浅析编织复合材料缺陷形态的研究分析

编织复合材料制造工艺复杂,并且存在诸如变厚度区域等复杂的形状,因而材料中会存在各种缺陷,从而对材料的性能产生影响。目前针对复合材料的微观缺陷研究大都集中在层板复合材料:高晓进对层板复合材料孔隙形态与超声衰减关系进行研究;牟云飞、田宏涛、林莉等对孔隙率进行定量分析,并对复合材料进行三维建模;华志恒、周晓军、刘继忠等对平板复合材料进行金相观察,并对孔隙率进行统计分析;顾轶卓、邓火英等对变厚度层板和L型层板的缺陷类型进行分析,并研究了缺陷形成机理。对编织复合材料的研究大都集中在力学、拉伸、屈曲等性能分析,而其孔隙率建模以及无损检测等方面的研究还相对较少。

本文对变厚度混杂编织复合材料进行金相观察,对比层板复合材料,分析了编织复合材 40 料的微观形态和主要缺陷类型,并对孔隙率及孔隙形态特征进行分析统计。研究结果为正确建立编织复合材料孔隙率的超声检测模型提供基础,为编织复合材料超声检测新方法的提出和改进提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试样

试样采用某飞机制造公司提供的泡沫芯夹层结构,上下蒙皮材料为碳纤维/玻璃纤维混杂编织复合材料,其中外表面为曲面形状,内表面为不规则曲面,截面形状为变厚度。

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复合材料

1.2 试验方法

截取蒙皮部分6个试块,对每个试块的各个面进行打磨、抛光处理后,在显微镜上进行金相观察,对每个试块每次拍摄20~30张照片,对拍摄的金相照片采用金相分析软件进行分析和统计,图2为一组典型形态的缺陷金相照片。

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实验采用江苏南光电子科技有限公司提供的NK-5000型倒置金相显微镜,图片分析采用NK-100 金相分析软件,孔隙率的测定参照GB3365-82。

2 试验结果与讨论

2.1 缺陷分析

与层板复合材料相比,编织复合材料树脂含量较高,富脂主要存在于以下三个区域:变70 厚度侧靠近表面的富脂,交织的纤维束之间的富脂和纤维分裂处的富脂。这些区域易出现纤维分布不均以及纤维难以完全填充的现象,因而成型过程中树脂容易在这些区域堆积形成富脂区。

此外,由于富脂区强度低,当受冲击和长期疲劳时容易产生微裂纹,而裂纹的存在将使该区域材料的力学性能大大降低。

纤维层间易产生分层现象,由于纤维分布不均,纤维层间容易产生应力集中而形成分层,分层是先进复合材料中最为严重的缺陷类型,它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性。

2.2 孔隙形态

编织复合材料中孔隙多分布在树脂区,以球形孔隙为主,同时也存在扁平状孔隙以及其它不规则形状的孔隙,并且富脂区容易出现大面积集中孔隙。孔隙形成的原因有很多种,树脂浸润性差空气难以挤压出去、树脂中的低分子组分在加工过程中的挥发,以及固化过程中树脂的化学反应产生的挥发物,均可造成树脂中孔隙的出现。

纤维层间以及纤维和树脂间存在球形和扁平形孔隙,孔隙较小时多为球形,这些地方为纤维搭接处,制造过程中纤维束难以完全填充因而容易夹杂空气,同时由于应力不同孔隙形状也存在差异;而孔隙较大时,基本呈现出扁平状。观察发现,大面积扁平形孔隙数量相对较少,小的球形孔隙占主要部分。此外,纤维层内也存在孔隙,以圆形或不规则形的小空隙为主,且大多分布在铺层的碳纤维中,玻璃纤维及铺层中孔隙含量较少。

2.3 孔隙分布统计

对拍摄到的金相照片进行分析和统计,所得结果如表1所示,其中统计数据包括孔隙率、孔隙长度和宽度、孔隙面积,同时取宽度与长度的比值作为孔隙的形状因子。

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由表1可以看出,编织复合材料随着孔隙率的增加,孔隙的面积、长度和宽度均存在增大的趋势,但与层板复合材料相比,长径增加范围相对较小,而短径增加范围相对较大。孔隙率从 0.62%增加到 2.37%时,长径平均值增加了51%,短径平均值增加了56%,而层板复合材料孔隙率从0.8%增加到2.8%时,长径平均值增加了164%,短径平均值的大小几乎不变。另外,随着孔隙率的增加,一些大面积孔开始出现,以扁平型和椭圆形为主,但数目较少。

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经统计,随着孔隙率的增加,孔隙数目明显增多,以试块1 和试块5 为例,二者统计的图像张数相同,而试块5的孔隙数量比试块1多了 1.85 倍,在孔隙平均面积变化不大的情况下,孔隙数目的增多是造成孔隙率增大的主要原因。此外,通过形状因子可以看出,各种孔隙率下孔隙的平均宽长比基本相同,孔隙形态基本相似。对单个样本进行分析统计,当孔隙数量足够多时,孔隙的长度、宽度和面积均表现出了对数分布的特征,而当取自然对数作为横坐标、取孔隙含量作为纵坐标做图时,统计结果呈现出高斯分布,由此可知,孔隙长度、宽度与孔隙数目含量之间均存在近似对数正态分布关系。图3为试块5孔隙长度的统计结果。

3 试验结果与讨论

(1) 编织复合材料易出现富脂区域,且富脂区容易出现微裂纹,纤维层间有分层现象;

(2) 编织复合材料孔隙含量较低,主要分布在树脂区和层间,以小的球形孔隙为主,富脂区域容易出现集中孔隙;

(3) 随着孔隙率的增加,孔隙平均长度、宽度和面积有小幅度增加,但仍以球形为主,孔隙数量的增加是导致孔隙率增加的主要原因;孔隙长度、宽度与孔隙含量之间均存在近似对数正态分布关系。

作者:李钊,杨辰龙,陈越超,郑慧峰

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