碳纤维增强树脂基复合材料层压板冲击损伤模式的试验研究

2016年10月第11卷第5期失效分析与预防October,2016 Vol. 11, No. 5碳纤维增强树脂基复合材料层压板冲击损伤模式的试验研究刘明，潘峤，高蒙，骆晨，汤智慧，孙志华(北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京100095)[摘要]针对两种典型的碳纤维增强树脂基复合材料(T300/5405和T700/5428)层压板进行不同能量水平的落锤冲击试验，通过对冲击后试样的外部损伤形态、内部损伤情况等的检测以及纤维/树脂微观界面剪切强度的检测，讨论了两种碳纤维复合材料层压板的冲击损伤模式。

试验结果表明，当冲击载荷达到一定程度时:在T300/5405体系中，由于T300纤维拉伸强度相对较低，纤维所受作用率先达到破坏载荷，因而冲击损伤表现出以穿透性为主的破坏特征;在T700/5428体系中，由于T700纤维拉伸强度较高，尽管其微观界面剪切强度略高，但是由于冲击载荷未使纤维达到破坏载荷时已使T700/5428 界面率先遭到破坏，因此表现出以分层为主的破坏特征。

[关键词]复合材料；冲击；损伤模式[中图分类号]TQ317 [文献标志码]A doi：10. 3969/j. issn. 1673-6214. 2016.05. 004[文章编号]1673~6214(2016)05-0283-06Experimental Study on Impact Damage Modes of Carbon FiberReinforced Resin M atrix Composite LaminatesLIU Ming,PAN Qiao,GAO Meng,LUO Chen,TANG Zhi-h u i,SUN Zhi-hua{Beijing Institute of A eronautical Materials, Aviation Key Laboratory of Science and Technology onAdvanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing 100095, China)A bstract：Drop-weight impact tests were conducted on two kinds of carbon fiber reinforced composite laminates(T300/5405 and T700/5428) under different impact energy conditions. External damage form, internal damage form and fiber/ r esin micro- interface shear strength were detected, and the impact damage modes of two kinds of carbon fiber reinforced composite laminates were analyzed. The test results indicate that, when impact load reaches some degree, for T300/5405, the fiber will be broken because of the lower tensile strength of T300, so the damage mode is mainly penetrating；for T700/5428, even though the fiber/ resin micro-interface shear strength is higher than that of T300/5405, the interface of T700/5428 is broken in advance of fiber because of the higher tensile strength of T700, so the damage mode is mainly laminating.Key words ：composites ；impact ；damage mode〇引言碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能好、力学性能可设计性强等 优点，是理想的轻质高效结构材料，已在航空、航 天等领域获得大规模应用[12]。

其中，层压复合 材料具有非均质性、各向异性特点，层内强度和综 合强度很高，而层间和垂直铺层方向的强度却较低，有时可相差1〜2数量级[3]，因此，服役环境中 工具、跑道碎石、冰雹等物体的低速冲击往往就可 造成复合材料层压板的损伤，并使得其压缩强度 和设计许用应变值下降，这引起了研究者们的高度重视[4~。

目前，国内外针对复合材料层压板低速冲击 损伤的研究主要集中在冲击损伤的破坏准则、冲 击损伤阻抗和冲击损伤容限的试验与表征、冲击 损伤的过程模拟与预测等方面[69]，而对于损伤[收稿日期]2〇16年8月2日[修订日期]2〇16年9月3〇日[基金项目]国防科技工业技术基础科研项目（H〇52〇l3AO〇4)[作者简介]刘明（1977年-)，男，硕士，高级工程师，主要从事环境适应性评价与表面防护等方面的研究。

284失效分析与预防第11卷产生和扩展的机理还缺乏足够的关注[1°_11]，因此本研究采用相同铺层形式的两种碳纤维增强树脂基复合材料，对其进行低速冲击损伤的破坏模式和机理研究，旨在分析探讨低速冲击损伤破坏模式与增强纤维、树脂基体以及它们的界面之间的关联性，为碳纤维增强树脂基复合材料层压板的抗冲击设计提供基础依据31试验材料与方法1.1材料与试样试验选用双马来酰亚胺（BM I)树脂基的复合材料体系T300/5405和1700/5428,增强纤维T300、T700主要力学性能如表1所示，B M I树脂5405和5428，力学性能如表2所示。

表1 T300和T700碳纤维的主要力学性能[1M3]Table 1Major mechanical properties of T300 and T700Carbon fiber Tensilestrength/MPaModulus ofelasticity fortension /GPaElongationat break /%Density/( g • cm _ 3 )T300 3 530230 1.50 1.76T700 4 900230 2. 10 1.80表2 5405和5428双马来酰亚胺树脂浇注体的主要力学性能_ Table 2Major mechanical properties of 5405 and 5428 cast materialsCasting resin Tensilestrength/MPaModulus ofelasticity fortension /GPaElongationat break /%Density/(g• cm-3 )540577 3.45 2.7 1.25 542878 3.50 3.0 1.26T300/5405和T700/5428两种复合材料层压 板铺层均为[45/0/ - 45/90 ]4S，采用热压罐标准 工艺成型，单层厚度为〇.13 mm，纤维体积分数为 (65 ±2) %。

冲击试验所需试样的尺寸为150 mm X100 mm x4. 16 mm01.2落锤冲击试验按照ASTM D7136—2007[14]进行落锤冲击试 验^试验装置采用CLC-A型落锤冲击试验系统，所用冲头直径为16 mm，冲头质量为5. 5 kg Q冲 击试验时，将试样通过夹钳固定在刚性的支持底 座上，支持底座上开有一个125 mm X75 m m的矩 形开口，并以此作为落锤冲击的边界条件，然后通 过调整落锤的提升高度以对复合材料层压板的中 心进行1.5、4.5、6.7、9.0、17.0等5种能量水平的冲击，冲击结束的瞬间通过自动触发的气缸机 构以防止对试样的二次冲击。

冲击试验之后，测 量冲击损伤的凹坑深度、损伤区域长度和宽度等 尺寸数据，并对试样进行水浸法脉冲反射式超声 C扫描检测，以获得复合材料层压板内部的损伤 投影图像，同时为了进一步确定试样内部损伤的 具体模式，将两种层压板试样沿冲击点处剖开，以观察其凹坑区域的断面形貌。

1.3微脱粘测试为了获得T300/5405和T700/5428两种体系的微观界面性能，制备如图1所示的C型片试 样，采用微脱粘测试仪（图2)进行单丝界面剪切 强度的测试C5图1微脱粘试样示意Fig. 1Sketch map of the micro-debonding sample图2 微脱粘测试仪Fig. 2 Micro-debonding tester2试验结果与分析2.1冲击损伤的外部形态T300/5405层压板在不同能量水平冲击之后 的外部形态如图3所示。

经1. 5 J/m m能量水平 冲击后的试样正、反面均无可见变化，其他试样则 在正面出现了较明显的凹坑，且随着冲击能量水 平增大，凹坑深度明显增大，而经6. 7 J/m m以上能量水平冲击的试样凹坑区域附近有明显的纤维第5期刘明，潘娇，高蒙，等:碳纤维增强树脂基复合材輯鳥压板冲击损伤模式的试验研究285断裂，其相应的背面则出现了较明显的树脂开裂 和部分纤维断裂，这反映出在本研究的落锤冲击试验条件下，T 300/5405层压板经6. 7 J /mm 以上能量水平冲击后均出现一定程度的穿透性损伤。

(d) 9.0 J/mm(e) 17.0 J/mm图3T300/5405层压板在不同能量水平冲击之后的外部形态Fig. 3 External forms of T300/5405 after the impact of different energiesT 700/5428层压板在不同能量水平冲击之后 的外部形态如图4所示。

经1. 5 J /mm 能量水平冲击后的试样正面无可见变化，其他试样的正面 则出现了较明显的凹坑，但是凹坑区域附近并没 有纤维断裂的迹象，除了经17. 0 J /mm 能量水平冲击的试样背面出现轻微的树脂开裂以外，其他 试样背面均无明显变化，这反映出本研究的落锤冲击试验条件下，T 700/5428层压板经17. 0 J/mm 以下能量本平冲击后出现穿透性损伤的部能性并 不大。

(d) 9.0 J/mm(e) 17.0 J/mma c kB a c kB 图4T700/5428层压板在不同能量水平冲击之后的外部形态Fig. 4External forms of T700/5428 after the impact of different energies286失效分析与预防第11卷2.2冲击损伤的内部破坏两种体系的层压板在不同能量水平冲击之后 的超声波扫描图像、断面图像如图5〜图8所示Q 对于T300/5405层压板，经1.5 J/m m能量水 平冲击后，层压板内部并无损伤迹象（图5a、图6a)，其他试样的损伤面积随着冲击能量的增加 并无显著增加（图5b〜图5e)，而由冲击引起的 穿透型损伤和纤维断裂的情况则随着冲击能量的 增加而愈加严重（图6b〜图6e)，冲击能量主要 以层压板背面纤维树脂沿45°的破坏来消耗3(a) 1.5 J/mm (b) 4.5 J/mm (c) 6.7 J/mm (d) 9.0 J/mm (e) 17.0 J/mm图5 T300/5405层压板在不同能量水平冲击之后的超声波扫描图像Fig. 5 Ultrasound scanning images of T300/5405 after the impact of different energies(a) 1.5 J/mm (b) 4.5 J/mm (c) 6.7 J/mm (cl) 9.0 J/mm (e) 17.0 J/mm图6 T300/5405层压板在不同能量水平冲击之后的凹坑区域断面形貌Fig. 6 Fracture surfaces in the dent of T300/5405 after the impact of different energies对于T700/5428层压板，经9.0 J/mm以上能量水平的冲击之后，层压板的内部损伤面积出现 显著的扩大（图7d〜图7e)，结合冲击点处断面 图像中出现的层间开裂情况（图8c〜图8e)，可以 推测，在本研究所述的落锤冲击试验条件下，经 9.0 J/mm以上能量水平冲击之后，层压板破坏主 要以分层形式出现，冲击能量主要以层压板内部 的分层而耗散;而经9.0 J/mm以下能量水平的冲 击之后，层压板破坏的模式并不明显。