一种复合材料低速冲击示踪层

摘要

本发明是一种复合材料低速冲击示踪层，所述低速冲击示踪层是指在复合材料表面(1)贴覆的陶瓷薄层，功能是通过该陶瓷薄层受到低速冲击后的状态变化，来辨别复合材料相应冲击受损区域、冲击能量的大小及冲击后剩余压缩强度；该陶瓷薄层是非连续状的，陶瓷薄层是用单片陶瓷基片(2)拼贴而成，陶瓷基片(2)的厚度为0.1～0.5mm，面积为100～2500mm

说明书

技术领域

本发明是一种复合材料低速冲击示踪层，属于复合材料制造技术领 域。

背景技术

由于复合材料制件质量轻、强度高，因此在航空航天领域得到了广 泛的应用。其中在航空器方面，复合材料大量应用于战斗机与民机的机 翼蒙皮、机身、垂尾、副翼等结构件。飞机结构通常要满足结构完整性 的要求，其中包括静强度、刚度、耐久性和损伤容限要求。但是复合材 料对低速冲击具有敏感性，即复合材料制件受到低速冲击时，内部容易 发生层间开裂，复合材料内部已经存在大范围分层，且压缩强度急剧下 降时，但外表面可能仍然是目视不可检的，正是由于复合材料在此种情 况下的不可检性，使材料在应用过程中存在很大的危险性。因此，如何 使材料在低速冲击后以表面损伤状态来评价材料的内部损伤状况成为了 复合材料应用研究的重点之一。

传统的复合材料冲击损伤目视可检技术是采用具有1～4in的半球形 冲击头的落锤在试样表面进行冲击试验，通过落锤的质量和高度来调节 冲击能量。复合材料受到冲击后，测量冲击后复合材料表面凹坑深度， 如果冲击后凹坑深度大于1.3mm时，能够做到目视勉强可检冲击损伤。 但多数复合材料层合板冲击后凹坑深度没有达到这一数值时，冲击能量 已经达到很高，复合材料内部已经出现严重分层，剩余压缩强度大幅降 低，复合材料已经不能达到制件要求的力学性能要求。在复合材料受冲 击损伤失效前，目视勉强可检技术就不能有效地检测出复合材料的受损 状态。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术存在的不足而设计提供了一种复合材 料低速冲击示踪层，其目的是在复合材料表面涂覆陶瓷薄层，通过该陶 瓷薄层受到低速冲击后的状态变化，来辨别复合材料相应冲击受损区域、 冲击能量的大小及冲击后剩余压缩强度。

本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：

该复合材料低速冲击示踪层，其特征在于：所述低速冲击示踪层是

指在复合材料表面(1)贴覆的陶瓷薄层，功能是通过该陶瓷薄层受到 低速冲击后的状态变化，来辨别复合材料相应冲击受损区域、冲击能量 的大小及冲击后剩余压缩强度；

该陶瓷薄层是非连续状的，陶瓷薄层是用单片陶瓷基片(2)拼贴而 成，陶瓷基片(2)的厚度为0.1～0.5mm，面积为100～2500mm2，相邻陶瓷 基片(2)之间的间隙应小于0.2mm。

陶瓷基片(2)的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

当复合材料受到低速冲击时，表层的陶瓷基片会发生脱落、单个陶 瓷基片破损、单个陶瓷基片内产生裂纹等现象，这些现象容易被观察到， 通过这些现象就可以判定相应的复合材料表面受冲击的部位，并根据陶 瓷基片的损伤程度来判断复合材料相应表面经受的冲击能量、冲击面积、 冲击后剩余压缩强度，达到目视可检技术判断的要求。所以，所述低速 冲击示踪层起到了低速冲击示踪的作用。

所述复合材料的增强纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄 武岩纤维、天然植物纤维或上述纤维的混编体，纤维织物结构可以是单 向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物、无纬布、无纺布或非屈曲织 物，复合材料的树脂体系可以为环氧树脂、双马树脂、酚醛树脂、苯并 噁嗪树脂，复合材料的成型工艺可以是热压罐工艺、RTM工艺、VARI工 艺、RFI工艺、预浸料真空袋成型工艺。陶瓷基片采用以下材料制备：氧 化铝、氧化锆、碳化硅、钛酸钡。

附图说明

图1为陶瓷基片贴覆在复合材料表面上的形状结构示意

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，

实施例1

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用氧化铝材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.2mm，尺寸 为400mm²；

⑵复合材料预浸料铺层

将T300/AG80环氧基碳纤维预浸料按照[45/0/-45/90]4s铺层铺贴层 合板，铺贴完毕后，将陶瓷基片2铺贴于复合材料表面1，陶瓷基片2间 隙控制在0.2mm内，铺贴完毕后，封装；

⑶复合材料成型

在热压罐中按照130℃，30min->180℃，2h->200℃，2h工艺固化后 得到具有鳞状表面示踪层的复合材料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMASRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 发生脱落，周边陶瓷基片2未发生破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的损 伤区域相符，且受损区域容易被观察到，达到目视可检技术判断的要求。

实施例2

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用氧化锆材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.3mm，尺寸 为800mm2；

⑵复合材料预浸料铺层

T700单向碳纤维织物按照[45/0/-45/90]_3s铺层铺贴层合板，铺贴完 毕后，打真空袋加热定型。定型后，将陶瓷基片2铺贴于复合材料表面1， 基片间隙控制在0.2mm内，铺贴完毕后，再次打真空袋定型；

⑶复合材料成型

将预定型铺放在RTM模具中，注射双马来酰亚胺树脂。注射完毕后， 按照130℃，2h->150℃，2h->180℃，2h->200℃，10h工艺固化后得到 具有鳞状表面示踪层的复合材料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMA SRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 破损后残缺，周边陶瓷基片2未发生破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的 损伤区域相符，且受损区域容易被观察到，达到目视可检技术判断的要 求。

实施例3

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用钛酸钡材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.25mm，尺 寸为700mm²；

⑵复合材料预浸料铺层

将玻璃纤维织物/AG80环氧基预浸料按照[45/0/-45/90]4s铺层铺贴 层合板，铺贴完毕后，将陶瓷基片2铺贴于复合材料表面1，陶瓷基片2 间隙控制在0.2mm内，铺贴完毕后，封装；

⑶复合材料成型

在热压罐中按照130℃，30min->180℃，2h->200℃，2h工艺固化后 得到具有鳞状表面示踪层的复合材料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMA SRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 内部产生裂纹并与周边的陶瓷基片2间隙扩大，周边陶瓷基片2未发生 破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的损伤区域相符，且受损区域容易被观 察到，达到目视可检技术判断的要求。

实施例4

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用碳化硅材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.4mm，尺寸 为2000mm²；

⑵复合材料预浸料铺层

T800单向碳纤维织物按照[45/0/-45/90]_3s铺层铺贴层合板，铺贴完 毕后，打真空袋加热定型。定型后，将陶瓷基片2铺贴于复合材料表面1， 基片间隙控制在0.2mm内，铺贴完毕后，再次打真空袋定型；

⑶复合材料成型

将预定型铺放在VARI模具中，注射双马来酰亚胺树脂。注射苯并噁 嗪树脂。注射完毕后，按照180℃，2h->200℃，2h工艺固化后得到具有 鳞状表面示踪层的复合材料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMA SRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 破损后残缺，周边陶瓷基片2未发生破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的 损伤区域相符，且受损区域容易被观察到，达到目视可检技术判断的要 求。

实施例5

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用氧化铝材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.3mm，尺寸 为1000mm²；

⑵复合材料预浸料铺层

T300碳纤维平纹织物按照[（45/-45）/（0/90）]_4s铺层铺贴层合板， 铺贴完毕后，打真空袋加热定型。定型后，将陶瓷基片2铺贴于复合材 料表面1，基片间隙控制在0.2mm内，铺贴完毕后，再次打真空袋定型；

⑶复合材料成型

将预定型封装在RFI模具中，树脂体系为环氧树脂。在热压罐中按 照180℃，2h->200℃，2h  艺固化后得到具有鳞状表面示踪层的复合材 料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMA SRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 产生裂纹，周边陶瓷基片2未发生破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的损 伤区域相符，且受损区域容易被观察到，达到目视可检技术判断的要求。

实施例6

本发明技术方案按以下步骤进行：

⑴制备陶瓷基片

采用氧化锆材料制备陶瓷基片2，陶瓷基片2的厚度为0.25mm，尺 寸为500mm²；

⑵复合材料预浸料铺层

将IM7/AG80环氧基碳纤维预浸料按照[45/0/-45/90]_4s铺层铺贴层合 板，铺贴完毕后，将陶瓷基片2铺贴于复合材料表面1，陶瓷基片2间隙 控制在0.2mm内，铺贴完毕后，封装；

⑶复合材料成型

将封装好的预浸料放模压工装内，在压机上加压1.0MPa，按照130 ℃，30min->180℃，2h->200℃，2h工艺固化，脱模得到具有鳞状表面示 踪层的复合材料层合板。

上述陶瓷基片2的形状是正方形、长方形、三角形、梯形或六角形。

然后，按SACMA SRM 2-88标准对复合材料进行冲击后压缩强度（CAI） 测试，冲击能量为6.67J/mm，冲击后，层合板表面受冲击的陶瓷基片2 产生裂纹，周边陶瓷基片2未发生破坏。受冲击区域与陶瓷基片2的损 伤区域相符，且受损区域容易被观察到，达到目视可检技术判断的要求。

与现有技术相比，本发明将目视可检对象从不易观察的复合材料表 面凹坑转变为容易观察到的复合材料表层陶瓷基片的状态变化，这些状 态变化主要表现为陶瓷基片发生脱落、单个陶瓷基片破损、单个陶瓷基 片内产生裂纹等现象，这些现象容易被观察到，达到了复合材料受到冲 击后目视可检技术判断的要求。