湿热对单向复合材料层合板_型分层特性的影响

1998年　　1月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAJan.1998

湿热对单向复合材料层合板󰂫型分层特性的影响

郑锡涛　李　野

(飞机结构强度研究所,西安,710065)

M.Gaedke,R.Weber

(德国宇航院结构力学研究所,Braunschweig38022,Germany)

HYGROTHERMALINFLUENCEONMODE󰂫DELAMINATIONBEHAVIOROFUNIDIRECTIONALCOMPOSITELAMINATES

ZhengXitao,LiYe

(AircraftStrengthResearchInstitute,Xi′an,710065)

M.Gaedke,R.Weber

(InstituteofStructureMechanics,DLR,D238108Braunschweig,Germany)

摘　要　利用横向裂纹拉伸试验模型(TransverseCrackTension2tensionTest),在3种湿热环境(室温、85℃和85℃󰃗95%RH)条件下,对2种单向碳纤维增强树脂基复合材料(T300󰃗

6376)层合板的󰂫型分层特性进行了试验研究。结果表明湿热环境导致复合材QY8911和HTA󰃗

料层间断裂韧性降低,引起󰂫型应变能释放率门槛值显著下降,裂纹扩展速率大大提高,温度的影响较湿度更为明显。利用电镜(SEM)对试样分层表面进行了检测,湿度对断面特征无明显的影响。

关键词　湿热效应　分层　裂纹扩展速率　应变能释放率　复合材料层合板中图分类号　TB33,O346.5,TB302.3

Abstract　TwotypesoflaminatesweretestedusingTCTspecimeninordertoevaluatetheef2fectsoftemperatureandhumidityondelaminationfracturetoughnessunderMode󰂫loading.Thepre2exposedspecimensweretestedunderthreeenvironmentalconditions,andfractureen2ergiesduringinitiationandpropagationwereestimated.Itwasindicatedthatfracturetoughnessappearstobesignificantlyreducedbyincreasedtesttemperatureandmoisturecontentinthematerial;andthedelaminationfractureenergywasmoresensitivetotemperatureeffectsthantomoistureovertherangesstudied.Thefailedspecimenswereexaminedbyscanningelectronmi2croscope(SEM).Theeffectofmoistureonfracturetopographycouldnotbedistinguished.Keywords　hygrothermaleffect,delamination,crackgrowthrate,strainenergyreleaserate,compositelaminates

　　复合材料难以有效应用的主要障碍是复合材料的分层问题。分层不仅会导致总体失效,而且即使是局部分层也会引起刚度降低,这影响着设计思想。研究层间裂纹扩展特性通用的方法是利用线弹性断裂力学推导出临界应变能释放率Gc。DCB试验和ENF试验是确定󰂪型和󰂫型分层断裂韧性最为通用的试验方法。

在中国航空研究院(CAE)与德国航空航天研究院(DLR)的科技合作中,发展了一种横向裂纹拉伸试验模型(TCT)来研究󰂫型分层问题。TCT试样(参见图1)是采用单向层合板,铺层方式为[○n,󰂡m]s,其中○n表示在层合板外侧铺层中有2n层的连续纤维铺层,󰂡m

1997204211收到,1997208228收到修改稿

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表示在层合板中间铺层有2m层的预浸料纤维在固化前被切断。在试样承受纵向载荷时,在预制裂纹处沿载荷方向会产生󰂫型开裂。在

914C、CAE2DLR的前期研究中,通过T300󰃗

T300󰃗M40等材料的常温试验,验证了TCT试验模型,取得了较为满意的试验结果。

以往的研究多数采用干态试样,没有考虑湿热环境对裂纹扩展特性的影响。而在这项工作中,重点研究温度、湿度对复合材料层合板󰂫型断裂特性的影响。1　基本理论

图1　TCT试样尺寸试样的应变能释放率G与试样的柔度C存在有如下关系

PdCG=

2bda

2

(1)

其中:P为载荷;b为试样宽度;a为裂纹长度。

对于TCT试样,存在4条对称裂纹,见图2。根据前期的研究[1],在忽略相邻开裂层层间

摩擦和部分机械能转化为热能的条件下,TCT试样的柔度C和裂纹长度之间存在着如下线性关系

C=C0+CL

tC2atLL

(2)

图2　TCT试样受力分析

其中:C0为含预裂纹试样的初始柔度;CL为光(a)4条对称分层的试样;(b)受力情况1(未分层滑层合板的柔度;tC,tL分别为试样分层、未分部分);(c)受力情况2(未分层部分);(d)受力情层部分的厚度;a为4条裂纹的平均长度(参见况3(分层部分)图2)。从而,由方程(1)和式(2)可得应变能释放率的表达式为

G=

1tC2

tCLΡ4tL

(3)

2　试样与试验过程

在本项研究中选用两种材料体系,即国产碳纤维增强改性双马基T300󰃗QY8911材料和德国制造的碳纤维增强环氧基HTA󰃗6376材料。两种材料的纤维体积含量均为60◊左右。试验中选用的试样铺层形式为[○4,󰂡4]s,试样的几何尺寸见图1。两种试样的长度均为380mm,T300󰃗6376试样的宽度为20mm。试样分为湿QY8911试样的宽度为25mm,HTA󰃗态和干态两种。正式试验前,湿态试样在70℃󰃗100%RH的环境下进行吸湿预浸润,直至试样中的吸湿量达到平衡吸湿量。对于T300󰃗6376QY8911材料,吸湿量大约为1.2%,HTA󰃗材料的吸湿量为1.3%左右。干态试样在室温条件下贮存在带干燥剂的密闭容器里。试验在3种环境条件下进行,即室温、85℃和85℃󰃗95%RH。

第1期郑锡涛等:湿热对单向复合材料层合板󰂫型分层特性的影响109

所有试验在25kN自动控制液压试验机(CarlSchenckAG,Darmstadt)上完成。疲劳试验是由专用软件进行控制。全部疲劳试验的应力比为R=0.1,加载频率为5Hz。

在疲劳试验前,利用静力试验对每个试样的初始柔度C0和无损伤层合板柔度C1进行测试。随后进行不同应力水平下的等幅疲劳试验,且在不同应力水平下测量试样的刚度降与循环数。在疲劳载荷下,可导出裂纹扩展速率da󰃗dN与试样刚度降dC󰃗dN的关系式

tLL1dCda=dNtC2CLdN

(4)

　　利用Philips505型电子显微镜对断面特征进行检测,以确定复合材料分层的特点。检

测试样取自分层试样的5～8mm截面。检测前在试样断面上喷涂薄金涂层以获得良好的成像效果。

图3　3种湿热环境条件下正则化的　　应变能释放率门槛值图4　HTA󰃗6376材料󰂫型应变能释放率　　与分层扩展速率的关系

3　试验结果分析

(1)湿热对󰂫型应变能释放率门槛值的影响　利用方程(3)可计算出󰂫型分层的应变能

释放率。图3显示了3种环境下T300󰃗6376两种材料正则化的应变能释QY8911和HTA󰃗放率门槛值。试验结果可见,湿热环境对复合材料󰂫型应变能释放率门槛值产生显著的影响。对于T300󰃗QY8911材料,85℃的温度使该值从常温条件下的103.4N󰃗m下降到60.99

95%RH环境使该值下降到49.86N󰃗对HTA󰃗6376(德国产)材料,85℃的温N󰃗m,85℃󰃗m。度使该值从190.28N󰃗95%RH的环境使该值下降至102.27m下降到114.62N󰃗m,85℃󰃗湿度对这两种材料的影响程度却是基本相同的。与室温相N󰃗m。但是,从图3可见,温度、比,温度使应变能释放率门槛值下降大约50%,85℃󰃗95%RH环境使该值下降大约60%,单纯的湿度使该值下降大约10%。

(2)湿热对裂纹扩展速率的影响　对于所研究的两种材料体系,湿热环境对裂纹扩展速率有着基本相同的影响。图4显示了3种环境下HTA󰃗6376两种材料的最大应变能释放率与裂纹扩展速率之间的关系。在同一最大应变能释放率时,与室温干态试验结果相比,温度、湿度分别使分层扩展速率提高一个及两个数量级,这表明湿热环境下复合材料有着更高的分层扩展速率,因而在飞机复合材料结构设计中环境影响是不可忽视的因素。

(3)断面特征　利用电子显微镜,对干态和湿态试样的分层断面进行了检测,以确定不同状态试样间的断裂特征差异。

对于干态试样,分层断面的主要特征是裸露纤维和纤维与树脂脱粘后留在树脂上的印

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痕。树脂断面表现出常见的锯齿状特征,部分试样的断面表现出大量的半埋在树脂中的裸露纤维,而有些地方显示着很多树脂及留在树脂上的纤维印痕。

湿热环境下HTA󰃗6376试样的断面特征与常温下试样的断面特征基本相同,只是存在更多的纤维-基体间的脱粘。环氧基断面还具有支裂纹等特征,表明基体劈裂失效。湿态试样断面特征与干态试样无明显差异。

对于湿热环境下T300󰃗QY8911试样的典型断面特征也是常见的锯齿状开裂,表明着剪切开裂,另外,纤维表面几乎没有树脂残留,表现出羽状特征及峰谷状构造。总之湿态试样断面特征与干态试样基相同,含湿量对断面特征没有太大的影响。4　结　论

(1)试验环境温度与试样中的水分含量导致这两种材料的󰂫型断裂韧性的显著下降,明

显地提高了󰂫型分层裂纹扩展速率;

(2)湿度对󰂫型断裂应变能释放率的影响程度比温度的影响小;(3)在同一最大应变能释放率时,HTA󰃗6376材料比T300󰃗QY8911材料的󰂫型分层裂纹扩展速率要低;(4)复合材料󰂫型断裂破坏形式主要表现为纤维󰃗基体脱胶、基体锯齿型开裂、树脂残留等特征,温度的升高加重了纤维󰃗基体脱胶,但湿度并不明显地影响断裂特性。

参　考　文　献

1　Bergmann,HW,JoachimB(Eds.),etal.Fracture󰃗damagemechanicsofcomposites2staticandfatigueproperties.

～131DLR2Mitt.1992,3(7):82

2　SelaN,IshaiO.InterlaminarfracturetoughnessandtougheningoflaminatedCompositematerials:areview.Com2

～436.posites,1989,20(5):423

3　GargAmar,OriIshai.Hygrothermalinfluenceondelaminationbehaviorofgraphite󰃗epoxylaminates.Engineering

～428FractureMechanics,1985,22(3):413