2.5维机织复合材料冲击剩余强度试验研究

王柱成，温卫东

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

为有效地减轻飞机质量和降低燃料成本,复合材料已广泛应用于现代飞机的高科技部件。2.5维机织复合材料是一种新型碳纤维增强树脂基复合材料，在制造、搬运、使用、维修过程中不可避免地会受到各种低速冲击，复合材料内部会出现损伤。虽然冲击损伤面积小，但是复合材料冲击后的承载能力却大不如前。同时随着温度的提升，树脂的力学性能下降，导致了树脂基复合材料的力学性能随着温度的提高而下降[1-3]。在温度环境下受到冲击后，2.5维机织复合材料力学性能的衰退更加显著。因此，开展温度环境下2.5维机织复合材料冲击后剩余强度的试验研究具有重要的工程意义。

对2.5维机织复合材料的试验研究主要集中在室温下静载力学试验。郑君[4]通过对2.5维机织复合材料进行拉伸试验，研究其力学性能及失效模式。试验结果显示：经向静拉伸时2.5维编织复合材料的失效模式主要是经纱断裂和纬纱基体开裂，应力应变曲线呈非线性趋势。纬向拉伸时应力应变曲线呈线性，纬纱断裂和经纱基体开裂是主要的失效模式。宋健[5]在温度环境下对2.5维机织复合材料进行无损静拉伸试验。试验结果表明2.5维机织复合材料经向拉伸时主要由经纱束承载，断口在经纱和纬纱的交汇处，纬向拉伸时主要由平直的纬纱承载。

本文在20℃、140℃下分别对受到3 J、5 J能量冲击后的2.5维机织复合材料进行经向拉伸试验。通过分析试验获得的经向拉伸剩余强度，研究温度和冲击能量对2.5维机织复合材料力学性能的影响。

1 试验材料及方法

本文2.5维机织复合材料采用T300碳纤维为增强体，双马来酰亚胺QY8911-IV为树脂基体。材料为浅交弯联结构，见图1。经纱排列密度为10根/cm，纬纱排列密度为3.5根/cm，纬纱层数为6层。委托天津工业大学织造，并由北京航空制造工程研究所经高温RTM成型，试件尺寸如图1所示。

本文的试验在MTS809液压伺服试验机(力传感器最大量程为250 kN)上完成。该设备自带高温加热炉和水冷系统。试验仪器如图2所示。

由于目前尚没有为T300/QY8911-IV树脂基复合材料静拉伸试验及疲劳试验制定统一标准，所以本文参考试验标准ASTM D3039(《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》)[6]对试验作如下规定：

对于室温静态拉伸试验，按1mm/min加载速率拉伸至试验件断裂；对于高温环境下静态试验，将试验件一端置于试验机上夹头夹紧(下端悬空以保证试件在升温过程中可自由膨胀)后按10℃/min温升速率，将加热炉温度从室温升至目标温度，保温30 min，使试验件温度均匀。在此状态下开始采集数据并按1mm/min加载速率拉伸至试验件断裂。

图1 2.5维机织复合材料结构示意图及试件尺寸图

图2 MTS809液压伺服试验机

2 试验结果与分析

2.1 20 ℃下经向剩余强度试验结果

图3为20℃下不同能量冲击后试验件的经向拉伸断口正面照片。从照片中可以看出，试验件在冲击凹坑的垂直方向断裂，没有发现明显的颈缩现象。断口集中在经、纬纱交汇处，大面积经纱束出现纵向断裂，断口比较齐整。图4为20℃下受到不同冲击能量的试验件在静拉伸过程中的载荷-位移曲线。从图中可以看出，不同的冲击能量冲击后2.5维机织复合材料的拉伸载荷-位移曲线呈现拟线性变化。

图3 20 ℃不同冲击能量冲击后剩余强度试验件

表1为20℃时，在不同冲击能量冲击后的2.5维机织复合材料经向拉伸平均剩余强度。2.5维机织复合材料受到3J能量冲击后的平均经向剩余强度为220.04MPa，受到5 J能量冲击后剩余强度为181.55MPa。20℃时试验件的经向拉伸剩余强度随着冲击能量的增加而不断降低。

图4 试件受不同能量冲击、20 ℃下的 经向拉伸载荷-位移曲线

表1 不同冲击能量冲击、20 ℃下经向拉伸平均剩余强度

2.2 140 ℃下经向剩余强度试验结果

图5给出了140℃下受到3种冲击能量后的2.5维机织复合材料试验件的拉伸载荷-位移曲线。受到2种冲击能量试件的载荷-位移曲线都大致呈弱线性趋势，与常温时含初始损伤的 2.5维机织复合材料的拉伸破坏过程相似。

140℃时，在不同冲击能量冲击后的2.5维机织复合材料试验件的经向拉伸剩余强度见表2。2.5维机织复合材料受到3J能量冲击后的平均经向剩余强度为213.74MPa，受到5 J能量冲击后剩余强度为167.89MPa。经向拉伸剩余强度随着冲击能量的增加而不断降低，这个规律与环境温度为20℃时的结果一致。

图5 试件受不同能量冲击、140 ℃下的 经向拉伸载荷-位移曲线

表2 不同冲击能量冲击、140 ℃下经向拉伸剩余强度

以同样温度下3J能量冲击后经向拉伸剩余强度为基准，表3给出了20℃、140℃下5J能量冲击后2.5维复合材料经向拉伸剩余强度降低率。20℃时，与3J能量对比，5J能量冲击后拉伸剩余强度下降了17.50%；140℃时，与3J能量对比，5J能量冲击后拉伸剩余强度分别下降了21.45%。由此可见同样温度下，冲击损伤对材料经向拉伸剩余强度的影响较大。表4给出了140℃下不同冲击能量冲击后材料经向拉伸剩余强度降低率。相对20℃，受3J能量后 140℃环境下拉伸剩余强度下降了2.86%。所以温度的上升使拉伸剩余强度下降。

表3 不同能量冲击后经向拉伸剩余强度降低率

表4 不同温度下经向拉伸剩余强度降低率

3 结语

本文试验方法研究冲击能量、环境温度对2.5维机织复合材料冲击后剩余强度的影响规律，得到如下结论：

1) 温度一定时，冲击能量越大，经向拉伸剩余强度越小；

2) 冲击能量一定时，经向拉伸剩余强度随着温度上升而降低；

3) 经向拉伸断口集中在经、纬纱交汇处，大面积经纱束出现纵向断裂，断口比较齐整；由于冲击凹坑的存在，使材料产生应力集中，所以断口位置处于冲击凹坑的垂直方向。