李艷清，祝成炎，田 偉，張紅霞

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江杭州 310018)

隨著纖維增強復合材料應用領域的不斷擴大，三維紡織增強復合材料因具有優(yōu)異的力學性能及可根據(jù)需要自由設計［1-3］的結構得到人們的廣泛關注。國內外已有眾多學者就材料在準靜態(tài)下的侵徹性能及相應力學響應歷程展開了研究。已有文獻顯示，三維紡織復合材料的準靜態(tài)侵徹性能受到增強體中預制件結構［4-5］、纖維種類［6］、纖維體積比含量［7］、板材厚度［8-9］等諸多因素的影響。本文以玻璃纖維為原料，設計制備了4種經(jīng)緯組合和纖維體積比含量相同、經(jīng)向具有不同填經(jīng)紗分布的三維角連鎖結構增強復合材料，利用集中準靜態(tài)壓痕試驗方法獲得其三維角連鎖結構增強復合材料的侵徹位移-載荷曲線，分析填經(jīng)紗對三維角連鎖結構增強復合材料準靜態(tài)侵徹性能及其力學響應歷程的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

本文試驗選用杭州玻璃纖維廠生產(chǎn)的無堿玻纖作為增強材料，經(jīng)緯紗線密度為2 400 tex×1 200 tex。為防止織造過程中紗線起毛，經(jīng)緯紗線均采用18.7 tex的錦綸長絲進行了一步法包纏。經(jīng)織造后織物中錦綸長絲的含量僅1%左右，對復合材料成型過程中樹脂的滲透影響甚微［10］，因此對復合材料性能的影響可以忽略不計。

樹脂體系選用江蘇吳江學聯(lián)樹脂廠生產(chǎn)的6101環(huán)氧樹脂作為基體樹脂，浙江永在化工有限公司生產(chǎn)的650聚酰胺樹脂作為固化劑。為便于樹脂體系在三維織物中的流動與滲透，同時還添加了丙酮作為稀釋劑，用以調節(jié)樹脂體系的黏度。

1.2 復合材料試樣制備

1.2.1 機織增強體經(jīng)向截面結構

采用文獻［11］所報道的方法試制了1#～4#具有不同填經(jīng)紗含量的機織增強體試樣。它們的經(jīng)向截面結構依次如圖1(a)～(d)所示，即以角連鎖結構為基礎，分別在經(jīng)向不添加、添加1層、2層和3層增強填經(jīng)紗。圖中水平直線代表填經(jīng)紗，曲線代表基礎經(jīng)紗，圓點代表緯紗。

圖1 具有不同填經(jīng)紗層數(shù)的角連鎖結構Fig.1 Four different kinds of angular interlocked structures.(a)Without warp filler;(b)With a layer of warp filler;(c)With two layers of warp fillers;(d)With three layers of warp fillers

1.2.2 復合成型

在室溫條件下，用質量配比為1∶1∶0.2的6101環(huán)氧樹脂、650聚酰胺和丙酮混合液作為滲透樹脂，采用真空輔助成形工藝(VARI)制做三維角連鎖結構機織增強復合材料板材。樹脂液充滿模腔后繼續(xù)在同壓強下灌注、抽真空5 min左右以減少復合板材中孔隙產(chǎn)生［12-13］。所得實物如圖2所示。試樣的結構參數(shù)見表1。

圖2 三維角連鎖結構機織增強復合材料板材實物圖Fig.2 Photo of 3-D angular interlocked woven composite

表1 板材試樣的結構參數(shù)Tab.1 Detail parameters of composites

1.3 準靜態(tài)侵徹性能測試

參照ASTM D 6264—1998《測量纖維增強聚合物基復合材料對集中準靜態(tài)壓痕力的損傷阻抗的標準試驗方法》測試方法，裁取尺寸為50 mm×50 mm的試件，在RGM-200A型微機控制電子萬能試驗機上，采用直徑為20 mm的球面剛性壓頭垂直于試件平面方向以4 mm/min的加載速度侵徹試樣直至穿透。試驗機自動記錄下侵徹過程中的載荷-位移曲線及數(shù)據(jù)。每種結構試樣各測試5塊。

2 試驗結果與分析

定義侵徹過程中的載荷峰值為復合材料板材所能承受的最大侵徹載荷Fmax，對應的位移即為失效位移S。對試樣的侵徹載荷-位移曲線進行積分，得到復合材料在侵徹過程中吸收的侵徹總能量W。為了更合理地分析填經(jīng)紗對三維角連鎖結構復合材料準靜態(tài)侵徹性能的影響，利用公式計算獲得各試樣在單位纖維體積含量、單位厚度下的吸收能量，簡稱單位吸收能量q，單位為J/(mm·%)。

復合材料試樣的準靜態(tài)侵徹性能試驗數(shù)據(jù)平均值如表2所示。

表2 試樣的準靜態(tài)侵徹試驗結果Tab.2 Results of quasi-static penetration test

2.1 準靜態(tài)侵徹破壞形態(tài)

截取4塊經(jīng)向結構如圖1(b)所示試樣，采用1.3所述方法進行準靜態(tài)侵徹。當侵徹載荷分別達到如表2所示2#試樣最大侵徹載荷的50%、70%、85%和100%時停止加載，獲得如圖3(a)、(b)所示的復合材料板材正、反表面在準靜態(tài)侵徹過程中的破壞形貌演變過程。

圖3 試樣經(jīng)準靜態(tài)侵徹后的破損形貌Fig.3 Damage morphology of sample 2#under quasi-static penetration.(a)Face side;(b)Back side

觀察試樣的破損形貌演變可以發(fā)現(xiàn)，試樣的破壞模式呈典型的彎曲破壞模式：試樣正面受壓，表現(xiàn)為壓縮破壞;背面受拉，表現(xiàn)為拉伸破壞。試件在正面形成凹點的同時背面逐步開裂形成裂紋，纖維則吸收能量而變形直至斷裂。侵徹穿透后，斷口成犬牙狀，未出現(xiàn)復合材料分層現(xiàn)象，說明在侵徹過程中材料作為整體承受外部應力。

2.2 準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線分析

圖4 示出1#～4#試樣在侵徹速度為4 mm/min時的侵徹位移-載荷曲線。在侵徹的初始階段AB段，自侵徹體施加載荷開始就產(chǎn)生了垂直于試件表面的壓縮應力，基體通過界面將壓力傳遞給纖維增強體，并沿著試件厚度方向傳播到試件背面形成拉伸應力，此時復合材料作為整體承受著外界應力，侵徹位移-載荷曲線幾乎呈直線上升。當載荷超出外層基體的承受極限時，復合材料基體發(fā)生損壞并大面積塌陷，曲線中出現(xiàn)第1個載荷峰值B點。

圖4 試樣的準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線Fig.4 Displacement-load curves of samples during quasi-static penetration test

在載荷波動階段BC段，越來越多的基體、增強體紗線承受侵徹載荷。復合材料的基體開裂區(qū)域逐漸變大，大量紗線受力變形，當紗線的應變量達到極限時隨即發(fā)生斷裂、抽拔，同時復合材料中未被破壞的基體和纖維仍然起著傳遞載荷的作用。由于紗線斷裂的不同時性，導致位移-載荷曲線不斷發(fā)生波動。復合材料中基體和纖維逐漸被破壞和斷裂，試件承受載荷的能力也不斷降低;當所有紗線均斷裂時，試樣被侵徹體徹底穿透而破壞，表現(xiàn)為圖中載荷隨位移增加而下降的CD段。由此可見，在準靜態(tài)侵徹過程中，復合材料吸收能量的主要方式是紗線變形和斷裂，并以紗線最大應變斷裂為失效準則。

圖4 顯示，1#～4#試樣的準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線總體趨勢基本一致，差異主要出現(xiàn)在BC段。填經(jīng)紗含量越少，在BC段的載荷波動越厲害。

結合表2可知，在纖維體積分數(shù)總量相差不大的情況下，隨經(jīng)向截面結構中填經(jīng)紗纖維體積分數(shù)的增加，復合材料所能承受的最大載荷和單位吸收能量也隨之逐漸增加，與未加填經(jīng)紗的1#試樣相比，2#～4#試樣的單位吸收能量值分別提高16.63%、20.54%和21.27%。由此可知，在角連鎖結構中添加填經(jīng)紗可改善復合材料板材的損傷阻抗。

圖5 試樣的位移-瞬時能量吸收量曲線圖Fig.5 Displacement-absorbed energy curves of samples.(a)Sample 1#;(b)Sample 2#;(c)Sample 3#;(d)Sample 4#

盡管經(jīng)向截面結構中填經(jīng)紗纖維體積分數(shù)顯著提高了復合材料所能承受的最大侵徹載荷和單位能量吸收能力，但復合材料板材的失效位移S卻相應有所減小。這和填經(jīng)紗在三維立體機織物經(jīng)向截面結構圖中的分布位置有關。圖1(b)～(d)所示圖中，隨著填經(jīng)紗層數(shù)的增多，填經(jīng)紗越靠近復合材料表層，在準靜態(tài)侵徹過程中越更早地承受到侵徹載荷而發(fā)生彎曲形變，當其應變達到該組紗線的斷裂伸長時即發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為破壞失效，使得復合材料的失效位移也相應提前，因此可認為，在以提高三維機織復合材料板材準靜態(tài)侵徹性能為目的的前提下，角連鎖結構中添加增強填經(jīng)紗時應合理設計填經(jīng)紗在三維機織結構中的位置。

2.3 填經(jīng)紗對準靜態(tài)侵徹響應歷程的影響

定義侵徹體從位移si-1侵徹前行到si過程中所做的功為板材在侵徹過程中的瞬時吸收能量△w，可由下式計算獲得。

式中：si為侵徹位移，mm;F(s)為在侵徹位移Si處的瞬時侵徹載荷，N。

根據(jù)計算結果獲得如圖5所示試樣在侵徹過程中的侵徹位移-瞬時能量吸收量關系曲線。

1#試樣的位移-瞬時能量吸收量曲線平緩，沿著厚度方向各處的能量吸收峰值小且相對均衡，最終總吸收能量也較少。這是受角連鎖結構獨特的層間連接方式所影響。從圖1(a)可知，角連鎖結構中各層基礎經(jīng)紗不僅與緯紗交織，同時還與相鄰的經(jīng)紗層連接，起接結紗的作用。當材料表面受到外界準靜態(tài)侵徹載荷后，應力便沿著厚度方向逐層先后傳遞到各根紗線。由于各根基礎經(jīng)紗形態(tài)幾乎相同，受力和變形過程也基本一致，因此經(jīng)紗沿材料厚度方向逐層依次達到形變極限，最終表現(xiàn)為各根紗線不同時斷裂。這也可用來解釋1#試樣在準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線BC段出現(xiàn)的載荷波動情況。

圖5 (b)、(c)、(d)顯示，復合材料經(jīng)向截面結構中每增加1組填經(jīng)紗，其位移-瞬時能量吸收量曲線便在圖5(a)所示的位移-瞬時能量吸收量曲線基礎上增加1個明顯的能量吸收區(qū)。這是由于填經(jīng)紗在增強機織物形成過程中未參與交織，沒有屈曲，呈伸直狀態(tài)所致。與形成角連鎖結構的基礎經(jīng)紗相比，填經(jīng)紗自受到侵徹應力開始變形直至伸長值達到斷裂極限所需時間要短一些，因此，在侵徹過程中表現(xiàn)為多根纖維(該層填經(jīng)紗及先于該層填經(jīng)紗受力的基礎經(jīng)紗)同時斷裂，從而在侵徹位移時能量吸收量曲線上出現(xiàn)明顯的能量吸收區(qū)。相鄰填經(jīng)紗層在材料中距離越近，同時受力進而同時斷裂的纖維數(shù)量也越多，這和2#～4#試樣在準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線BC段的載荷波動情況也一致，也是添加填經(jīng)紗后復合材料所能承受的最大侵徹載荷及單位能量吸收量增大的原因。

3 結論

以角連鎖結構為經(jīng)向截面結構的環(huán)氧樹脂基復合材料在準靜態(tài)侵徹過程中受力均勻，破損緩和。沿經(jīng)向加入填經(jīng)紗，可在很大程度上改變角連鎖結構復合材料的準靜態(tài)侵徹性能。具體表現(xiàn)為：

1)具有不同填經(jīng)紗含量的復合材料的準靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線總體趨勢一致，但在纖維斷裂吸能區(qū)差異明顯。各組填經(jīng)紗在侵徹位移-瞬時能量吸收量曲線中均對應有明顯的能量吸收區(qū)。

2)加入填經(jīng)紗可提高三維角連鎖結構增強復合材料所能承受的最大準靜態(tài)侵徹載荷和能量吸收能力。當填經(jīng)紗纖維體積分數(shù)增加到一定值后，復合材料板材的單位吸收能量增加率并不顯著。

3)隨著填經(jīng)紗的逐層加入，復合材料破損失效的位置提前。實際應用中，應合理設計復合材料機織增強體經(jīng)向截面結構中的填經(jīng)紗纖維體積分數(shù)及其分布位置，以使三維角連鎖結構增強復合材料的準靜態(tài)侵徹性能達到最佳狀態(tài)。

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