在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法技术

本发明专利技术是一种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，适用于评价纤维增强树脂基复合材料在自然环境因素与低速冲击耦合作用下的环境适应性。本发明专利技术在加速环境试验之前首先引入1.5J/mm、4.5J/mm、6.7J/mm、9J/mm、17J/mm能量水平的冲击损伤，然后通过热老化、低温老化、湿热老化、紫外辐射、盐雾试验等5个阶段的循环加速试验，来对复合材料层压板进行环境适应性评价，较好地模拟了复合材料层压板受环境因素以及冲击损伤影响的过程和破坏机理，能更准确地评价复合材料层压板的环境适应性能，为预估复合材料层压板的寿命提供了加速试验方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，属于环境工程与试验

技术介绍
复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能好、力学性能可设计性强等一系列优点，是轻质高效的结构材料，但是由于使用环境的长期作用，复合材料依然会因吸湿老化、热(氧)老化、化学侵蚀等而出现力学性能的下降。为了考察复合材料的这一环境效应，传统上通常采用湿热试验、耐水性试验、热老化试验、低温试验、太阳辐射(或紫外老化)试验、介质老化试验等实验室环境试验方法来进行相应的环境适应性评价，它们在一定程度上再现了使用环境中显著因子的作用。然而，一方面，传统的复合材料环境试验方法没有考虑到复合材料构件在实际运输、储存、使用、维护和修理过程中经常会遭遇工具、冰雹、飞鸟、砂石等的冲击，引起基体破损、纤维断裂和层间分层等损伤，从而对吸湿老化、化学侵蚀等过程产生了加速效应；另一方面，传统的复合材料环境试验方法偏重于单因素的加速环境试验，忽略了多种环境因素的耦合效应以及环境因素与工况条件的耦合作用是造成复合材料力学性能衰减的重要因素。因此，如果延用传统的湿热试验、耐水性试验、介质老化试验等方法进行环境适应性评价会出现一定程度考核不足的问题。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供的一种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，其目的是使该方法更加贴近实际工况，并包含多种环境因素的综合加速效应。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，其特征在于：该方法的步骤是：步骤一、引入冲击损伤制备既定铺层方式与厚度的五组复合材料层压板试验件，采用落锤冲击的方法在试验件中心部位的垂直方向上引入冲击损伤，锤头为直径16mm的半球形，锤头重量为5.5Kg，五组试验件受到冲击的能量分别为1.5J/mm，4.5J/mm，6.7J/mm，9J/mm，17J/mm，冲击时的实验室环境温度为23℃±2℃；步骤二、加速环境试验将引入冲击损伤后的五组试验件放入70℃的烘箱中进行脱湿处理，直至每组试验件每天的重量损失不大于0.02％，然后对每组试验件进行如下5个阶段的循环试验；热老化试验阶段该阶段试验的温度为复合材料玻璃化转变温度以下至少25℃，持续时间1h～4h，之后在5min之内转入低温试验阶段；低温试验阶段该阶段试验的温度为-30℃～-70℃，持续时间1h～4h，之后在2h之内转入湿热试验阶段；湿热试验阶段该阶段试验的温度为60℃～85℃，相对湿度为70％R.H.～95％R.H.，持续时间10h～14h，之后在2h之内转入紫外辐射试验阶段；紫外辐射试验阶段该阶段试验的紫外辐照强度为0.89W/m2@340nm，辐照温度为60℃，辐照持续时间为4h～8h，之后在2h内转入盐雾试验阶段；盐雾试验阶段该阶段试验采用5％NaCl的中性溶液对试验件进行连续喷雾，环境温度为35℃，盐雾沉降率为1～2ml/h·80cm2，连续喷雾的持续时间为8h～12h；所述循环试验达到预期试验时间后停止。本专利技术采用引入冲击损伤的实验室环境试验方法来对复合材料层压板进行环境适应性评价，其技术特点是：在传统的实验室环境试验之前引入5种不同能量的冲击损伤，以反映实际复合材料构件服役过程中所经常遭遇的低速冲击损伤事件；在对复合材料自然环境老化机理进行充分研究的基础上，确定了复合材料实验室环境试验所需要再现的环境效应包括：热老化效应、低温效应、吸湿效应、光老化效应、盐雾效应等：在对实际复合材料构件典型服役环境条件进行调研和统计分析的基础上，确定了热老化试验、低温试验、湿热试验、紫外辐射试验、盐雾试验等的具体参数范围；冲击损伤加上多因素环境试验的组合较好地模拟了复合材料层压板受环境因素以及冲击损伤耦合作用的过程和破坏机理，能更准确地评价复合材料层压板的环境适应性能，为预估复合材料层压板的寿命提供了加速试验方法。具体实施方式：以下将结合实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述：针对某型装备的碳纤维增强环氧树脂基复合材料构件，与委托方商定评价构件环境适应性所需的试验时间为4800小时，可根据复合材料构件的实际情况选取下列试验条件和步骤：步骤一、引入冲击损伤按照某型装备的碳纤维增强环氧树脂复合材料构件的典型铺层方式：([45/0/90/0/45/0/90/0/0/-45/0/0/-45/-45/45/0]s)和典型厚度(4mm)，制备统一尺寸规格(150mm×100mm×4mm)的五组复合材料层压板试验件，每组5件。在引入冲击损伤前，将五组试验件放置在23℃±2℃的实验室环境中24h以上，然后采用落锤冲击试验机(INSTRON公司的CEAST9350冲击试验系统)对五组复合材料层压板试验件进行能量水平分别为1.5J/mm，4.5J/mm，6.7J/mm，9J/mm，17J/mm冲击试验，该试验机具有自动防止二次冲击装置，落锤是带有导轨的、重量为5.5Kg、直径为16mm的半球形锤头，在落锤冲击试验机上设置相应的冲击能量为各冲击能量水平乘以复合材料层压板试验件的厚度(4mm)。步骤二、加速环境试验用分析天平(梅特勒托利多公司的XP504型电子天平)称量五组已引入冲击损伤的复合材料层压板试验件的重量，重量精确至0.001g，并依次记录，然后将它们放入预先设置成70℃的高温箱(Espec公司的STPH-101M型温度试验箱)中进行脱湿处理，以后每24h称量五组试验件中每一个的重量，并计算它们的重量损失率，当试验件连续两天的重量损失率不大于0.02％时，开始准备对试验件进行如下5个阶段的循环试验。热老化试验阶段根据复合材料层压板试验件的玻璃化转变温度来设置热老化的具体温度，要求热老化温度至少低于复合材料玻璃化转变温度25℃，相应的玻璃化转变温度可通过查询材料手册或实测获得；然后根据复合材料构件的实际服役条件来设置适当的热老化持续时间，典型的热老化持续时间为1h，1h～4h范围的其它持续时间也可。在本实施例具体试验时，查询复合材料手册可知，碳纤维增强环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度约为125℃，因此将完成脱湿处理的五组试验件在10min之内放入已100℃的高温箱(Espec公司的STPH-101M型温度试验箱)内，待热老化试验稳定运行1h后，将五组试验件在10min之内转入低温试验阶段；低温试验阶段根据复合材料构件的实际服役条件来设置适当的低温老化温度，典型的低温老化温度为-55℃，-30℃～-70℃范围的其它温度也可；然后根据复合材料构件的实际服役条件来设置适当的低温老化持续时间，典型的低温老化持续时间为1h，1h～4h范围的其它持续时间也可。在本实施例具体试验时，在低温试验箱(Espec公司的PG-2G型低温箱)上设置-55℃的低温老化温度，待温度稳定后，将热老化试验后的五组试验件迅速放入低温箱内，待-55℃的低温试验稳定运行1h后，将五组试验件在5min内转入湿热试验阶段；湿热试验阶段根据复合材料构件的实际服役条件来设置适当的温度和相对湿度，典型湿热环境的温度为60℃，相对湿度为95％R.H.，60℃～85℃范围的其它温度也可，70％R.H.～95％R.H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，其特征在于：该方法的步骤是：步骤一、引入冲击损伤制备既定铺层方式与厚度的五组复合材料层压板试验件，采用落锤冲击的方法在试验件中心部位的垂直方向上引入冲击损伤，锤头为直径16mm的半球形，锤头重量为5.5Kg，五组试验件受到冲击的能量分别为1.5J/mm，4.5J/mm，6.7J/mm，9J/mm，17J/mm，冲击时的实验室环境温度为23℃±2℃；步骤二、加速环境试验将引入冲击损伤后的五组试验件放入70℃的烘箱中进行脱湿处理，直至每组试验件每天的重量损失不大于0.02％，然后对每组试验件进行如下5个阶段的循环试验；热老化试验阶段该阶段试验的温度为复合材料玻璃化转变温度以下至少25℃，持续时间1h～4h，之后在5min之内转入低温试验阶段；低温试验阶段该阶段试验的温度为‑30℃～‑70℃，持续时间1h～4h，之后在2h之内转入湿热试验阶段；湿热试验阶段该阶段试验的温度为60℃～85℃，相对湿度为70％R.H.～95％R.H.，持续时间10h～14h，之后在2h之内转入紫外辐射试验阶段；紫外辐射试验阶段该阶段试验的紫外辐照强度为0.89W/m2@340nm，辐照温度为60℃，辐照持续时间为4h～8h，之后在2h内转入盐雾试验阶段；盐雾试验阶段该阶段试验采用5％NaCl的中性溶液对试验件进行连续喷雾，环境温度为35℃，盐雾沉降率为1～2ml/h·80cm2，连续喷雾的持续时间为8h～12h；所述循环试验达到预期试验时间后停止。...

【技术特征摘要】
1.一种在复合材料层压板上引入冲击损伤的实验室环境试验方法，其特征在于：该方法的步骤是：步骤一、引入冲击损伤制备既定铺层方式与厚度的五组复合材料层压板试验件，采用落锤冲击的方法在试验件中心部位的垂直方向上引入冲击损伤，锤头为直径16mm的半球形，锤头重量为5.5Kg，五组试验件受到冲击的能量分别为1.5J/mm，4.5J/mm，6.7J/mm，9J/mm，17J/mm，冲击时的实验室环境温度为23℃±2℃；步骤二、加速环境试验将引入冲击损伤后的五组试验件放入70℃的烘箱中进行脱湿处理，直至每组试验件每天的重量损失不大于0.02％，然后对每组试验件进行如下5个阶段的循环试验；热老化试验阶段该阶段试验的温度为复合材料玻璃化转变温度以下至少25...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，汤智慧，高蒙，骆晨，孙志华，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11