12孔隙对复合材料层压板层间剪切性能的影响-朱洪艳(7)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文孔隙对复合材料层压板层间剪切性能的影响朱洪艳1刘慧艳1吴宝昌2宫少波1张东兴3陈玉勇3（1.中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司,哈尔滨150066；2.驻一二二厂代表室,哈尔滨150066；3.哈尔滨工业大学材料科学与工程系,哈尔滨150001）摘要：采用不同热压罐压力制备了含不同孔隙率的碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板([(±45)4/(0,90)/(±45)2]S、[(±45)/(0,90)2/(±45)]S、[(±45)/04/(±45)/(0,90)]S、[(±45)/04/(0,90)/02]S)。采用显微镜法

2、对复合材料层压板内的孔隙率、孔隙形貌进行了分析，并对四种层压板进行了层间剪切性能试验，评价了孔隙率、孔隙的形貌对层间剪切性能的影响。结果表明，层压板内的孔隙大多出现在层间树脂富集区。随着热压罐压力的减小，面积大的孔隙增多，四种层压板的孔隙率增加，层间剪切强度下降。层压板A、B、C、D在孔隙率6.3%、6.9%、5.0%和4.6%时的层间剪切强度分别下降了6%、15%、9%和11%。大孔隙(De>100μm)与孔隙对层压板力学性能的影响密切相关，采用孔隙尺寸分布来解释力学性能实验的结果比平均孔隙率更为有效。关键词：孔隙率;层间剪切性能;聚合物基复合材料;孔隙形貌1引言

3、孔隙是聚合物基复合材料加工过程中形成的常见的缺陷之一。孔隙的形成原因很多，如铺层过程中裹入的空气、预浸料的吸湿、真空压力不合适以及固化温度、压力不足。近年来，为了理解孔隙对复合材料力学性能的影响，国外的学者进行了大量的研究。结果表明，孔隙对纤维为主的材料力学性能影响不大[1-2]，但是对基体为主的材料性能(如层间剪切、压缩、弯曲等)影响比较大[3-8]。大多数学者在研究孔隙对复合材料性能影响时都只是考虑孔隙率，这种方法虽然简单但却没有考虑孔隙的尺寸、形状和分布对复合材料失效的产生和发展的影响。近年来，孔隙的形态(孔隙的形状、尺寸等)越来越受到人们的重视，Wisnon

4、等人通过在单向碳纤维/环氧树脂层压板和玻璃纤维/环氧树脂复合材料内放置PTFE研究了孔隙的形状、尺寸和分布对其力学性能的影响[9]。结果表明，当孔隙的纵横比从1增加到4时，复合材料的层间剪切强度降低20%。Costa等人对碳纤维/环氧树脂和碳纤维/双马来酰亚胺层压板进行了研究[3]。扫描电镜结果表明，孔隙的位置与基体树脂的体系有关。在环氧树脂层压板内，孔隙主要位于编织纤维丝束的交叉处，而在碳纤维/双马来酰亚胺层压板内孔隙主要位于编织纤维丝束的界面处。而且，Costa等人还观察到在两种层压板内都有产生于孔隙的裂纹。Chambers等人研究了孔隙对静态弯曲和弯曲疲劳失效

5、的产生和扩展的影响[10]。他们发现：在解释孔隙对力学性能的影响时，采用孔隙尺寸的分布比平均孔隙率和纵横比效果更好，大尺寸孔隙(面积>0.03mm2)对力学性能的影响比较大。孔隙率的增加促进了失效的产生和扩展，从而降低了弯曲强度和疲劳性能。Chambers等人的研究支持了考虑孔隙尺寸、形状、分布和复合材料断裂韧性的临界缺陷的概念。不同的材料体系和/或制备工艺(热压罐或RTM)所制备的复合材料内的孔隙的形状、尺寸和分布不同，因此在同样的孔隙体积分数下，不同加工工艺制备的复合材料的性能会有很大差别[11,12]，这也可以解释在仅考虑孔隙的体积分数情况下所报道的数据存在巨

6、大差异的原因。为了深入理解孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能的影响，对孔隙的微观形貌特征进行研究非常必要。因此，本文采用799显微图像分析的方法对孔隙的尺寸、形状及其分布进行了统计分析，分析了孔隙的形貌对复合材料层间剪切性能的影响。2试验2.1复合材料层压板制备为了定量地研究热压罐制备工艺对复合材料孔隙率或进一步对复合材料力学性能的影响，实验采用真空袋-热压罐成型工艺制备复合材料层压板。假设复合材料层压板内的孔隙是由于手工铺层过程中裹入的空气而产生的，为了模拟裹入的空气，采用手工铺叠复合材料层压板。铺层为[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S(A)，

7、[(±45)/(0,90)2/(±45)]S(B)，[(±45)/04/(±45)/(0,90)]S(C)，[(±45)/04/(0,90)/02]S(D)。采用同样的热压罐固化制度。为了研究热压罐压力对复合材料孔隙率的影响，使用了不同的热压罐压力，试样制备时采用的热压罐固化压力为：0.0MPa，0.1MPa，0.3MPa、0.4MPa。2.2孔隙显微组织分析在复合材料层压板制备完成后，首先采用超声波(C扫描)对层压板进行分析以确定孔隙的分布。根据扫描结果在不同孔隙率区域切割试样用于显微镜分析、力学性能测试和吸湿试验。试样表面处理(打磨、抛光)完成后，在显微镜下