復(fù)合材料的分層研究報(bào)告

1、復(fù)合材料的分層缺陷引言目前被廣泛用于飛機(jī)承力構(gòu)件的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料CFRP主要是層合板與層合構(gòu)造。在層合板的制造過程中，常由于許多不確定的因素，使復(fù)合材料構(gòu)造發(fā)生分層、孔隙、氣孔等等不同形式的缺陷；同時(shí)，復(fù)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(qiáng)纖維鋪設(shè)方向的不一致常導(dǎo)致鋪層間剛度的不匹配，引發(fā)較高的層間應(yīng)力，而層間應(yīng)力的主要傳遞介質(zhì)是較弱的樹脂基體，因此對(duì)于復(fù)合材料層合板，分層是其主要的損傷形式。有報(bào)導(dǎo)統(tǒng)計(jì)，復(fù)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。分層常存在于構(gòu)造部，無法根據(jù)外表狀態(tài)檢測出來，并且分層的存在極降

2、低了構(gòu)造的剛度，特別在壓縮載荷作用下，由于發(fā)生局部屈曲而導(dǎo)致分層擴(kuò)展，使構(gòu)造在低于其壓縮強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。在飛機(jī)研制與制造過程中，復(fù)合材料層合板的分層損傷問題一直是難以解決的構(gòu)造問題之一，也是影響CFRP在構(gòu)造組分中應(yīng)用的主要限制因素。因此，如何充分地結(jié)合試驗(yàn)測試，利用數(shù)值模擬的方法評(píng)估分層的許和容限，成為決定飛機(jī)構(gòu)造綜合性能的亟待解決的關(guān)鍵問題。分層產(chǎn)生的原因Pagano和Schoeppner2根據(jù)復(fù)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、管狀構(gòu)造、圓柱形構(gòu)造、球形構(gòu)造和壓力容器等；第二類為變厚度截面，工程中常見于薄層板與補(bǔ)強(qiáng)件連接區(qū)域、自

3、由邊界處、粘合連接處及螺栓接合處等。在上述構(gòu)造件中，臨近的兩鋪層極易在法向和剪切向應(yīng)力作用下發(fā)生脫膠和形成層間裂紋。以外，溫濕效應(yīng)、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(dǎo)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(shè)質(zhì)量具有分散性，極易形成富樹脂區(qū)，進(jìn)而引發(fā)樹脂固化時(shí)鋪層間的收縮程度差異，使層間具有較低的力學(xué)特性，極易形成分層5，6。在服役過程中，低速?zèng)_擊所產(chǎn)生的橫向集中力是層合板構(gòu)造形成分層的重要原因之一。沖擊引發(fā)

4、的臨近鋪層間的部損傷、層合板制造過程中工具的掉落、復(fù)合材料部件的組裝及維修以及軍用飛機(jī)及構(gòu)造的彈道沖擊等均會(huì)引發(fā)層間分層。分層的種類Bolotin5，6將分層分為局部層Internaldelaminations和淺表分層Near-surfacedelaminatioris兩類。其中，局部層源自層合板的部鋪層，由于樹脂裂紋和鋪層界面間相互作用而形成，它的存在會(huì)降低構(gòu)造件的承載能力。特別是在壓縮載荷作用下，層合板的彎曲行為受到嚴(yán)重影響如圖1。雖然分層將層合板分為兩個(gè)局部，但是由于兩個(gè)子層板變形間的相互作用，層合板呈現(xiàn)相似的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)生整體屈曲。圖1局部層及對(duì)構(gòu)造穩(wěn)定性的影響淺表分層產(chǎn)生于層合板接

5、近外表的淺層位置，呈現(xiàn)出比局部層更為復(fù)雜的分層行為。分層區(qū)域的變形受到厚子板的影響相對(duì)更小，淺表處的分層局部并不一定受較厚的子板的牽制而變形，因此對(duì)于淺表分層，不僅需要考慮淺表分層的擴(kuò)展，還需要考慮分層子板的局部穩(wěn)定性。根據(jù)載荷形式及分層狀態(tài)可將淺表分層分為如圖2所示的種類u閉合型分層G Clnsied in lentnn9用臺(tái)的屈曲型分展 dlClcMd buckled門帶一次裂次的邊豫加前取分層 rj E buvkltd ith xtcundury圖2淺表分層的種類在分層產(chǎn)生后，局部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(kuò)展，層合板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯下降。確定分層缺陷的形式對(duì)復(fù)合

6、材料構(gòu)造的完整性是十分層重要的。分層的微觀構(gòu)造在微觀尺度下，層間裂紋擴(kuò)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(yīng)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(yīng)力場的衰減較緩慢，因此II型和III型裂紋尖端的損傷區(qū)域比I型區(qū)域廣。止匕外，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(huì)發(fā)生微裂紋的合并和生長以及纖維一樹脂間的脫膠現(xiàn)象，上述現(xiàn)象都會(huì)誘發(fā)裂紋前進(jìn)，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(duì)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

7、合并的現(xiàn)象，并與鋪層角度呈45。方向擴(kuò)展，直至到達(dá)富樹脂區(qū)域。界面處微裂紋的合并在纖維間的樹脂區(qū)域呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖4所示。而對(duì)于韌性材料體系，裂紋前緣的塑性變形推進(jìn)裂紋擴(kuò)展，呈現(xiàn)出韌性斷裂并伴隨層間脫層現(xiàn)象的發(fā)生7。圖3I型、II型和III型裂紋拓展模式b微裂圖4層間II型分層的擴(kuò)展模式：a裂紋尖端處微裂紋的形成;紋的生長及開；c微裂紋的合并及剪切尖端的形成2準(zhǔn)靜態(tài)下分層行為預(yù)測方法分層力學(xué)由前聯(lián)的固體物理學(xué)家Obreimoff(1894-1981最先著手研究，1930年，他在題名“TheSplittingStrengthofMicd8的論文中詳細(xì)討論了層連續(xù)裂韌性并研究了在剪切力作用下云母試

8、樣的分層現(xiàn)象。時(shí)至今日，分層的力學(xué)問題在吸引重多科研工作者興趣的同時(shí)，已取得了突出的成果，分層行為的預(yù)測方法開展成為強(qiáng)度理論方法、斷裂力學(xué)方法和損傷力學(xué)方法等三類。強(qiáng)度理論方法強(qiáng)度理論方法是研究分層問題的傳統(tǒng)方法，是以構(gòu)造或材料抵抗損傷發(fā)生的能力為根底，通過將材料部的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與界面強(qiáng)度的大小進(jìn)展比擬來判斷界面是否發(fā)生分層。該預(yù)測分層損傷的方法由Whitney等9首先提出；在進(jìn)一步應(yīng)用平均應(yīng)力準(zhǔn)那么的根底上，Kim等11對(duì)受拉、壓載荷作用下的層合板的分層產(chǎn)生時(shí)的臨界載荷值進(jìn)展了預(yù)測。但是由于不連續(xù)鋪層端部易出現(xiàn)應(yīng)力奇異，應(yīng)力準(zhǔn)那么方法高度依賴網(wǎng)格尺寸；且由于平均應(yīng)力準(zhǔn)那么或點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)那么都引入了特

9、征長度的概念，而特征長度并沒有很強(qiáng)的理論根底，使該方法不能夠準(zhǔn)確地預(yù)測分層擴(kuò)展行為12。線彈性斷裂力學(xué)方法斷裂力學(xué)方法通過計(jì)算裂紋尖端應(yīng)力場與裂紋尖端開位移來評(píng)價(jià)界面的損傷狀態(tài)。在忽略材料非線性的前提下，可以采用線彈性斷裂力學(xué)方法LEFM有效地預(yù)測分層擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，該方法的核心容為裂紋尖端能量釋放率的計(jì)算。計(jì)算應(yīng)變能釋放率的常用方法包括虛裂紋擴(kuò)展技術(shù)VCCT、J積分、虛裂紋擴(kuò)和剛度微分方法等，通過比擬應(yīng)變能釋放率分量的組合式與某臨界值間的關(guān)系，可以對(duì)分層的狀態(tài)進(jìn)展預(yù)測。損傷力學(xué)方法損傷力學(xué)方法是通過引入微缺陷/微裂紋的面積等形式的損傷變量來預(yù)測界面處分層狀態(tài)，相比斷裂力學(xué)方法，該方法不僅可以預(yù)測已存在裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，更重要的是，可以預(yù)測新裂紋的產(chǎn)生。以聚力理論為根底，該方法考慮了復(fù)合材料基體與增強(qiáng)相間以化學(xué)反響的形式生成的一層界面物質(zhì)層，以界面參數(shù)的形式，充分地反映了界面物質(zhì)層的模量、強(qiáng)度和韌性等材料參數(shù)。聚力裂紋模型由Dugdale13和Barenblatt14首次提出：材料在屈服應(yīng)力的作用下，會(huì)在裂紋前緣形成薄的塑性區(qū)域，在該區(qū)域圍的裂紋外表有應(yīng)力作用，此作