T300级复合材料冲击容限和拉伸强度

T300级复合材料冲击容限和拉伸强度

北京航空航天大学附属中学

成员：崔容熊天宇张子琪

指导教师：魏云波

（以上姓名排序皆按照姓氏字母顺序）

摘要：采用落锤式冲击台冲击了国产T300复合材料层板，测量冲击高度与冲击凹坑深度的关系。采用高频疲劳力学试验机对冲击后的复合材料层板进行了压缩强度试验，测定了冲击凹坑深度与压缩剩余强度之间的关系，对复合材料层板的冲击损伤及其强度有深入的了解，验证了前人的猜想，得到了关于冲击凹坑深度、冲击能量、压缩(拉伸)强度的关系，这大大方便了实际中的简便计算。

关键词： T300级复合材料冲击损伤容限拉伸强度

一、前言

1.研究背景：

目前冲击损伤是飞机结构强度设计中一个非常重要的问题。飞机在实际飞行中由冰雹，鸟撞或者在维修过程中不经意都会对连接件产生一定程度的冲击损伤，并且在连接件材料的表面留有一定的破坏凹坑或表面拉伸。而且，现如今，复合材料在飞机上的运用越来越受重视，了解复合材料的冲击性能就尤为显得重要。本实验探究冲击损伤与凹坑深度之间的内在联系还有材料本身拉伸强度的结构特性。

就在不久前，应用了T300级复合材料的我国国产猎鹰06高教机准备投入实现首次装机件试制。T300复合材料属环氧基碳纤维增强复合材料。由碳纤维和树脂结合而成的复合材料由于具有比重小、韧性好和强度高、比强度高、比模量高、密度小、耐热、耐低温、优异的热物理性能、化学稳定性以及材料性能可设计等优点,已广泛应用于航天、航空、体育休闲和工业领域。

研究碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能,尤其是其高温性能,对其在超常环境下的使用具有重要意义。所以现在是一个研究与应用复合材料的高速时代。

2.文献调研：

我组共查阅了有关（及其相关）资料论文15篇，其中有效（对本组研究有一定帮助的）论文11篇。

通过对文献资料的研究与思考，我们认为（结合文献中思想）：新材料的引入有可能使

航空器性能发生巨大的变化, 但新材料在航空器结构中真正得到使用, 必须经过耗时耗钱的研究和验证。如果在材料研制的早期能预见新材料体系在结构中的应用前景, 做出正确的决策, 就可以避免时间和金钱的浪费。而要实现这一目标, 正确的材料性能表征体系是其中的关键之一，而我们所做的实验即是在测量该材料的性能表征。复合材料飞机结构的使用经验表明: 在结构完整性方面与金属结构的最大差别是其耐久性和损伤容限要求, 特别是对冲击损伤的敏感性。最近文献进一步把复合材料结构对冲击损伤的要求归结为与耐久性和损伤容限相提并论的损伤阻抗设计要求。所以这一研究——针对材料冲击容限——的前景是广阔的，而这么做也是有意义的，所以从意义上这是有价值的。

3.研究意义：验证了三个变量——即凹坑深度、压缩强度、冲击能量的关系和前人的模型关

系式，提出适合于本次实验材料板的模型。利用该模型，可以从实际工程中得到冲击能量，有利于工程中使用复合材料的损伤评估。

从而达到简便计算T300型材料的损伤容限的数值来估算其仍可承受的能量限值。

4.研究思路

二、研究方法及过程

1)研究内容

使用落锤式冲击试验台对复合材料层合板进行冲击试验，严格控制冲击能量的大小以及冲击点的位置，精确测量损伤凹坑深度，得到冲击能量与凹坑深度的关系;并使用高频疲劳机对进行过冲击实验的层合板进行拉伸（压缩）强度的检测。

落锤式冲击试验台性能参数

本次试验使用落锤式冲击试验台。试验台的总高度1354mm，落锤导轨高度为1280mm，落锤下落高度≤1100mm，导轨管径为8mm。冲击头为半球状，直径为16mm，冲击块质量为

11.436，由于冲击能量比较小，提高能量精度，故去掉冲击块下方两块夹块，冲击块质量变

为8.227kg，最大冲击能量可达到88.5J。

图1 冲击台整体概况

工作原理：将试验板放置于底座上，并且用薄板压住固定（如下图2），根据所需的能量，将冲击块抬到一定高度释放，冲击块沿着竖直的导轨自动下落，作用于试验板上，完成一次冲击。

图2 冲击固定

高频疲劳机性能参数

高频疲劳试验机可以对构件进行疲劳试验以及静强度试验。

实验室中有两台长春仟帮制

图3 力学高频疲劳机及材料板托

造的高频疲劳机，最大的施加的静载荷为50KN 以及100KN ，动载荷分别为25KN 以及50KN 。可以对板材和棒材进行试验。

复合材料试验件参数

冲击块

底座 压板

复合材料实验板材料是T300树脂，纤维体积分数60%，材料铺层方式是准各向同性：[45/90/-45,0]5s,单层厚度0.12mm，总共40层，板材长150mm，宽100mm，厚度是5mm，如下图3示意图。

图4 复合材料板

1.实验设计

1.1冲击试验参数的选取

a)冲击能量根据质量块的高度势能得到：

冲击能量可以用W=MgH来表示。M指冲击块的质量。H表示冲击块撞击头与材料板的距离。

根据5个不同高度得到不同的冲击能量，如下表所示：

冲击高度50mm 100mm 150mm 200mm 250mm

冲击能量4J 8J 12J 16J 20J

表1 高度与能量对应表

1.2凹坑深度以及冲击块高度测定过程

凹痕深度定义为从凹痕最低点到未受到凹痕扰动的表面之间的距离。做完一次冲击试验后，就要对凹坑深度进行测定。使用游标卡尺来测量凹坑深度。如果凹坑的宽度没有超过游标卡尺的宽度，这样就可以直接把游标卡尺竖起来利用尾端的深度测量功能来直接测量。若凹坑宽度超过了卡尺的宽度，这时候就需要辅助的直尺测量，先把直尺横在凹坑上方，然后再用卡尺测量凹坑底部到直尺上表面的距离，再将直尺的厚度减去，就得到凹坑的深度。

1.3冲击后拉伸强度计算

按下式计算冲击后拉伸强度

F

P

bt

其中：P冲击后拉伸强度MPa；F拉伸破坏载荷N；b试样宽度(mm)；t试样厚度(mm)。

1.4试验步骤

A.拿到复合材料试验板后对其长宽厚进行测量与校对。

B.在实验开始前，检查冲击试验装置是否完好。

C.样品编号，防止实验过程中把试样混淆。

D.将冲击试验台底座放置于冲击头下方，使其凹槽中心的圆孔与落锤同心。

E.将冲击试样放入冲击试验台底座的凹槽。

F.将压板置于试样上，并用4个螺栓固定。

G.确认所需冲击能量。

H.将落锤抬到一定的高度，进行冲击实验。