...参数对玻璃纤维织物环氧层合板螺栓连接强度影响的实验研究
邱运朋
摘 要：苯并噁嗪碳纤维树脂基复合材料是一种新兴的复合材料，其高温特性优良、孔隙率较低、容易制备的特点尤为显著，其在实际服役环境中，会频繁地受到外部的损伤，如刮擦、切削、磨损等，会产生分层、裂纹、划痕等形式的损伤，需要进行修理，我们采用试验的方法，通过阶梯挖补法修理，开展了固定能量低速冲击试验，并最终实施了冲击后压缩强度测试的试验环节，并结合断口形貌分析和压缩数据处理，以衡量其抗冲击性能。
关键词：复合材料；挖补法修理；冲击；压缩
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0066-01
复合材料是一种萌芽于上个世纪的高性能新材料，它是把多种可互为补充的材料依据合理的粘接固化方式热压成型，故此，其一方面可以弱化单一组分材质的明显短板，另一方面又能使得各组分材料的优异性能更为突出和明显。因为复合材料所特有的如轻量化、耐受性良好、机械性能可调的优点，故而受到航空宇航领域的青睐和认可。在航空器的运行中，会由于工具掉落、鸟击或跑道碎石冲击会造成其复合材料层合结构的损伤，冲击作用会使层合结构的主要机械性能在大幅削减，并且层间的分层和裂纹等会随着材料结构的继续服役而愈发加剧，无疑会使材料的结构强度加速退化，尤其在压缩性能方面最为明显，这就形成了严重的安全隐患。
1 验件的制备和编号
本试验采用Henkel公司生产的双向织物型两种苯并噁嗪树脂基碳纤维预浸料作为主要试验材料，以胶膜、碳布和树脂作为辅料，进行制板固化和修理。依照ASTM D7137的试验标准，把层板切削成冲击用的标准试验件，长宽尺寸是150mm×100mm[1]。其中，不同的层板因为其铺层顺序、修理材料、修理方式的不同而不同，具体，如表1所示。
2 试验及结论
2.1 低速冲击试验
为了与实际工况下的低速冲击相符，本文采用Instron ceast 9350落锤冲击试验机对按标准切削好的层板进行了低速冲击试验。试验时，将层板水平放置在试验机的镂空长方形区域之上加以固定，冲击能量定为30J。
2.2 冲击后压缩试验
冲击后压缩试验是选取了Instron 5982型电子万能试验机进行的，所用标准为ASTM D7137，本文分别对不同方式修理后并冲击过的层板施加加持和压缩。为保证试验结果的有效性，我们不考虑层板出现整体失稳的现象，为尽量减少，甚至避免此类现象的发生，我们的夹具在侧向也进行了严密的贴合和支持。试验的加载速率为1.25mm/min，且为了实时监测层板在压缩过程中的屈曲现象，我们在层板的正反两面上，在板的上方，距离板左右两侧分别为25mm的位置处各粘贴了一个轴向应变片，将应变片与导线焊接好，并将导线与电桥相连，并连接到动态应变仪上进行测量[2]。
2.3 试验件失效破坏形貌观察
CAI试验的，目的在于验证层板的薄弱部位，即最易出现损伤且损伤表现最为严重的部位，是否为冲击中心位置。由图1观察可知，试验件层板在压缩后，冲击损伤的中部区域的会出现明显的压塌现象，这符合我们的无损检测预期，也为D7137测试标准中的正常失效形式。故，我们对层板中央进行拍照，并選取典型的层板试验件，从正面、背面、侧面三个角度进行观察。可以发现，试验件层板在夹持后的压缩作用下，在其正面与背面均形成了褶皱凸起的现象，并且，背面的凸起效果更为明显，不仅如此，还在基体上造成了明显的挤压裂痕和纤维断裂后的外露和极其明显的断口。而观察试件的侧面，还可以看出，分层现象出现在整个层板的厚度方向上，在正面的浅表层和背面的多层内表现最为剧烈和明显，并且，在相同条件下，补片的损伤较母板更为严重。原因则为，中间部位为主要损伤部位，其承载能力最为薄弱；且补片的层间结构相比于二次固化区域较为疏松；补片与母板间的连接位置多为胶膜或者湿铺层析出的树脂胶层，为富胶区域，强度较低，故会出现此种现象。
2.4 压缩强度与模量分析
压缩强度为压缩破坏载荷与压缩时试件横截面积的比值，而模量则为应力与应变的比值，此两者将分别衡量层板的最大应力与抗弹性变形的能力。
根据压缩试验结果，我们计算可得出表2所示。
由表2中数据，可以看出，虽然修理后冲击的层板其强度与模量不能达到未修理前的性能，但与未修理冲击后的层板相比，其性能衰退并不特别明显。对于双向织物层板而言，其修理方式为本体单面修理、本体双面修理、非本体单面修理、非本体双面修理的CAI强度与未修理层板的CAI强度值之比分别为96.12%、89.39%、92.16%、86.88%，其压缩模量之比分别为88.20%、74.97%、82.49%、67.51%。
这从一方面说明，修理对CFRP层板的性能恢复是非常有效可行的，另一方面，亦可说明，探索双面修理后的CFRP层板的性能与非本体材料修理后的层板性能是具有明显价值和意义的，会为将来的复合材料修理提供更多的解决方案和方法，并将可能会降低维修成本，缩短维修时间。同时，由于未经修理的层板与经过修理的层板，其冲击后压缩的性能差距并不明显，侧面也可说明，冲击对复合材料造成的损伤非常明显和巨大，并将极大地降低材料的使用寿命和承载能力，应尽量避免。
参考文献
[1]张纪奎，郦正能，程小全，等.复合材料整体结构在大型民机上的应用[J].航空制造技术，2007，（9）：38-43.
[2]林霜.安-70飞机结构系统分析[J].航空科学技术，2006，（3）：7-10.
