飞机树脂基复合材料的初始热损伤检测方法_侯日立.pdf

：飞机树脂基复合材料的初始热损伤检测方法侯日立，王春雨，周平（空军工程大学 航空机务士官学校，信阳 ）摘要：采用热损伤试验、力学性能测试、扫描电镜分析、孔隙率检测和硬度测试等方法，研究了飞机树脂基复合材料初始热损伤的损伤机制。结果表明：基于硬度测试的检测方法操作简单，并给出了检测参数与材料力学性能的对应关系，具有较好的推广应用前景。关键词：树脂基复合材料；初始热损伤；硬度测试；损伤机制中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：侯日立（），男，博士，副教授，主要研究方向为飞机结构抢修技术，（，）：，：；树脂基纤维增强复合材料广泛应用于现代飞机结构中，这些复合材料结构件在服役过程中经常受到热损伤，如雷击、意外起火、武器尾烟烘烤等。飞机树脂基复合材料的热损伤是一个发展的过程。早期阶段的热损伤，也称初始热损伤，是指在温度较低、时间较短的情况下造成的损伤。此时，材料的外表面几乎没有可察觉的变化，但其力学性能却可下降 ，因此初始热损伤的隐蔽性强、危害性大。针对飞机树脂基复合材料的热损伤检测，叶亮、任小珍研究了碳纤维增强复合材料在电热作用下的损伤机制。樊茂华研究了复合材料层压板在火灾环境下的热响应。韩耀璋等研究了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料热老化性能的影响。东巳宙研究了高温环境下复合材料层合板与蜂窝板的力学性能。郭小弟等针对玻璃纤维增强复合材料提出了基于太赫兹光谱的检测方法。某公司推出了一种基于红外光谱分析的检测设备。虽然相关的研究成果比较多，但与工程实践的需求还存在一些差距，比如：基于热弹原理的检测方法还停留在实验室原理研究阶段，没有成熟的检测设备；基于太赫兹光谱的检测方法只能适应玻璃纤维增强复合材料，且只能检测内部已经产生明显机械损伤的情况；基于红外光谱分析的检测方法主要反映材料树脂基体官能团的变化，与材料力学性能的变化不完全同步。针对飞机树脂基热损伤检测的迫切需求和现有研究成果的局限性，笔者采用热损伤试验、力学性能测试、扫描电镜（）分析、孔隙率检测、硬度测试等方法，研究了飞机树脂基复合材料在热作用下的性能退化规律，分析了初始热损伤的产生机制，提出了一种基于硬度测试的初始热损伤检测方法。热作用下的材料力学性能退化规律以飞机结构中常用的树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象，根据飞机复合材料结构的典型受力环境，开展了不同条件热损伤后的拉伸试验和压缩侯日立，等：飞机树脂基复合材料的初始热损伤检测方法试验。材料的铺层方式为 ，在 ，下各加 热，拉 伸 试 验 采 用 聚合物基复合材料拉伸性能的标准试验方法 标 准，压 缩 试 验 采 用 使用组合加载压缩（）测试夹具的聚合物基复合材料的压缩性能标准测试方法 标准。试验结果如图所示。图抗拉强度测试结果图弹性模量测试结果图抗压强度测试结果由图可知：随着加热温度的升高，材料的抗拉强度和抗压强度是不断下降的，即材料在高温下发生了力学性能的退化。值得注意的是，材料的力学性能随加热温度的变化是非单调的，呈先上升、后下降、再上升、再图体积模量测试结果下降的变化规律。其规律主要表现在以下几个方面：在材料的固化温度（）以下，温度对材料性能的影响比较轻微，基本可以忽略；在材料的玻璃化转变温度（）附近，材料的强度有一个上升的反常变化；加热温度对材料弹性模量的影 响 较 小，虽 然 有 波 动，但 基 本 不 影 响 使 用性能。材料初始热损伤机制分析为了进一步分析材料的初始热损伤机制，对未经加热处理的材料进行热重差示扫描量热法试验，对不同加热条件下的材料开展了孔隙率检测和扫描电镜分析，结果如图所示。图热重曲线及差示扫描量热试验曲线图孔隙率检测结果侯日立，等：飞机树脂基复合材料的初始热损伤检测方法图不同温度下材料的 形貌从图可以看出：试样第一个吸热峰在 左右，同时伴随有失重的现象，说明此时基体材料发生了表面侧链、侧基的碎片断裂与逸出。从图可以看出：随着加热温度的升高，材料孔隙率呈增加趋势。温度小于 时的变化比较平缓，主要是材料中的水分逸出造成的；温度在 时材料的孔隙率变化比较显著，主要是基体材料中小分子组分逸出和热应力导致的裂纹造成的；在温度大于 时，孔隙率有一个小的下降，可能与“后固化”作用有关。从图可以看出：未经热作用的原试样，即室温下，其树脂是紧紧覆盖在纤维表面的，没有特别明显的界面；随着温度的升高，树脂体系的表面开始出现气孔，并且随着温度的升高，逐渐出现纤维与基体之间的贯穿性分离和纤维断裂现象。综合上述试验和材料力学性能测试结果，飞机树脂基复合材料的初始热损伤机制如下所述。材料的 受 热 温 度 在 原 结 构 材 料 的 固 化 温 度（）以下时，力学性能的变化是以下种作用的结果：一是加热过程中，材料内部的水分逸出，原本由水分引发的溶胀、塑化作用减弱，导致力学性能指标上升；二是水分和基体残留小分子逸出时，在材料中产生孔隙，导致力学性能下降；三是纤维、基体热膨胀系数不匹配导致纤维基体界面产生微裂纹，进而导致材料整体力学性能下降。当受热温度小于 时，材料性能主要受水分逸出，溶胀、塑化作用减弱主导，表现为强度轻微上升；当受热温度为 时，材料性能主要受基体小分子逸出、产生孔隙所主导，表现为强度下降，但变化幅度较小，对 承 载 能 力 不 构 成 威 胁；当 受 热 温 度 大 于 时，除了基体小分子逸出外，热应力导致的微裂纹也开始起主导作用，导致材料中孔隙率明显上升，力学性能明显下降。这也是该种材料的最高服役温度规定为 的原因。材料的 受 热 温 度 在 原 结 构 材 料 的 固 化 温 度（）与玻璃化转变温度（）之间时，热应力产生的微裂纹、界面分离是主导材料性能的主要因素，表现为孔隙率急剧上升，强度明显下降，下降约 左右。材料的受热温度在原结构材料的玻璃化转变温度（）附近时，材料力学性能出现一个反常的上升。在该温度区域，基体材料中未完全反应的小分子链继续发生交联反应，对基体材料有一定的“治愈”效果。材料的受热温度大于原结构材料的玻璃化转变温度后，材料力学性能开始急剧单调下降。此时，主导材料力学性能变化的因素为：热应力导致的裂纹乃至纤维断裂；基体高分子材料的裂解。材料初始热损伤的检测方法人工缺陷试块的制作笔者制作了一批含不同程度热损伤的人工缺陷试块。从上述力学性能试验中可以看出：树脂基复合材料的热损伤程度随热损伤温度和热损伤时间的变化而变化。为了便于与强度测试结果相对应，人工缺陷 试 块 的 制 作 选 定 ，等 个 温 度 点，加 热 时 间为。基于硬度测试的热损伤检测热损伤检测的目的是了解材料力学性能的衰减侯日立，等：飞机树脂基复合材料的初始热损伤检测方法程度以及损伤的波及范围，以便为后续的损伤评估与修理提供依据，但力学性能参数需要由专门的试验确定，难以现场原位实施。从复合材料初始热损伤的机制看，对材料力学性能退化起主导因素的是基体，以及基体和纤维界面力学性能的退化。材料的硬度反映的是材料抵抗塑性变形的能力，因此可用硬度测试法检测材料热损伤的可能性，而且可应用于飞机金属结构热损伤检测中。笔者利用含不同程度热损伤的人工缺陷试块，开展了基于洛氏、巴氏硬度测试和基于纳米压痕的维氏硬 度 测试。其中，洛氏 硬 度按 照 标 准 塑料洛氏硬度试验方法 实施，巴氏硬度按照 增强塑料巴柯尔硬度试验方法 标准实施，试验结果如图，所示。采用纳米压痕仪进行维氏硬度测量，按压式压头直径为 ，测试结果如图 所示。图洛氏硬度测试结果图巴氏硬度测试结果从上述几种硬度测试的结果看，随着加热温度的变化，材料的种硬度都有明显变化，且与前面介绍的材料力学性能同步。因此从原理上看，种硬度测试方法可以用来检测材料的热损伤。从检测的精度看，基于纳米压痕的维氏硬度对加热温度的变化最敏感，这主要是因为该方法测量的是显微硬度，作用力小，反映的是基体以及基体与纤维界面的性能，正好与复合材料的初始热损伤机制符合。对于图 维氏硬度测试结果巴氏硬度和洛氏硬度，由于材料变形的范围较宽，测量结果受纤维的干扰比较大。从检测的可操作性看，巴氏硬度测试是单面的，可在现场原位实施。洛氏硬度测试虽然也有可在现场原位实施的便携式设备，但由于需要双面加载，检测范围受设备尺寸限制。纳米压痕检测虽然很灵敏，但目前尚不能实施原位检测。在现有设备条件下，可以采用洛氏或巴氏硬度测试的方法来检测树脂基复合材料的初始热损伤。在利用该方法实施检测时，应首先通过试验，分别制作材料力学性能与加热温度、硬度与加热温度的关系曲线，将该两种曲线放在同一个坐标系中（见图），便建立了材料力学性能与硬度的关系。实际检测时，只需要进行硬度测试，并获得硬度（图 中点的值），即可反推材料的力学性能（图 中点的值）。结合相应修理手册中的评估标准，即可确定损伤的程度。需要特别注意的是：材料的硬度随加热温度的变化规律为非单调变化，因此检测时应从烧伤的区域开始，第一个临界点即为损伤的边界点。图 材料的硬度与力学性能的关系结语对飞机树脂基复合材料热损伤的机制进行了初步探讨，提出的基于硬度测试的方法操作简单，并能（下转第 页）范语萱，等：某衬筒零件断裂原因表不同热处理参数对衬筒材料的影响测试结果试样编号温度马氏体等级级平均硬度 平均抗拉强度 平均屈服强度 平均冲击吸收能量 综合分析衬筒断裂区为端头倒角区，整个衬筒外表面紧靠倒角区一周存在宽约 的严重磨损区，说明衬筒端头受到与其配合部件的摩擦作用。断面粗糙，可见反光小刻面，说明弹舱门作动衬筒为脆性断裂。断口分析结果表明：衬筒断口为典型的沿晶特征，轴向距断口约 处的断口与原始断口形貌一致，呈沿晶特征；在衬筒尾端取样的断口呈解理韧窝形貌，说明在淬火区域的材料脆性较大，韧性较低，断裂表现为脆断特征。金相检验结果表明：材料的显微组织为较粗大的马氏体，针状马氏体评级为 级，不符合该衬筒零件热处理的要求（热处理后马氏体组织按上述工艺文件评定，不应超过级）。通过对不同热处理工艺参数下衬筒材料的马氏体等级、力学性能、冲击性能进行试验，可知随着淬火温度的升高，马氏体等级随之上升，硬度也随之增加，更为粗大的马氏体组织造成材料脆性增加，材料几乎没有发生塑性变形，没有经历明显屈服阶段，抗拉强度实测值随之降低，材料在更早的阶段发生断裂。在冲击载荷作用下，冲击吸收能量的实测值随之降低，即材料的抗冲击性能下降，而压缩屈服强度的实测值随之升高。硬度测试结果表明：衬筒端头断口附近的硬度为 ，结合显微硬度测试结果绘制淬火区深度曲线，淬火区深度约为。靠近端头的显 微 硬 度 比 远 离 端 头 的 显 微 硬 度 高，根 据 标准换算可知，淬火区部分硬度偏高。综上所述，衬筒端头经过局部淬火处理后，由于温度较高，奥氏体晶粒粗化，并且材料含碳量较高，过热奥氏体中含有大量的碳，淬火后得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大，在使用中受到与其匹配零部件的摩擦、挤压作用，当挤压作用力达到一定程度时，衬筒发生脆性断裂。结语通过以上分析，可确认该衬筒发生脆性断裂。断裂的原因是：当零件加热温度超过组织转变最大限制温度时，淬火温度过高，消除了奥氏体中的低碳区，使奥氏体的化学成分基本均匀，晶体缺陷显著减少，这就为马氏体组织的定向形核和长大清除了障碍，进而形成粗大马氏体组织，随着淬火温度的升高，马氏体等级随之上升，硬度也随之增加。即淬火温度过高导致马氏体等级超标，硬度提高，钢的脆性增大。参考文献：张栋失效分析北京：国防工业出版社，孙相禹 钢卡瓦淬火裂纹的分析黑龙江科技信息，（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第 页）得到检测参数与材料力学性能之间的对应关系，具有较好的应用前景。参考文献：叶亮 复合材料电热损伤的电学表征方法研究天津：中国民航大学，任小珍树脂基碳纤维单层板电热效应特征的研究天津：中国民航大学，樊茂华 复合材料层合板在火灾环境下的热响应研究 天津：中国民航大学，韩耀璋，李进，张佃平，等原位在线监测多因素协同对玻璃纤维环氧树脂复合材料热老化性能的影响 复合材料学报，（）：东巳宙高温环境下复合材料层合板与蜂窝板力学性能分