碳/環氧復合材料橫管開裂失效分析

萬 蕾，孫 璐，李 晶，楊耀東

(北京衛星制造廠，北京 100094)

0 引言

碳/環氧復合材料相比于金屬材料密度小、比強度和比剛度高，并且在真空條件下質損率低、熱膨脹系數小，更加符合現代航天器的要求，被廣泛應用于航天領域中的衛星天線、衛星本體、太陽電池陣基板結構等航天器重要組成部分［1］。目前國內外對碳/環氧復合材料的研究集中在對其制備成型工藝、缺陷的無損檢測方法(主要為聲發射、超聲波C 掃檢測)，以及孔隙、分層等缺陷對其性能影響的研究，在航天領域，主要針對碳/環氧復合材料的應用以及與空間環境的交互作用等進行了相關研究［2-8］。但針對具體復材構件中的孔隙率等缺陷的控制標準的研究尚不夠深入。

衛星天線結構為驗證其展開功能和承載能力，在其研制過程中需經歷多次展開、收攏和力學試驗，使其承受循環載荷、壓彎組合變形、振動等復雜的力學環境。該天線結構在完成收攏狀態力學振動試驗后，進行第60 次展開試驗的過程中，其重要組件橫管發生了折損。該橫管為碳/環氧復合材料，橫管長1 492.7 mm、壁厚0.6 mm、內徑(24±0.05)mm，該橫管采用7 層鋪層結構，5 層纏繞層(±15°層和90°層)和2 層鋪覆層(0°層)。纏繞層采用M40JB-6K 碳纖維絲束浸漬環氧樹脂通過纏繞工藝制備。

本研究通過失效件與比對件的彎曲試驗、宏觀觀察、微觀觀察、金相分析，確定橫管的失效模式，并對其失效原因進行分析，同時提出后續解決措施建議。

1 試驗過程與結果

1.1 失效橫管宏觀觀察

對分解下來的失效橫管進行目視觀察，其宏觀形貌如圖1 所示。橫管發生了向下彎曲變形開裂，彎曲角度約25°，圓管變形呈扁平狀，斷裂處的裂紋沿鋪層方向擴展，彎曲部位內側表面約3/4 周范圍存在斷裂及層間開裂現象(圖1b)，斷裂處附近沿軸向長約40 mm(彎裂處兩側各約20 mm)的范圍內可見不同程度的層間開裂現象，斷裂處纖維束參差不齊，部分呈翹起、錯位狀態;而斷裂處彎曲外側表面1/4 周范圍未見明顯裂紋及層間開裂現象。此外，橫管分解下來后在卸載狀態下極易恢復原有狀態，以上宏觀形貌特征表明橫管具有典型的彎曲破壞特征。采用游標卡尺對失效橫管壁厚進行測試，結果為0.61～0.70 mm，符合設計要求。

圖1 失效橫管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure transverse pipe

1.2 三點彎曲試驗

由于失效部位主要是受到彎矩作用而發生的破壞，為了考核失效橫管其他部位的彎曲性能，在失效橫管未開裂區域和比對橫管(同種加工工藝，未使用橫管)上分別截取部分試件進行三點彎曲性能試驗，加載后試件發生彎曲變形，卸載后試樣彎曲破壞位置趨向恢復原態。對試驗后的2個三點彎曲試件分別進行宏觀形貌觀察，可見，其宏觀形貌基本一致，且與失效件破壞特征基本相同。2 個彎曲試樣的彎曲性能測試結果如表1 所示，結果表明失效橫管未開裂區域與比對橫管三點彎曲破壞載荷相當，未見明顯差異。

表1 三點彎曲試驗結果Table 1 Results of three-point bending test

1.3 斷口微觀觀察

1)彎曲試驗件裂紋斷面。

分別對2 個彎曲試驗件(失效橫管未開裂區域和比對橫管)裂紋斷面進行微觀形貌觀察。2件彎曲試驗件裂紋斷面的微觀形貌較相似，未見明顯的氣孔、貧膠區等原始材料缺陷，樹脂聚集區為脆性斷裂特征，樹脂基本連續且呈臺階、波紋輻射狀及鋸齒斷裂形貌，邊緣棱角分明，樹脂與纖維的結合界面區域未見明顯異常，纖維間的樹脂較充盈，呈臺階及鋸齒狀，棱角分明(圖2)。

2)失效件裂紋斷面。

失效橫管裂紋斷面分為源區、源區附近緩慢擴展區及失穩快速擴展區3 部分，其微觀形貌如圖3 所示。其中失穩快速擴展區的斷裂形貌與彎曲試驗件裂紋斷面形貌相似，源區及附近緩慢擴展區形貌則存在顯著差異，主要表現在:樹脂富集區斷面由于受到多次往復彎曲、磨損變得更為平滑，原來的臺階、鋸齒狀斷面呈現彎曲、磨損形貌，斷面變窄，邊緣變得較為圓滑;纖維間樹脂大面積缺失，殘留的樹脂呈斷續狀，原始的臺階及鋸齒狀消失，斷面變得非常圓滑。

1.4 金相分析

在失效橫管及比對橫管上分別取樣制備成金相試樣進行內部結構觀察，結果表明2 個試樣橫截面上均可見7 層明顯鋪層、纖維分布較均勻，未見明顯分層及層間開裂現象，但均存在少量孔隙(圖4、圖5 中黑色區域)。

圖2 彎曲試驗件開裂面微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture surface

圖3 失效橫管裂紋斷面微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface (Failure transverse pipe)

圖4 比對橫管的截面形貌Fig.4 Transversal morphology of comparison specimen

圖5 失效橫管的截面形貌Fig.5 Transversal morphology of failure pipe

采用圖像分析儀對2 個試樣纖維體積含量及孔隙率分別進行測試(表2)，結果表明，2 個試樣的纖維體積含量均符合設計要求(≥55%)。此外，軍品用樹脂基復合材料的孔隙率要求一般小于2%，失效件與比對件的孔隙率均在此范圍內，但失效件胡孔隙率較比對件明顯偏高，且圖5 顯示出個別的孔隙較大。

表2 纖維體積含量及孔隙率測試結果Table 2 Results of fiber volume fraction and porosity percentage

2 分析與討論

通過以上測試結果表明:1)失效橫管和比對橫管結構未見明顯差異，均為7 層鋪層結構，纖維體積含量、孔隙率、壁厚均符合要求，但失效件的孔隙率明顯高于比對件;2)失效橫管與比對橫管的三點彎曲破壞載荷大致相同。

宏觀破壞形貌觀察結果表明:失效橫管與三點彎曲試驗件的宏觀破壞形貌相似，均具有典型的彎曲破壞特征。內側受壓面發生層間開裂和局部斷裂現象，彎曲外側受拉面未見明顯層間開裂及斷裂現象。

破壞部位的微觀觀察結果表明:失效橫管失穩快速擴展區的斷裂特征與比對件三點彎曲斷口特征較一致，而與源區及附近擴展區的形貌存在明顯差異，具體表現在樹脂富集區和纖維間樹脂的斷裂特征:1)快速擴展區的樹脂富集區樹脂基本連續，且呈臺階、波紋輻射狀及鋸齒斷裂形貌，邊緣棱角分明;而源區及附近區域的樹脂富集區斷面由于受到多次反復彎曲作用及磨損，斷面變得更為平滑，原來的臺階、鋸齒狀斷面呈現彎曲、磨損及脫落形貌，斷面寬度變窄，邊緣變得較為圓滑，部分界面不清晰;2)快速擴展區纖維間的樹脂較充盈、連續，呈臺階及鋸齒狀，棱角分明;而源區及附近區域樹脂大面積缺失，殘留的樹脂呈斷續狀，原始的臺階及鋸齒狀消失，斷面變得非常圓滑。

上述結果表明，橫管在第60 次試驗之前已經發生鋪層層間損傷及局部開裂或斷裂。由于經過了多次反復的應力作用，源區狀態已發生變化，已無法判定源區是否有原始缺陷存在。但碳/環氧復合材料橫管在制備過程中不可避免會存在一定的氣孔缺陷，且失效件明顯高于比對件。當其在后續進行收攏態振動及反復展開、收攏試驗的過程中，橫管承受循環載荷、壓彎組合變形、振動等復雜的力學環境，在應力作用下開始萌生裂紋并逐步發生擴展，尤其是在反復展開、收攏的試驗過程中，橫管在反復加載的軸向壓縮-彎曲載荷的作用下發生彎曲變形，在變形集中區缺陷發生擴展并逐步形成分層開裂損傷，使局部區域剛度下降，在后續使用中分層開裂損傷進一步加劇，導致橫管的整體剛度逐漸下降，最終在第60 次展開試驗中發生彎曲失穩破壞［9-14］。橫管在未使用時以及試驗過程中均采用接觸式脈沖超聲無損檢測方法對其可能存在的分層缺陷、脫粘、開裂、彌散性缺陷等進行檢測，但由于碳/環氧復合材料橫管為薄壁、大曲率結構，對缺陷敏感性高，準確檢測難度較大，現有的孔隙率控制標準是否適用值得研究。因此，建議今后開展對碳/環氧復合材料橫管無損檢測方法的研究，提高檢測靈敏度的同時建立適合碳/環氧復合材料橫管的缺陷評價規范，有效識別出碳/環氧復合材料橫管在使用過程中的安全隱患。

3 結論與建議

1)失效件的破壞模式為彎曲破壞，失效件在第60 次試驗之前已經發生鋪層層間損傷及局部開裂或斷裂。

2)收攏、展開過程中橫管在反復加載的軸向壓縮-彎曲載荷的作用下發生彎曲變形，在變形集中區缺陷發生擴展并逐步形成分層開裂損傷，使局部區域剛度下降，在后續使用中分層開裂損傷進一步加劇，導致橫管的整體剛度逐漸下降，最終在第60 次展開試驗中發生彎曲失穩破壞。

3)失效件的孔隙率明顯高于比對件，建議今后開展對碳/環氧復合材料橫管無損檢測方法的研究，提高檢測靈敏度的同時，建立研究并建立適合碳/環氧復合材料橫管的缺陷評價規范，有效識別出碳/環氧復合材料橫管在使用過程中的安全隱患。

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