復合材料的分層研究

1、復合材料的分層缺陷 復合材料的分層缺陷引言目前被廣泛用于飛機承力構(gòu)件的纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）主要是層合板與層合結(jié)構(gòu)。在層合板的制造過程中，常由于許多不確定的因素，使復合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生分層、孔隙、氣孔等等不同形式的缺陷；同時，復合材料層合板在裝配與服役過程中所受到低能沖擊很容易引發(fā)各種形式的損傷。 由于增強纖維鋪設方向的不一致常導致鋪層間剛度的不匹配， 引發(fā)較高的層間應力， 而層間應力的主要傳遞介質(zhì)是較弱的樹脂基體， 因此對于復

2、合材料層合板， 分層是其主要的損傷形式。有報導統(tǒng)計，復合材料層合板在加工、裝配和使用過程中產(chǎn)生的分層損傷，占缺陷件的 50%以上[1]。分層常存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部， 無法根據(jù)表面狀態(tài)檢測出來， 并且分層的存在極大地降低了結(jié)構(gòu)的剛度， 特別在壓縮載荷作用下， 由于發(fā)生局部屈曲而導致分層擴展，使結(jié)構(gòu)在低于其壓縮強度時發(fā)生破壞。在飛機研制與制造過程中，復合材料層合板的分層損傷問題一直是難以解決的結(jié)構(gòu)問題之一，也是影響 CFRP 在結(jié)構(gòu)組分中應用的主

3、要限制因素。因此，如何充分地結(jié)合試驗測試，利用數(shù)值模擬的方法評估分層的許和容限， 成為決定飛機結(jié)構(gòu)綜合性能的亟待解決的關(guān)鍵問題。1.1 分層產(chǎn)生的原因Pagano 和 Schoeppner[2] 根據(jù)復合材料構(gòu)件的形狀，將分層產(chǎn)生的原因分為兩類。第一類為曲率構(gòu)件，工程中常見的曲率構(gòu)件包括扇形體、管狀結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)、球形結(jié)構(gòu)和壓力容器等；第二類為變厚度截面，工程中常見于薄層板與補強件連接區(qū)域、自由邊界處、粘合連接處及螺栓接合處等。在上述

4、結(jié)構(gòu)件中，臨近的兩鋪層極易在法向和剪切向應力作用下發(fā)生脫膠和形成層間裂紋。以外，溫濕效應、層板制備和服役狀態(tài)等亦是分層產(chǎn)生的原因。由于纖維與樹脂的熱膨脹系數(shù)以及吸濕率均存在差異， 因此， 不同鋪層易在固化過程產(chǎn)生不同程度的收縮并在吸收濕氣后產(chǎn)生不同程度的膨脹， 不同程度的收縮與膨脹所產(chǎn)生的剩余壓力是導致分層的源頭之一 [3，4] 。在層合板的制備過程中，由于手工鋪設質(zhì)量具有分散性， 極易形成富樹脂區(qū)， 進而引發(fā)樹脂固化時鋪層間的收縮程1

5、圖 2 淺表分層的種類在分層產(chǎn)生后， 內(nèi)部分層和淺表分層在靜承載和疲勞載荷作用下可能發(fā)生分層擴展， 層合板的強度和穩(wěn)定性明顯下降。 確定分層缺陷的形式對復合材料結(jié)構(gòu)的完整性是十分層重要的。1.3 分層的微觀結(jié)構(gòu)在微觀尺度下， 層間裂紋擴展后將在裂紋前緣形成損傷區(qū)域。 根據(jù)樹脂的韌性和應力水平（I 型，II 型，III 型和混合型，如圖 3 所示） ，損傷區(qū)域的尺寸和形狀呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。剪切載荷下裂紋尖端應力場的衰減較緩慢，因此 II 型

6、和 III 型裂紋尖端的損傷區(qū)域比 I 型區(qū)域廣。此外，受樹脂基體的影響，脆性與韌性樹脂基體的損傷狀態(tài)具有明顯的區(qū)別。在脆性樹脂體系下， I 型裂紋尖端的損傷區(qū)域會發(fā)生微裂紋的合并和生長以及纖維—樹脂間的脫膠現(xiàn)象，上述現(xiàn)象都會誘發(fā)裂紋前進，其中，脫膠行為的發(fā)生常伴隨著纖維橋接和纖維斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。而對于剪切模式的 II 型和 III 型分層，裂紋前緣處的微裂紋發(fā)生合并的現(xiàn)象，并與鋪層角度呈 45°方向擴展，直至到達富樹脂區(qū)域。