纤维金属层板的开发和应用现状

随着我国航空航天领域器械的飞速发展,对该领域中结构件所用材料的综合性能及轻量化提出了新的要求。在过去几十年里,大型客机的市场需求不断扩大,刺激了新型材料的兴起,使材料向着高性能,轻质量发展。纤维金属层板是由铝合金与纤维预浸料交替铺层固化而成的层间混杂复合材料。纤维金属层板结合了金属与复合材料的优良特性,具有密度小、损伤容限优良、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。目前用于商业生产的金属纤维层压板(FMLs)多以基于芳纶纤维(ARALL)与基于高强玻璃纤维(GLARE)的层板为主。概括了纤维金属层板的制备前表面处理工艺,对其弯曲测试、拉伸测试、冲击测试和疲劳测试等力学性能的测试方法进行综述,同时对未来新型纤维金属层板的开发进行探究,为纤维金属层板的开发提供参考信息。     

纤维金属层板疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型

以纤维金属层板疲劳裂纹稳定扩展的特性为基础,提出了纤维金属层板等效裂纹长度（l0）的概念,导出了纤维金属层板疲劳过程中的有效应力强度因子方程,建立了纤维金属层板等幅疲劳下疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型。它不仅适用于中心裂纹,同时也适用于边缘裂纹。用唯象模型对2/1GLARE和3/2GLARE层板的CCT试样和SENT试样进行了寿命预测,并与试验结果进行了对比。当裂纹从锯切裂纹尖端扩展到试样宽度的80%时,对于GLARE层板的CCT试样,2/1GLARE层板的预测寿命与实测寿命之比为1.05,3/2GLARE层板的预测寿命与实测寿命之比为1.07.对于GLARE层板的SENT试样,预测寿命与实测寿命之比为1.12.唯象模型不仅预测结果可靠,精度高,而且都是解析运算,非常方便。唯象模型的提出使得纤维金属层板的疲劳裂纹扩展速率和寿命的预测变得跟金属材料一样方便,因此具有重要的工程应用价值。     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

GLARE层板低速冲击的实验与模拟

研究玻璃纤维增强铝合金层合板(glass fiber reinforced aluminum laminates,GLARE)在落锤低速冲击下的材料行为,建立ABAQUS有限元模型进行模拟并对其进行实验验证。针对纤维金属基体材料的特点,采用连续损伤模型(continuous damage model,CDM)分别给予落锤6.22 J、12.38 J和14.46 J的冲击能量,在ABAQUS中对模型设置相应的边界条件和载荷,得出落锤下落方向的速率-时间曲线和能量损耗曲线图。考虑金属层与复材层间黏结层的作用,采用凝聚层(cohesive)将金属层和复合材料层粘接。在仿真中观察层间的纤维和基体拉伸和压缩损伤状态及破坏情况,并与实验得出结果进行对比。结果显示:有限元仿真可以准确模拟落锤冲击之后GLARE板背面的裂纹和鼓包的实效情况以及基体和纤维的损伤情况,很好地预测复合材料内部的损伤情况。     

新型纤维金属混合层板结构的疲劳裂纹扩展与分层行为

为了研究一种新型混合层板的损伤容限性能,针对两种铺层混合层板结构进行了应力比R=0.1,-1下两种锯切缺口尺寸试样的疲劳裂纹扩展试验,对比分析了获得的裂纹扩展a-N曲线数据,并通过对试样进行腐蚀去层,研究了层板的各层分层形态。结果表明,在应力比R=0.1时该新型混合层板疲劳裂纹扩展性能明显优于铝合金板;预浸料两侧添加胶膜比不添加胶膜会导致较好的疲劳裂纹扩展性能;由于裂纹桥接机制作用,锯切缺口尺寸较短层板试样比较长层板试样有较好的裂纹扩展性能;层板中心层铝板较其它层铝板裂纹扩展明显滞后;内层铝板与预浸料间沿裂纹方向呈近似三角形分层。     

玻璃纤维增强铝合金层板连接孔挤压性能实验研究

为研究玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)在挤压载荷作用下的损伤起始、演化方式和失效特点,采用超声C扫描、断面分析和扫描电子显微镜对三种铺层方式的GLARE层板单钉双剪实验进行观测。对挤压载荷下层板损伤起始和演化进行了观察对比,分析了铺层方式对层板挤压失效过程和破坏模式的影响。对实验中观察到的金属塑性变形、纤维屈曲、基体开裂、分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。实验表明,挤压初始阶段,GLARE层板主要由铝合金承载,铝合金进入塑性之后,层板承载特性、损伤过程及最终破坏模式主要受纤维铺层方式影响。     

单向GLARE层板受轴向拉伸载荷的应力分析

针对单向GLARE层板受轴向拉伸载荷问题,采用经典层合板理论,建立了GLARE层板的简化模型,推导出该模型的应力解析表达式,同时给出了屈服强度的解析表达式和简化表达式。对比发现,简化表达式可以达到相当高的精度,能够满足工程设计要求。     

两种典型铺层玻璃纤维复合材料的拉伸力学行为

利用电子万能实验机及分离式Hopkinson拉杆对玻璃纤维增强复合材料S4C9-1200/SY14的两种不同铺层角度层合板([0]16和[±45]4S)进行了应变率为10-3～103s-1下的单轴拉伸力学性能测试。从应力应变曲线和试样破坏断口分析了材料的应变率效应、纤维损伤和界面脱粘损伤。实验结果表明:[0]16层板破坏时表现出典型的不规则脆性破坏,纤维的损伤具有初始门槛值,而纤维的强化存在应变率门槛效应。[±45]4S层板主要破坏方式是纤维与基体的脱粘,损伤发展近似线性。应变率高于强化门槛时,[±45]4S层板表现出极强的应变率依赖性,极限强度能提高10%～50%。     

GLARE加筋壁板弹头冲击数值仿真分析

采用ESI公司的PAM-CRASH软件进行GLARE材料加筋壁板的弹头冲击损伤数值仿真分析.运用CDM模型,最大应变准则,JOHNSON-COOK本构模型建立了合理的纤维金属层板分析模型,利用国外试验数据对模型进行验证,在结果可靠的前提下分析了GLARE材料加筋壁板不同位置抗冲击性能的差异,计算结果表明,蒙皮背面的损伤要大于正面,且越靠近筋条的位置,结构件的抗冲击性能越好.     

面向高速铺放预浸料层间粘结性能研究

为了研究自动铺放过程中预浸料层间粘结性能与铺放工艺的关系,自行设计了一套模拟高速铺放过程的预浸料粘结性能测试系统,采用自动铺放和剥离实验分开进行的"两步法"作为粘结性能的测试方法。利用该测试方法研究了CCF300/BA9916-2环氧树脂预浸料的自动铺放粘结性能工艺特性,采用单因素实验,研究了不同铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响规律,并运用正交实验,确定了各铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响程度。实验结果表明,预浸料层间粘结性能随着铺放压力和铺放温度的增大而增大,随着铺放速度的增大而减小。铺放温度对预浸料层间粘结性能影响最为显著,其次为铺放压力,铺放速度影响最小。     

EFFECT OF OVERLOAD ON CRACK GROWTH IN FIBER REINFORCED METAL LAMINATES

Ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓ（ＦＲＭＬｓ）ａｒｅａｇｒｏｕｐｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｂｙｂｏｎｄｉｎｇｔｈｉｎｍｅｔａｌｓｈｅｅｔｓｗｉｔｈｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［１３］,ｔｙｐｉｃａｌｙｗｉｔｈ２／１ｌａｙｕｐ...     

薄层复合材料螺栓连接结构渐进失效机制试验研究

分别采用单搭接结构和双搭接结构研究了薄层复合材料层压板螺栓连接接头准静态拉伸加载渐进挤压损伤失效的过程。通过中断测试的方法利用X射线Micro-CT和扫描电镜（SEM）观察了拉伸加载过程中薄层层压板连接区域在特殊加载位置的损伤形式和变形特征。结果显示薄层层压板渐进失效过程主要损伤形式和传统厚度复合材料层压板相比基本一致,主要包括纤维断裂、基体开裂、纤维扭折和纤维/基体脱胶。然而,在传统厚度层压板复合材料中常见的失效方式即在挤压失效平面区域和拉伸失效平面区域广泛存在的分层损伤并未出现,这主要是薄层复合材料对初始损伤裂纹有效抑制的结果。由于损伤抑制作用,薄层层压板可在加载过程中承受更高的挤压载荷,具有更大的损伤容限。     

复合材料层合板在动态变温情况下断裂韧性的研究

在室温至６５℃环境下,采用ＷＥＫ 断裂模型预测玻璃布－ 环氧层板材料的动态断裂韧性, 给出了具体的实验测试步骤和理论分析方法,同时测定了单边切口拉伸情况下的断裂功。结果表明,温度、加载速率的改变对玻璃布－ 环氧层板材料的断裂性能有明显的影响。还分析了在不同温度、不同加载速率条件下玻璃布－ 环氧层板材料的破坏过程及内部损伤情况。     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

玻璃纤维增强铝锂合金层板单峰过载疲劳寿命性能对比研究

为了研究铝锂合金、纤维金属层板(玻璃纤维增强铝锂合金2/1层板及3/2层板)材料不同加载下的疲劳寿命性能特点,对每种材料进行疲劳寿命试验。通过对每种材料试样施加不同循环特征的循环应力(恒幅循环应力(应力比R=0.06)、单峰拉伸过载、单峰压缩过载),共获得了9种应力-寿命试验数据。使用样本信息聚集原理,拟合出了各材料的P-S-N曲线。通过比较相同材料不同加载方式及相同加载方式不同材料下S-N曲线的差异,结果表明:拉伸过载下3种材料均表现出过载迟滞效应;压缩过载下合金材料表现出加速破坏效应,层板材料表现出一定的延迟效应;不同结构层板之间疲劳性能的优劣与其所受远程应力的大小有一定关系。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究

为研究复合材料不同铺层结构的抗冲击性能,采用碳纤维预浸料制备了单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层2种不同结构的碳纤维复合材料层压板,并使用Instron 9250落锤冲击测试仪测试其低速冲击性能,得到了载荷-时间曲线,分析了2种不同铺层方式的复合材料层压板的低速冲击加载力学性能,得到复合材料层压板的破坏形态来分析其破坏方式。结果表明:2种铺层方式产生了不同的破坏模式,正交[0/90]2s的复合材料层压板的抗低速冲击能力要优于单向[0°]8铺层的。