惠雪梅 ,張 崗 ,侯 曉 ,崔 紅 ,張承雙 ,包艷玲

（1.西安航天復(fù)合材料研究所,西安 710025；2.陜西省航天復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710025；3.航天動(dòng)力技術(shù)研究院,西安 710025；4.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司,北京 100048）

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，不僅承受各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的外加載荷（如彎曲、軸壓、扭轉(zhuǎn)等），還要經(jīng)受推進(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫（>3000 ℃）、高壓（>6 MPa）、高速（>1200 m/s）的聯(lián)合作用以及高溫氣流的燒蝕、沖刷和熱沖擊[1-3]。這種力熱結(jié)合、內(nèi)外同時(shí)加載的空中飛行環(huán)境，要求燃燒室殼體材料不僅具有高比強(qiáng)度和高模量，還需開發(fā)外防熱材料以降低發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的消極質(zhì)量，緩解“氣動(dòng)加熱”對(duì)燃燒室殼體造成的熱損傷[4-7]。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有高比強(qiáng)度和比模量、密度小、設(shè)計(jì)先進(jìn)性、良好的抗疲勞和抗震性、易于大面積成型等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[8-10]。氰酸酯樹脂（CE）作為一種新型耐高溫?zé)峁绦詷渲哂辛W(xué)性能優(yōu)良、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、內(nèi)應(yīng)力低、濕熱尺寸穩(wěn)定性好、成型工藝良好等優(yōu)點(diǎn)，在高性能結(jié)構(gòu)件、高性能雷達(dá)天線罩、隱身材料、高頻高速印刷電路板和通訊衛(wèi)星等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11-12]。纖維纏繞殼體在制造過程中不可避免地出現(xiàn)空隙、脫膠、分層、氣泡或孔洞、表面損傷等缺陷[13]，這些缺陷的存在，使得材料和構(gòu)件在受載和振動(dòng)等外界環(huán)境作用下，在使用過程中出現(xiàn)基體失效、纖維斷裂、纖維-基體界面脫粘、分層等損傷[14-15]，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，需要一種有效的損傷監(jiān)測(cè)手段，確保纖維纏繞殼體的結(jié)構(gòu)完整性和使用安全性。聲發(fā)射（AE）技術(shù)是通過監(jiān)測(cè)材料結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下突然釋放的應(yīng)力波，判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷部位、損傷類型、損傷程度和損傷機(jī)理等[16-18]，是在出現(xiàn)嚴(yán)重破壞前預(yù)測(cè)將發(fā)生損傷區(qū)域的理想方法，可為評(píng)價(jià)復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)完整性提供重要信息。

本工作采用干法纏繞工藝制備結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm復(fù)合材料殼體，其中結(jié)構(gòu)層采用T700 碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料，防熱層采用復(fù)合防熱結(jié)構(gòu)，結(jié)合聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)和水壓實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體的應(yīng)變變化規(guī)律和損傷類型，預(yù)測(cè)殼體在內(nèi)壓作用下的破壞位置和承壓能力。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

碳纖維：T700SC-12K，日本東麗碳纖維有限公司；芳綸纖維：F-3 型，中藍(lán)晨光研究院；改性氰酸酯樹脂（代號(hào)BA224）（Tg=230 ℃），自研；結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 復(fù)合材料殼體：自研。

1.2 ?480 mm 復(fù)合材料殼體制備

首先采用預(yù)浸漬工藝制備T700CF/BA224 和國(guó)產(chǎn)F-3/BA224 復(fù)合材料預(yù)浸膠帶，然后采用干法纏繞工藝制備結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體，結(jié)構(gòu)層采用縱向和環(huán)向交替纏繞，防熱層采用環(huán)向纏繞，最后經(jīng)固化、脫模后分別進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 測(cè)試裝置

圖1 為結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 復(fù)合材料殼體的水壓實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)變位置和傳感器排布如圖2 所示。

圖1 ?480 mm 復(fù)合材料殼體測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for ?480 mm composite shell

圖2 ?480 mm 復(fù)合材料殼體應(yīng)變和傳感器分布圖Fig.2 Distribution diagram of strains and sensors for ?480 mm composite shell

1.3.2 水壓實(shí)驗(yàn)

水壓實(shí)驗(yàn)包括內(nèi)壓檢驗(yàn)和水壓爆破，參照QJ1392A—2005《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體內(nèi)壓試驗(yàn)方法》進(jìn)行，充壓介質(zhì)為潔凈水。水壓內(nèi)壓檢驗(yàn)加載程序?yàn)? MPa→1 MPa→2 MPa……→9 MPa（30 s）→8 MPa（30 s）→10 MPa→0 MPa，每1MPa 跟蹤記錄1 次?480 mm 復(fù)合材料殼體的環(huán)向應(yīng)變（點(diǎn)5、7、9）和軸向應(yīng)變（點(diǎn)6、8、10）。水壓爆破實(shí)驗(yàn)加載程序?yàn)? MPa→1 MPa→2 MPa……→直至爆破。

1.3.3 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

參照QJ2914—1997《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件聲發(fā)射檢測(cè)方法》，加載程序?yàn)? MPa→1 MPa→2 MPa……→9 MPa（穩(wěn)壓30 s）→8 MPa（穩(wěn)壓30s）→10 MPa→卸載（0 MPa），采用32 通道DiSP 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，主要技術(shù)參數(shù)為：探頭中心頻率150 kHz，門檻65 dB，前置放大器增益為40 dB，聲發(fā)射傳感器放置在殼體圓筒段赤道處，標(biāo)記為通道1、2、3、4（如圖2 所示，通道1、2 位于殼體圓筒段前赤道處，通道3、4 位于殼體圓筒段后赤道處），接觸表面涂凡士林耦合劑，用松緊帶繃緊加以固定，確保傳感器不脫落。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體應(yīng)變分析

在水壓內(nèi)壓檢驗(yàn)過程中，主要跟蹤并監(jiān)測(cè)殼體圓筒段靠近前赤道處（點(diǎn)5 和點(diǎn)6）、圓筒段中點(diǎn)（點(diǎn)7 和點(diǎn)8）、圓筒段靠近后赤道處（點(diǎn)9 和點(diǎn)10）的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的變化情況，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-壓強(qiáng)曲線如圖3 所示。由圖3 可知，殼體圓筒段的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變與壓強(qiáng)基本呈線性關(guān)系，均隨著壓強(qiáng)的升高而增大。在穩(wěn)壓過程中，應(yīng)變隨著壓強(qiáng)的減小而降低，隨后又隨著壓強(qiáng)的升高而增大。等壓強(qiáng)條件下，殼體筒段中點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變最大、軸向應(yīng)變最?。欢捕慰拷?、后赤道附近的環(huán)向應(yīng)變最小、軸向應(yīng)變最大。當(dāng)壓強(qiáng)增壓至10 MPa 時(shí)，殼體圓筒段最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)?.25×10–3，位于筒段中點(diǎn)；最大軸向應(yīng)變?yōu)?.104×10–3，位于圓筒段靠近后封頭赤道處。這與殼體內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)過程中的受力方式緊密相關(guān)。在內(nèi)壓作用下，筒段中點(diǎn)主要受拉伸應(yīng)力作用，而筒段靠近前后赤道位置附近受邊緣效應(yīng)的影響，除受拉伸應(yīng)力外，還受壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用。

圖3 結(jié)構(gòu)-防熱一體化?480 mm 復(fù)合材料殼體圓筒段應(yīng)變-壓強(qiáng)曲線（a）環(huán)向應(yīng)變；（b）軸向應(yīng)變Fig.3 Strain-pressure curves of cylinder section of ?480 mm structure-heat protection integrated composite shell（a）hoop strain;（b）axial strain

2.2 結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體聲發(fā)射特征

常用聲發(fā)射（AE）特征參數(shù)有：總計(jì)數(shù)（振鈴計(jì)數(shù)和事件計(jì)數(shù)）、能量、振幅、持續(xù)時(shí)間和費(fèi)利西蒂比（Felicity ratio）等。結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 復(fù)合材料殼體內(nèi)壓加載曲線和AE 特征曲線如圖4 所示。在內(nèi)壓加載過程中，采集的總撞擊數(shù)（Hits）為40358，總振鈴計(jì)數(shù)（Counts）為270676，累積能量（Energy）為841078。由圖4（a）、（b）和（c）可見，0～2 MPa 加載時(shí)，沒有出現(xiàn)AE 信號(hào)，累積能量為0；加載至3 MPa 時(shí)，開始出現(xiàn)AE 信號(hào)并逐漸增強(qiáng)，撞擊數(shù)逐漸增多，累積能量緩慢增至15000；加載至3.5 MPa 時(shí)，AE 信號(hào)出現(xiàn)早期高峰（Hits=255），累積能量增至200000，預(yù)示著碳纖維絲束間基體樹脂開裂，這是由復(fù)合材料在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生彈性變形引起的。繼續(xù)加載，依次出現(xiàn)Hits 不等的AE 信號(hào)，累積能量增大，6 MPa 時(shí)出現(xiàn)次高峰（Hits=225），隨后AE 信號(hào)逐漸減弱，加載至9 MPa 時(shí)，累積能量達(dá)到770000。由9 MPa 卸載至8 MPa 并穩(wěn)壓時(shí)，AE 信號(hào)消失，累積能量保持不變。二次加載至9 MPa 后，AE 信號(hào)再次出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，10 MPa時(shí)累積能量增至840000 后保持不變；再次卸載至0 MPa 后，AE 信號(hào)減弱并逐漸消失。由圖4（d）可見，殼體前后赤道處（4 個(gè)通道）分別收集到事件數(shù)不等的AE 信號(hào)，通道3>通道2>通道4>通道1，說明殼體前后赤道區(qū)域在內(nèi)壓作用下都受到不同程度的損傷。在內(nèi)壓加載過程中，殼體AE 信號(hào)在整個(gè)區(qū)域都有分布，主要集中于加載中后期和二次加載區(qū)，累積能量隨壓強(qiáng)的升高而增大，最終伴隨殼體應(yīng)力的釋放，AE 信號(hào)逐漸減弱并消失。這與加載過程中復(fù)合材料殼體內(nèi)部發(fā)生變形和損傷有關(guān)。

圖4 結(jié)構(gòu)-防熱一體化?480mm 復(fù)合材料殼體聲發(fā)射特征曲線（a）壓強(qiáng)-時(shí)間曲線；（b）事件-時(shí)間曲線；（c）累積能量-時(shí)間曲線；（d）事件-通道曲線Fig.4 Acoustic emission curves of ?480mm structure-heat protection integrated composite shell （a）pressure-time curve；（b）event-time curve；（c）accumulative energy-time curve；（d）event-channel curve

費(fèi)利西蒂（Felicity）比是指材料在加載過程中產(chǎn)生AE 信號(hào)，卸載后重新加載又開始產(chǎn)生新的AE 信號(hào)，此時(shí)的載荷與卸載前的載荷的比值。Felicity 比是評(píng)價(jià)復(fù)合材料先前受損傷程度或結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)重性的重要依據(jù)[19]，通常認(rèn)為當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件Felicity 比≥0.95 時(shí)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沒有受到嚴(yán)重?fù)p傷。在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中，當(dāng)內(nèi)壓由9 MPa 卸載至8 MPa，二次加載至9 MPa 時(shí)，F(xiàn)elicity 比為0.96（>0.95），說明殼體在制備過程中產(chǎn)生了一些內(nèi)部缺陷，但這些缺陷未對(duì)殼體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷。

2.3 結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體損傷類型

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中，如果復(fù)合材料殼體內(nèi)部存在缺陷或潛在缺陷時(shí)，在外力作用下，這些缺陷會(huì)以某種形式擴(kuò)展釋放出應(yīng)變能，而能量以彈性波的形式在材料中傳播到表面，會(huì)接收到不同幅度和頻率的AE 信號(hào)，每種AE 信號(hào)反映了材料內(nèi)部缺陷類型、狀態(tài)變化和擴(kuò)展情況。因此，水壓內(nèi)壓檢驗(yàn)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，可判斷復(fù)合材料殼體的損傷類型、損傷程度和損傷位置[20-21]，預(yù)測(cè)殼體發(fā)生破壞區(qū)域，評(píng)價(jià)復(fù)合材料殼體性能、結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命，避免事故發(fā)生以減少不必要的損失。復(fù)合材料殼體損傷有基體開裂、分層、界面脫粘和纖維斷裂等，損傷類型與AE 信號(hào)特征的關(guān)系如下[22-23]：基體微觀開裂表現(xiàn)為低幅度（<60 dB）和短持續(xù)時(shí)間（<500 μs）事件；單絲斷裂表現(xiàn)為中幅度（<60 dB）和短持續(xù)時(shí)間（<3000 μs）；纖維斷裂表現(xiàn)為高幅度（>80 dB）、高能量和短持續(xù)時(shí)間事件（<3000 μs）；界面宏觀分離和層間分層擴(kuò)展表現(xiàn)為高幅度（>80 dB）和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件（>3000 μs）。

圖5 是結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 復(fù)合材料殼體的中高幅度、短持續(xù)時(shí)間事件AE 信號(hào)，總撞擊數(shù)（Hits）為3063，總振鈴計(jì)數(shù)（Counts）為83922，累積能量（Energy）為441439。由圖5（a）可見，AE 信號(hào)主要分布在2～9 MPa 加載區(qū)和9～10 MPa 二次加載區(qū)，中高幅度、短持續(xù)時(shí)間事件在3.5 MPa 時(shí)出現(xiàn)高峰，伴隨內(nèi)壓載荷的增大逐漸減弱。由圖5（b）可見，1～4 通道都有大幅度、短持續(xù)時(shí)間事件發(fā)生，但事件數(shù)大小不等（Hits=500～1100），且通道3>通道2>通道4>通道1。這說明殼體在內(nèi)壓加載初期，發(fā)生基體樹脂開裂；繼續(xù)加載出現(xiàn)較多的單絲斷裂和纖維斷裂現(xiàn)象，而纖維斷裂主要是因基體開裂無法傳遞載荷引起的。其次，后赤道較前赤道區(qū)域更為顯著，預(yù)示著殼體后赤道相對(duì)薄弱，在載荷作用下較其他部位更容易破壞，這與復(fù)合材料纏繞成型過程有關(guān)。復(fù)合材料殼體圓筒段采用螺旋纏繞加環(huán)向纏繞，封頭是在圓筒縱向纏繞時(shí)形成，因此封頭厚度是極孔邊緣最厚、赤道處最薄，導(dǎo)致赤道處成為封頭的薄弱區(qū)。

圖5 中高幅度、短持續(xù)時(shí)間事件的聲發(fā)射信號(hào)（a）中高幅度、短時(shí)間事件-時(shí)間分布；（b）中高幅度、短時(shí)間事件-通道分布Fig.5 Acoustic emission signals of medium-high amplitude and short duration events（a）medium-high amplitude short duration event-time distribution ;（b）medium-high amplitude short duration event-channel distribution

圖6 是結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體的高幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件AE 信號(hào)，總撞擊數(shù)（Hits）為1，總振鈴計(jì)數(shù)（Counts）為402，累積能量（Energy）為1826。由圖6（a）可見，在P=3.5 MPa 左右時(shí)，殼體出現(xiàn)1 個(gè)高幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件AE 信號(hào)，位于3 通道（圖6（b）），說明后赤道區(qū)域發(fā)生了界面宏觀分離或?qū)娱g分層擴(kuò)展，預(yù)示著殼體后赤道區(qū)域的損傷較其他區(qū)域嚴(yán)重，在內(nèi)壓載荷作用下更容易發(fā)生破壞。

圖6 高幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件的聲發(fā)射信號(hào)（a）高幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件-時(shí)間分布；（b）高幅度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間事件-通道分布Fig.6 Acoustic emission signals of large amplitude and long duration events（a）high amplitude long duration event-time distribution;（b）high amplitude long duration event-channel distribution

2.4 結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體水壓爆破性能

水壓爆破實(shí)驗(yàn)是在內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束、拆除聲發(fā)射傳感器后進(jìn)行，從0 MPa 開始再次加載，直至殼體發(fā)生爆破。圖7 是結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體的水壓爆破壓強(qiáng)-時(shí)間曲線和爆破后的殼體殘骸。由圖7（a）可見，在內(nèi)壓載荷作用下，殼體壓強(qiáng)不斷增大，在18.6 MPa 時(shí)發(fā)生爆破（設(shè)計(jì)壓強(qiáng)18 MPa）。由圖7（b）可見，殼體破壞位置在后封頭區(qū)域，發(fā)生嚴(yán)重的宏觀纖維斷裂和分層現(xiàn)象，金屬接頭同時(shí)脫落，這與AE 信號(hào)預(yù)測(cè)的破壞位置基本一致。此外，外防熱材料表面出現(xiàn)少量芳綸纖維起毛、斷絲、發(fā)白等現(xiàn)象，但未發(fā)生分層和脫落現(xiàn)象，保持了較好的結(jié)構(gòu)完整性。經(jīng)計(jì)算，?480 mm 殼體的容器特性系數(shù)為42.1 km，滿足設(shè)計(jì)要求，但破壞位置不理想，需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和鋪層設(shè)計(jì)。在纏繞過程中，殼體封頭區(qū)域受纏繞角、纏繞鋪層排布和厚度梯度的影響，更容易變成殼體薄弱區(qū)。在內(nèi)壓載荷作用下，殼體封頭赤道附近緯向承受壓縮應(yīng)力，圓筒靠近赤道附近緯向承受拉伸應(yīng)力，故封頭區(qū)域需承受壓縮、剪切、拉伸、彎曲等復(fù)雜應(yīng)力的共同作用，最終導(dǎo)致整個(gè)封頭破壞。

圖7 結(jié)構(gòu)-防熱一體化?480 mm 殼體壓強(qiáng)曲線和爆破殘骸（a）爆破壓強(qiáng)-時(shí)間曲線；（b）水壓爆破殘骸Fig.7 Pressure curve and remain of ?480 mm composite shell after hydraulic burst test（a）burst pressure and time curve；（b）remain after hydraulic burst test

3 結(jié)論

（1）在水壓檢驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體應(yīng)變與壓強(qiáng)呈線性關(guān)系，隨壓強(qiáng)的升高而增大。當(dāng)內(nèi)壓增至10 MPa 時(shí)，圓筒段的環(huán)向應(yīng)變最大、軸向應(yīng)變最小，靠近前、后赤道附近的環(huán)向應(yīng)變最小、軸向應(yīng)變最大，這與殼體受力方式緊密相關(guān)。

（2）在聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體收集的AE 信號(hào)事件計(jì)數(shù)為40358，總計(jì)數(shù)為270676，累積能量為841078。單絲斷裂和纖維束斷裂AE 信號(hào)主要集中在2～9 MPa 加載區(qū)和9～10 MPa 二次加載區(qū)，分布在圓筒段前后赤道區(qū)域，在3.5 MPa 時(shí)出現(xiàn)高峰；3.5 MPa 時(shí)，殼體后赤道區(qū)還出現(xiàn)一個(gè)界面宏觀分離或?qū)娱g分層擴(kuò)展AE 信號(hào)，預(yù)示殼體從后封頭區(qū)域破壞的可能性更大。

（3）結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體在經(jīng)歷加載、卸載、二次加載和卸載后，費(fèi)利西蒂（Felicity）比為0.96，說明殼體在制備過程中產(chǎn)生一些內(nèi)部缺陷，但這些缺陷對(duì)殼體的損傷較小。

（4）結(jié)構(gòu)/防熱一體化?480 mm 殼體的水壓爆破壓強(qiáng)為18.6 MPa，容器特性系數(shù)42.1 km，滿足設(shè)計(jì)要求。殼體后封頭區(qū)域發(fā)生破壞，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的纖維束斷裂現(xiàn)象，金屬接頭同時(shí)脫落，與聲發(fā)射預(yù)測(cè)結(jié)果相一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了封頭區(qū)域是殼體的應(yīng)力薄弱區(qū)，需采用封頭補(bǔ)強(qiáng)、纏繞鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)予以補(bǔ)救。

（5）防熱層材料表面出現(xiàn)少量的宏觀纖維起毛、斷絲和發(fā)白現(xiàn)象，與殼體結(jié)構(gòu)層粘接完好，沒有發(fā)生分層和脫落現(xiàn)象，保持了較好的結(jié)構(gòu)完整性。