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1、第26卷第4期航空材料学报Vol.26,No.42006年8月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSAugust2006聚合物基复合材料中孔隙率及层间剪切性能的实验表征1221刘玲,张博明,王殿富,武湛君(1.同济大学航空航天与力学学院,上海20092;2.哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨150001)摘要:在不同固化压力条件下制作孔隙含量不同的层合板。将层合板进行超声C扫描以识别孔隙率分布不同的区域,然后再将孔隙率分布相对均匀的区域进行超声波二次穿透反射法检测以精确测量孔隙的含量,并取试样测量孔隙的体积含量
2、和测试层间剪切性能(ILSS)。结果表明,在孔隙率低于4%时,孔隙率与层间剪切性能基本成线性关系,并且孔隙率每增加1%,层间剪切性能约下降8%。从而建立起层合板中孔隙率与层间剪切性能的定量表征关系。关键词:孔隙率;层间剪切性能;超声检测;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:100525053(2006)0420115204孔隙问题是多聚物复合材料工艺中普遍存在增强复合材料是不均匀各向异性材料,超声衰减相的问题。其形成原因主要是材料存放过程中的吸湿对较高,因此,建立起材料中最大的可接受的超声衰作用和铺层操作对空气的机械
3、夹杂作用。一般说减系数来代替孔隙含量是可行的。来,纤维增强树脂基复合材料中的孔隙率,主要取决本工作设置一系列固化压力来制备层合板,并于制造技术和固化方法。孔隙率的出现对材料的层根据层合板的不同区域得到较宽范围的孔隙率,并间剪切性能有着显著的影响,同时也对压缩强度、抗就孔隙率对碳纤维复合材料层间剪切强度的影响进[1-8]冲击性能和疲劳寿命有重要影响。孔隙是材料行实验研究。选择短梁剪切试验的原因是试样尺寸所不期望得到的内部缺陷,在复合材料加工中应该比较小,容易从层合板中孔隙率分布均匀的区域选尽量减少或去除。但对所有纤维-树脂系统,从复取。
4、合材料中完全去除孔隙是不可能的,因此必须考虑[2]1实验方法孔隙率对复合材料力学性能的影响。前人的研究表明,不管是采用实验方法测定还1.1材料与层合板制备是采用理论模型预测孔隙率对复合材料力学性能的原料为T700/TDE85环氧碳布预浸料(哈尔滨影响,其共同点都是力学性能随着孔隙率的增加而玻璃钢研究院制),纤维体积分数为58%～62%,预下降,但具体影响的数值却不一样,表现为孔隙率对浸料、纤维和树脂的密度以及固化温度周期均由厂[1-8]力学性能的影响离散性大,重复性差。因此,为商提供。采用热压罐成型工艺生产复合材料层合了表征某种材料中
5、孔隙率对力学性能的影响,应该板。热压罐固化压力历程设为0.1～0.8MPa。每块通过可靠的实验来确定复合材料中可接受的孔隙率板设计为12层([0,90]3s),手工铺层,尺寸约为水平。300mm×300mm×2mm。固化后板的厚度在2.0～为了进行质量控制,必须对复合材料结构件中2.4mm。的缺陷进行检测。超声检测是复合材料中缺陷检测1.2超声C扫描的最常用的无损检测技术。该技术能检测到复合材将实验制作的每块层合板进行超声C扫描,以料中的脱层、孔隙及夹杂物等典型缺陷。而碳纤维确定孔隙率均匀分布的区域。然后再将每块板中孔隙率分布相对均匀
6、的区域取样进行二次扫描,扫描收稿日期:2004203206;修订日期:2005211215方式为水浸二次穿透反射法(如图1所示),主机为作者简介:刘玲(1973—),女,博士,(E2mail)Liuling@hit.SONIC2138VFD,扫描工作频率为5MHz。扫描图像edu.cn与试样尺寸为1∶1。116航空材料学报第26卷图1超声波二次穿透反射法示意图Fig.1Mapofultrasonicdouble2through2transmissiontech2nique1.3孔隙率测量在经过二次扫描的每块C扫描板中,分别取5图2孔隙
7、率分布均匀的C扫描图片个试样,根据国标GB1463—88测定试样密度,再根Fig.2C2scanshowingareaswithdifferentporosity据ASTM3171和国标GB3855—83测定树脂含量,(a)017MPa;(b)014MPa;(c)012MPa;(d)011MPa最后计算得到每块板的平均孔隙率。计算公式为:WrWf面光滑的层合板,其前后表面的超声衰减与层合板Vv%=100-ρm+(1)ρrρf情况无关,对同种材料不同厚度的层合板而言,一般其中,Vv%为孔隙体积百分含量,ρm为碳板的为一个常数。实际上,可
8、以假设通过层合板厚度方密度,Wr和Wf分别为树脂和纤维的重量百分数,ρr向的超声衰减At(dB)与层合板厚度t(mm)和衰减和ρf分别为树脂和纤维的密度。系数a(dB/mm)呈线性关系,即:1.4层间剪切性能测试At=α
