多尺度韧化碳纤维增强复合材料结构阻尼性能及叶片模拟件抗高速冲击性能研究

Regarding the deficient bird-strike resistance of the current composite fan rotor blades, the project is aimed at the research on the structure-damping property of interface/interlayer-multiscale toughened composites and the high-speed impact resistance of simulated blade specimens. By the introduction of ductile polymers to the fiber surfaces and composite interlayers, the interface and interlayer flexible layers could be formed. The formed multiscale flexible layers are capable of absorbing energy by sheer deformation, which could be utilized to synergistically dissipate the external impact energy, further enhancing vibration dampening property and impact resistance of the composites. Based on experimental methods and computational simulation, the damage mechanism under static load and vibration damping mechanism would be established for the interface/interlayer multiscale toughed composites. Furtherly, the primary mathematical correlations between the high-speed impact resistance of blades and the statistic mechanical property and structure damping property would be established. Expectedly, the project could provide some theoretical rules for the further bird-strike resistance enhancement of composite fan blades, and accelerate the application of composite fan blades.

针对目前复合材料风扇转子叶片抗鸟撞性能不能满足使用要求的现状，开展界面/层间多尺度韧化复合材料结构阻尼性能和叶片模拟件抗高速冲击性能的研究。通过将韧性高分子材料分别引入到碳纤维的表面和复合材料的层间，利用韧性复合材料界面柔性层和层间柔性层高的剪切变形吸能，协同耗散复合材料承受的外物冲击能，从而提高复合材料的振动阻尼性能和抗高速冲击性能。借助试验和模拟计算的方法，建立界面/层间多尺度韧化复合材料在静态力学载荷下的损伤机理，和多尺度韧化复合材料的振动阻尼机理；初步建立叶片抗高速冲击性能与静态力学性能的数理关联、叶片抗高速冲击性能与结构阻尼之间的数理关联。为进一步提高复合材料风扇转子叶片的抗鸟撞性能提供理论依据，支撑复合材料风扇转子叶片的型号应用。

对比研究纤维经过橡胶韧性涂层处理前后，EP0-0与EP0-1复合材料对Ⅰ型断裂韧性GIC和Ⅱ型断裂韧性GⅡC的影响；同时对比研究了纤维经过界面处理后，层间PEKC热塑性树脂的含量分别为5%、10%、15%和20%时， EP5-1、EP10-1、EP15-1和EP20-1复合材料对Ⅰ型断裂韧性GIC、Ⅱ型断裂韧性GⅡC的影响规律。结果表明纤维表面没有经过韧化涂层处理的EP0-0复合材料具有最低的Ⅰ型断裂韧性GIC、Ⅱ型断裂韧性GⅡC，经过界面韧化处理后EP0-1复合材料的GIC和GⅡC有明显的提高，随着层间韧性介质PEKC含量的增加，EP5-1、EP10-1、EP15-1和EP20-1复合材料的GIC和GⅡC逐渐增加。因此，界面和层间韧性材料能够有效阻止裂纹的层间扩展，复合材料具有更加优异的Ⅰ型断裂韧性GIC和Ⅱ型断裂韧性GⅡC。. 采用低速冲击试验测试复合材料的损伤面积和冲击后的压缩强度，随着纤维经过界面处理和热塑组分含量的上升，层间损伤面积逐渐减少，同时，冲击后压缩强度值也随之逐步提高。其中EP0-0的CAI值为133MPa，EP0-1、EP5-1、EP10-1、EP15-1、EP20-1的CAI分别较EP0-0提高了18%、51%、93%、104%和116%。. 开展了基于EP0-0、EP0-1和EP20-1三种复合材料叶片前缘典型件的制备及抗高速冲击性能研究。在本体树脂不变的情况下，对比了纤维界面韧化处理对EP0-0和EP0-1复合材料叶片前缘典型件抗高速冲击性能的影响；在纤维界面都经过韧化处理的情况下，对比了纤维层间负载韧性树脂对EP0-1和EP20-1复合材料叶片前缘典型件抗高速冲击性能的影响。结果表明：纤维界面和层间韧化处理后的复合材料典型件能够通过剪切变形，有效吸收其承受的高速冲击能量，同时减小振动振幅并降低损伤面积。