出了第二代復(fù)合材料體系的研制要求，其中對纖維性能的要求強度進(jìn)步50%，模量進(jìn)步30%，并要求與高韌性樹脂復(fù)合后，壓縮設(shè)計許用應(yīng)變應(yīng)由3000～4000με進(jìn)步到6000～8000με。根據(jù)上述分析，為滿足穩(wěn)定性要求，復(fù)合材料體系要求具有較高的模量，因此模量比T300（約230GPa）高30%的要求是公道的，這也應(yīng)是機翼用碳纖維的要求。對于損傷容限要求，波音公司的要求也是公道的，但具體到纖維強度進(jìn)步50%的要求是否公道還需推敲。由于強度與模量進(jìn)步幅度不同，使得纖維的斷裂延伸率由原來的1.5%～1.8%進(jìn)步到了1.8%～2.1%，斷裂延伸率的進(jìn)步意味著表面層纖維不輕易斷裂，從而推遲了拐點的出現(xiàn)，增加了分層損傷擴展的空間，同時為保證出現(xiàn)BVID，也增加了高性能樹脂的研制難度，即要求樹脂有較高的塑性。
　　由于長期以來對復(fù)合材料抗沖擊性能的評定一直沿用傳統(tǒng)的CAI值，而忽略了BVID的條件，固然用傳統(tǒng)的CAI值來評定，其損傷容限性能應(yīng)有較大的進(jìn)步，但實際情況如圖2所示，含BVID時的CAI值有可能降低，即使進(jìn)步，幅度也很小，這就是采用第二代復(fù)合材料體系（T800和IMS類中模高強纖維和3900、8552及M21類韌性樹脂）后至今，機翼結(jié)構(gòu)壓縮設(shè)計許用應(yīng)變?nèi)匀粺o法超過4000的原因。纖維拉伸強度的進(jìn)步對進(jìn)步復(fù)合材料體系開孔拉伸強度有利，對進(jìn)步機械連接強度有利，但這2個指標(biāo)并不是影響機翼減重的主要因素，因此從進(jìn)步損傷容限性能的角度出發(fā)高強度和高斷裂延伸率纖維并不是最好的選擇。由于復(fù)合材料體系的壓縮強度取決于多種因素，迄今為止高強纖維的壓縮強度并沒有進(jìn)步，所以過高的纖維拉伸強度實際上妨礙了損傷容限性能的進(jìn)步。作者以為下一代碳纖維性能指標(biāo)如下：拉伸彈性模量約300GPa，拉伸強度約4500～5000MPa，斷裂延伸率約1.5%～1.8%。

2 對樹脂的性能要求
　　由于復(fù)合材料體系的模量主要取決于纖維，因此從穩(wěn)定性要求出發(fā)，對樹脂沒有特別的要求。但樹脂性能的進(jìn)步有可能降低沖擊過程中分層損傷的擴展性能，從而減小對應(yīng)BVID的損傷尺寸，這是20多年來復(fù)合材料界一直努力的方向。從圖4所示的損傷擴展規(guī)律可以看出，為了降低含BVID時的損傷尺寸，對樹脂?？唇档蛷姆謱悠鹗嫉焦拯c出現(xiàn)之間的擴展速率和當(dāng)纖維斷裂延伸率不變時增加沖擊區(qū)的纖維變形。初步研究表明分層起始對不同樹脂變化不大，為降低損傷擴展速率其控制因素是樹脂的層中斷裂韌性，進(jìn)步樹脂的GIc和GIIc可降低損傷擴展過程。沖擊凹坑實際上是樹脂進(jìn)進(jìn)塑性的表征，為了增加沖擊區(qū)域的纖維變形，?？礃渲子诋a(chǎn)生塑性變形，使得在較小的沖擊能量下即有可能使沖擊部位的纖維達(dá)到其斷裂變形量。

3 損傷容限與損傷阻抗
　　損傷容限和損傷阻抗是復(fù)合材料抗沖擊性能的2個方面，前者是含一定損傷時對強度影響的性能要求，對結(jié)構(gòu)而言主要是安全性的考慮；后者是抵抗一定的外來物沖擊（能量或力）時產(chǎn)生損傷大小能力的性能要求，對結(jié)構(gòu)而言主要是經(jīng)濟性考慮。對有一定厚度的機翼結(jié)構(gòu)而言，主要考慮其損傷容限要求；對薄蒙皮和薄面板夾層結(jié)構(gòu)，應(yīng)主要考慮損傷阻抗要求，即不會因常見的小能量沖擊產(chǎn)生表面凹坑和纖維斷裂，引起水分浸進(jìn)和維護(hù)題目。本文從機翼結(jié)構(gòu)進(jìn)步壓縮設(shè)計許用值出發(fā)，主要考慮進(jìn)步損傷容限性能，?？词褂弥械葦嗔蜒由炻实睦w維與韌性樹脂組合的復(fù)合材料；但對操縱面而言，應(yīng)主要考慮損傷阻抗要求，不?？串a(chǎn)生凹坑，高斷裂延伸率的纖維和韌性樹脂可得到高損傷阻抗的復(fù)合材料。因此高損傷容限和高損傷阻抗的要求對復(fù)合材料研制提出了互相矛盾的要求，材料研制者必須明確其應(yīng)用對象。

4 工程應(yīng)用遠(yuǎn)景
　 （1) T800在國內(nèi)機翼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
　   國內(nèi)長期以來在研制韌性樹脂時均采用CAI＠6.7J/mm來評定其損傷容限性能，因此將它們與高斷裂延伸率的纖維進(jìn)行復(fù)合時，其CAI＠BVID均相當(dāng)?shù)?，用于結(jié)構(gòu)時，其壓縮設(shè)計許用值甚至低于原來脆性樹脂復(fù)合材料體系達(dá)到的水平。目前國外復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)用的高斷裂延伸率纖維與韌性樹脂復(fù)合得到的第二代復(fù)合材料體系，其壓縮許用應(yīng)變并沒有得到預(yù)期的進(jìn)步（當(dāng)然因模量的進(jìn)步，壓縮許用強度得到了進(jìn)步）。因此為了采用與高斷裂延伸率纖維復(fù)合的韌性樹脂，必須采用CAI＠BVID來評定其損傷容限性能，但預(yù)期很難實現(xiàn)壓縮許用應(yīng)變超過5000με的目標(biāo)。
　 （2) 本文推薦的纖維和樹脂體系的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
　   假如研制出具有本文推薦性能指標(biāo)的碳纖維，可以與目前已有的大多數(shù)韌性樹脂進(jìn)行復(fù)合，既可滿足穩(wěn)定性要求，也有可能較大幅度地進(jìn)步壓縮設(shè)計許用值（如達(dá)到5000με），從而實現(xiàn)機翼減重的要求。圖4給出了不同纖維與樹脂組合復(fù)合材料體系的抗沖擊性能。

結(jié)束語

對機翼結(jié)構(gòu)完整性要求和復(fù)合材料抗沖擊性能的研究和T300纖維的使用經(jīng)驗表明，適用于機翼蒙皮復(fù)合材料體系的性能要求應(yīng)當(dāng)具有較高的模量和含BVID時的剩余壓縮強度，為此要求具有碳纖維應(yīng)具有中等拉伸彈性模量（約300GPa）和中等拉伸強度（4500～5000MPa）的碳纖維（一般斷裂延伸率不超過1.8%），而對樹脂的要求則應(yīng)具有較高的層中斷裂韌性和一定的塑性變形能力。由于目前沒有相應(yīng)的碳纖維，上述結(jié)論還有待于試驗驗證。