摘 要

碳纤维增强复合材料具有比强度高，比模量大等优点，广泛地应用于航空航天，航海和军事等领域。在使用过程中，材料经常处于湿热环境中，并且极易受到低速冲击作用。目前关于低速冲击对复合材料吸湿特性和剩余压缩强度的影响的研究尚少，基于此，本文研究了低速冲击对碳纤维环氧树脂复合材料吸湿特性和剩余压缩强度的影响。主要内容如下：

用不同的冲击速度冲击碳纤维环氧树脂复合材料，观察宏观损伤情况，并通过C-扫描，超景深三维显微系统和扫描电镜观察内部损伤情况。结果表明，冲击速度越快，损伤投影面积越大，损伤程度越高；

对各组试样进行湿热处理，湿热实验为70℃水浴处理。结果表明，低速冲击会增大复合材料的吸湿量；

湿热处理后，对各组试样进行剩余压缩强度实验，得到各组试样的损伤扩展情况和剩余压缩强度。

关键词：碳纤维/环氧树脂，低速冲击，损伤，吸湿量，剩余压缩强度

Abstract

Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) has been widely used in aerospace, navigation and military due to its excellent comprehensive properties, such as high stiffness-to-weight, high strength-to-weight and so on. But composite materials are often exposed to hygrothermal environment and subjected to low velocity impact when they are applied in parctice. It is a great significance to study the effects of low velocity impact on the hygrothermal properties and residual compressive strength of carbon fiber composites laminates, while there are few studies on it. The main research contents are as follows:

The low velocity impact tests were carried out with different impact velocity on the composite materials. Then, the macroscopic damage characteristic was obtained. Through ultrasonic C-scan, digital microscope system, the scanning electron microscope (SEM) and visual inspection, the macroscopic damage characteristic was obtained. The results show that the projected damage area and damage degree increase as the impact velocity increases.

Each group of carbon/epoxy composite laminates were immersed in water at 70℃respectively. It proved that the moisture absorption increases when samples were subjected to low velocity impact.

Finally, through compression tests, the damage propagation and residual compressive strength of CFRP laminates were obtained.

Key words：Carbon/epoxy，Low velocity impact，Damage，Moisture，Residual compressive strength

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.3 研究内容 3

第2章 碳纤维环氧树脂复合材料低速冲击损伤机制 4

2.1 实验方案 4

2.2 试样制备 4

2.2.1 材料准备 4

2.2.2 材料成型 5

2.3 低速冲击实验 6

2.3.1 实验器材与设备 6

2.3.2 低速冲击实验原理 8

2.3.3 低速冲击实验 9

2.3.4 低速冲击损伤实验宏观损伤特征 9

2.4 C-扫描实验结果 16

2.4.1 各组试样的C-扫描图片 17

2.4.2 各组试样的损伤投影面积 19

2.4.3 结果分析 20

2.5 微观损伤和破坏特征分析 21

2.6 本章小结 27

第3章 低速冲击对于CFRP层合板吸湿特性的影响 28

3.1 吸湿实验理论探究 28

3.1.1 吸湿性能的相关表述 28

3.1.2 吸湿行为规律 28

3.1.3 吸湿行为对复合材料的影响 29

3.1.4 吸湿实验方案 30

3.2 实验结果分析 31

3.3 本章小结 32

第4章 低速冲击对CFRP层合板剩余压缩强度的影响 33

4.1 相关的研究理论与结果 33

4.2 剩余压缩强度实验方案 33

4.3 实验结果分析 34

4.4 本章小结 41

第5章 总结与展望 42

5.1 总结 42

5.2 展望 43

参考文献 44

附录A 低速冲击实验数据 46

附录B 吸湿实验数据 47

致谢 55

绪论

研究背景

复合材料具有十分优异的力学综合性能，比如比强度高，密度小等，在航空航天领域，航海领域得到了越来越广泛的应用。复合材料的使用大大降低了结构的重量，降低了生产成本，随着复合材料制作水平的提高，目前，生产生活的方方面面都已离不开复合材料的使用，如汽车，医疗，军事等。因此，越来越多的学者开始对复合材料力学性能进行研究，正在逐步掌握不同种类复合材料的特点，以及性能上存在的缺陷，从而在进行整体结构强度，刚度和稳定性设计时，能够尽可能发挥出复合材料的优异特性，同时规避结构所处的环境对于材料的破坏性影响。

研究表明复合材料抵抗冲击性能很差，即使是低速冲击作用，也会在很大程度上削弱复合材料层合板的承载能力。低速冲击作用会使材料内部结构产生一定程度的损伤，包括基体开裂，分层失效和纤维断裂等，显著降低了材料的有效承载面积，并且不同损伤之间会相互叠加，共同影响，进一步加重材料的内部破坏，而这些损伤如若无法及时检测并维修，会很大程度上影响结构的剩余强度。研究表明，在5J的冲击能量下，高强度纤维环氧树脂基复合材料的剩余压缩强度降低32%左右，这直观地表明了低速冲击对于复合材料的巨大影响。而在现实使用中，低速冲击的影响相对于高速冲击来说更为普遍和常见，高速冲击所造成的破坏，会及时被人为地修补或更换材料，其对于整体结构的影响就会被降低。而对于低速冲击，比如制造，加工，运输，维护，工具下落，粗暴处理等都极易对材料造成低速损伤，由于其造成的损伤通常目不可见，在常规检测中时常会被忽略。因此，在实际使用中，我们应该更为关注低速冲击的影响，避免造成整个结构的破坏，从而避免对生命和财产安全造成损失。

本文所使用的复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP），其质量轻，抗腐蚀，比热容高，热膨胀系数小，断裂韧性高，抗疲劳性能和抗蠕变性能优异。这类复合材料多应用于航空航天或者船舶等领域，在使用时经常处于温度的急剧变化以及潮湿的外部空气这样的恶劣环境中，这将一系列物理化学反应，比如变形、内部应力作用、材料性能变化等，我们将这一系列的影响称为湿热效应。由于纤维与基体之间的界面性能较差，使得水分能够加速沿复合材料基体与纤维界面进入复合材料内部，纤维吸湿率较低而基体吸湿率较高，研究表明在高温下受载时，复合材料力学性能降低更多，因而在进行静强度设计时，必须考虑湿热效应对复合材料层合板力学性能的影响。

基于上述的调查了解，准确估算出复合材料的低速冲击损伤，并根据冲击的能量，方法，材料属性，同时考虑到湿热效应对于复合材料力学性能的影响，采用一些适用于复合材料特点的设计方法，改善损伤阻抗和损伤容限特性，是提高复合材料结构设计水平的必经之路。

国内外研究现状分析

近些年来，许多学者对复合材料性能展开了大量的研究工作。他们通过试验的方法，对于复合材料的破坏形态以及破坏机制等都进行了试验，得到了许多极具借鉴意义的发现。例如Sunil Chandrakant Joshi等人发现了湿热条件对碳纤维增强环氧聚合物（CFRP）复合材料的耐冲击性有新的影响，水分显着减轻了碳纤维环氧树脂基单向层压板中的冲击诱导损伤。国内学者沈真等人的研究发现，在他们所进行的低速冲击试验和压痕试验所得试验数据的图像均出现拐点现象，并且得出结论：拐点可以用来表征复合材料层合板（纤维和基体作为整体）冲击破坏的临界点。范金娟等人对两种层合板进行实验，发现了G803/5224复合材料板件冲击背面首先发生子层微屈曲而G827/5224复合材料板件板冲击背面首先发生子层屈曲分层，并且两种损伤都是沿着垂直于受压的方向扩展，最后发展成为剪切屈曲破坏。邓立伟等人采用试验的方法对平纹织物复合材料层合板进行了低速冲击和冲击后拉伸，压缩，及弯曲试验，结果表明，冲击后拉伸强度降幅最大。许希武等人进行了复合材料层合板低速冲击和冲击后压-压疲劳试验，试验总结出了损伤扩展规律，并且建立了压-压疲劳寿命的预测模型。夏明星^[10]研究了含孔隙的CFRP层合板吸湿特性，以及脱湿特性，并且研究了低速冲击对于孔隙形貌，复合材料拉伸和弯曲特性等的影响以及吸湿，脱湿和孔隙对于未受冲击的试样的拉伸和弯曲强度以及巴氏硬度的影响。研究结果发现，孔隙越多，吸湿量越大，冲击能量越高，材料的力学特性下降越大。Rafael Santiago等人研究了新一代纤维金属层压板（TFML）在局部冲击载荷下的响应，提供了在广泛的应变率范围内的冲击试验的结果，有利于建立TFML在冲击下响应的模型。

为了更好地研究层合板的损伤机理，国内外学者提出了不同的计算模型。李念等人提出了一种连续介质损伤力学模型，该模型适用于各向异性材料，能较好地符合复合材料抗冲击性能较低的情况，在材料损伤断面建立损伤状态变量矩阵，由Puck准则预测损伤起始。刘立朋等人研究了在宽能量范围内复合材料层合板进行冲击的动态冲击力学响应历程，并建立了相应的函数关系。宋恒旭利用力学等效模型的思想，将计算从简单模型扩展到结构，从而成功建立结构的低速冲击模型，提供了一套完善的计算模拟办法。朱东俊等人依据二维Hashin失效准则，运用ABAQUS软件建立了复合材料层合板的低速冲击有限元模型，考察了动态响应和损伤演化的过程。Tanmoy Bandyopadhyay等人提出了一种基于有限元的方法来研究湿热效应对分层复合预扭曲锥形壳的瞬态动态响应。Yumin Wan等人研究了一种计算高效的多尺度方法，用于预测三维编织复合材料的有效弹性性能和破坏强度。可为编织复合材料的机械性能和选择结构参数提供重要指导。