碳纤维复合材料孔隙缺陷.doc

PAGE PAGE 27 碳纤维复合材料孔隙缺陷 及对力学性能影响的研究 1.课题来源及研究的目的和意义 1.1 课题来源 本课题研究哈尔滨飞机工业集团有限责任公司采用热压罐工艺生产的碳纤维/环氧树脂层压板的孔隙问题。 1.2 课题背景 碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymers，简称 CFRP）具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀、疲劳性能好、结构可设计等诸多优点，广泛的应用于体育、纺织、医疗、生物、建筑、化工、汽车、油田勘探等民用领域。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的，远远超过了在航空领域内作为传统主要材料的铝合金、钛合金，也超过了称之为纤维增强塑料的玻璃纤维环氧树脂复合材料，从而成为一种先进的航空航天材料[1-3]，并越来越广泛的应用于航空航天等高技术领域。 世界先进飞机结构已经出现了复合材料化的趋势，新一代大型客机有别于以往同类飞机的一个重要标志就是其机体结构大量采用复合材料。例如，空客A380大型客机仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右，加上其他各种复合材料，总用量在25%左右，开创了大型民机大量使用复合材料的先河。A400M是欧洲空客集团研发的大型军用运输机，复合材料约占其结构总重的40%左右[4]。波音787飞机的复合材料用量占结构重量的50%，其中碳纤维复合材料为45%，玻璃纤维复合材料为5%，铝合金在波音787上的用量只占20%。空客A 350飞机的修改方案中，机身结构的复合材料用量上升到52%，复合材料用量甚至高过波音787飞机[5]。显然，CFRP在空客A350和波音787上的用量已占到结构总质量的50 %，可称之为复合材料飞机，CFRP成为制造大飞机的主体材料[6]。 国外自1980年的F-18军机开始，必威体育精装版研究的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也大量采用先进复合材料，占结构重量的25%-50%[4]。直升飞机也大量采用CFRP。例如，由哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机复合材料用量已占到60 %左右，主要是CFRP。此外，日本生产的“OH-1忍者”直升飞机，机身的40 %是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造[6]。 先进复合材料不仅成为航空航天结构的基本材料之一，并且先进复合材料在飞机上的用量及其性能水平已成为飞机先进性的重要考核标志之一。2007年2月国务院已经批准我国大型飞机重大专项立项，对于材料性能的要求更加苛刻，因此，对纤维增强复合材料进行深入细致的研究具有深远意义。 1.3 研究的目的和意义 由于碳纤维复合材料特殊的制作工艺，通常会在制造过程中形成孔隙、孔洞、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、纤维/基体界面结合不好、铺层或纤维方向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、磨损、划伤等缺陷。其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一种类型, 也可能是好几种类型的缺陷同时存在。其中孔隙是最常见重要缺陷之一[7-9]，其形状、大小、含量对复合材料的物理、力学性能存在有害影响[10-14]。 民用航空要求先进复合材料的工艺、性能和质量必须做到稳定性、可靠性和可重复性。因此，本课题对哈尔滨飞机工业集团有限责任公司生产的碳纤维/环氧树脂基层压板孔隙的尺寸、形状、分布进行检测并研究孔隙率对力学性能的影响，无论是理论上还是实际上都极具现实意义。 飞机在服役期间，内部结构部件承受复杂的载荷环境，其中反复作用的疲劳载荷是结构部件承受的主要载荷。复合材料层压板在疲劳载荷作用下材料性能不断下降，同时，孔隙的存在必然会导致结构的疲劳寿命降低。因此，研究孔隙对复合材料结构疲劳寿命的影响，并建立多参数模型将是复合材料研究领域的关键技术问题之一。 复合材料结构飞机在服役过程中常碰到很多冲击问题，如维修中不慎掉落的工具、设备撞击等低速冲击；或者跑道上溅起的沙石、冰雹、飞鸟撞击等高速冲击。由于复合材料对冲击比较敏感，受到冲击后容易产生损伤。高能量或中等能量冲击会造成复合材料结构的穿透或侵入，这些损伤破坏容易被检测出来并进行修补。而复合材料结构受到低能冲击后，表面损伤一般较小，甚至目视难以直接观察到(BVID)，但是层压板内部和冲击内表面往往会发生基体开裂、基体挤压破坏、分层和纤维挤压、纤维断裂等微观损伤。这些内部损伤破坏将使层合结构的力学性能严重退化，强度可削弱35%-40%[15]，从而导致层合结构承载能力大大降低，对结构形成严重安全隐患。因此，研究复合材料层压板的低速冲击损伤及冲击后的力学性能具有重要的理论意义与工程价值。 飞机的生存环境复杂多样，而湿热环境是飞机以及航空航天器常遇到的环境因素。特别是从大气中吸收的潮气与飞机结构在高速飞行中遇到的高