楊鵬　張黎

摘 要：Z-pin增強(qiáng)技術(shù)在復(fù)合材料層間增強(qiáng)與聯(lián)結(jié)增強(qiáng)中是簡(jiǎn)便、影響最小、有效的方法。Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是在碳纖維預(yù)浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒然后成型。從理論與試驗(yàn)的角度分別說(shuō)明Z-pin的嵌入能減少層間I，II型破壞和聯(lián)結(jié)破壞，大大增加層間強(qiáng)度與聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。Z-pin增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)向工藝方面、金屬Z-pin方面、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面和環(huán)形搭接方面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：Z-pin增強(qiáng)；I型；II型；層間增強(qiáng)；聯(lián)結(jié)增強(qiáng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.031

1 引言

樹脂基碳纖維復(fù)合材料層合板在多次沖擊下容易產(chǎn)生層間分層，這使層合板在較低的載荷下就發(fā)生分層失穩(wěn)和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1]。針對(duì)層間失效，大量學(xué)者提出改進(jìn)方法，一是改善樹脂基體性能，二是三維增強(qiáng)，即增加法向材料，如編織、縫合、Z-pin增強(qiáng)等，三是層間增韌。其中Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是最簡(jiǎn)便、影響最小和有效的方法[2]。

在解決樹脂基碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是增強(qiáng)層間性能時(shí)， Z-pin增強(qiáng)技術(shù)具有明顯的前景，并且Z-pin聯(lián)結(jié)也有很大優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展空間。

2 Z-pin增強(qiáng)技術(shù)

Z-pin技術(shù)工藝過(guò)程是在預(yù)浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒，然后再按傳統(tǒng)方法對(duì)含Z-pin的復(fù)合材料固化成型。Z-pin可選用的材料非常廣泛，可用鋼、鋁等金屬，也可用碳纖維、玻璃纖維等非金屬，其直徑一般在0.2mm～0.6 mm之間，體分比一般2%～5%左右。Z-pin嵌入預(yù)浸件中可多個(gè)排列有序的一次性整體嵌入和利用高壓槍單個(gè)射入，其中常用整體嵌入有熱壓灌法和超聲植入法（UAZ）兩種工藝，如圖1為整體嵌入，圖2為超聲植入機(jī)器人[3]。

目前，Z-pin增強(qiáng)技術(shù)在樹脂基碳纖維復(fù)合材料的層間增強(qiáng)、X-cor夾層復(fù)合材料增強(qiáng)和聯(lián)結(jié)增強(qiáng)研究比較活躍，另外孔邊增強(qiáng)等也有學(xué)者研究。除此外Z-pin增強(qiáng)技術(shù)在陶瓷基碳纖維復(fù)合材料中也有所發(fā)展[4]。

3 層間增強(qiáng)

層間破壞有I型層間破壞（層間張開）與II型層間破壞（層間相對(duì)錯(cuò)動(dòng)）兩種形式，Z-pin層間增強(qiáng)也就是阻礙兩種形式破壞的發(fā)生。學(xué)者從不同方面對(duì)Z-pin影響I，II型層間斷裂韌性做了大量研究。Ivana K、鄭錫濤[5]等利用雙懸臂梁（DCB）、端部開口彎曲（ENF）模型從應(yīng)變能的角度進(jìn)行研究，說(shuō)明Z-pin的加入增強(qiáng)了應(yīng)變釋放率。褚奇奕、王曉旭、Vazquez[6] 等對(duì)Z-pin拔脫過(guò)程進(jìn)行研究，并提出了埋入深度、直徑、與基體的共固化效應(yīng)等影響因素。

4 聯(lián)結(jié)增強(qiáng)

相對(duì)于機(jī)械聯(lián)結(jié)增加質(zhì)量、破壞纖維，膠接傳遞載荷小等不足，Z-pin聯(lián)結(jié)有對(duì)層合板破壞小、質(zhì)量輕、聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。Z-pin聯(lián)結(jié)增強(qiáng)常用結(jié)構(gòu)形式有T型聯(lián)結(jié)、搭接等。

4.1 T型聯(lián)結(jié)

T型聯(lián)結(jié)中與載荷同向的Z-pin聯(lián)結(jié)增強(qiáng)機(jī)理與層間增強(qiáng)機(jī)理是相同的。因?yàn)門型聯(lián)結(jié)在受載荷時(shí)（對(duì)Z-pin來(lái)說(shuō)是偏心載荷）， Z-pin同樣受 I、II型破壞，只是不同位置的Z-pin ，I、II型變形比重不同。T型聯(lián)結(jié)中與載荷垂直的Z-pin聯(lián)結(jié)增強(qiáng)機(jī)理與下文中搭接增強(qiáng)機(jī)理是相同的。

同樣，學(xué)者也從整體力學(xué)性能角度用試驗(yàn)和有限元分析說(shuō)明了Z-pin的T型聯(lián)結(jié)增強(qiáng)。Z-pin的增加大大提高了T型結(jié)頭承載能力，其承載能力與Z-pin直徑、排列、植入密度、植入角度、間距、Z-pin與載荷距離等有關(guān)[7]。與層間增強(qiáng)一樣，Z-pin的嵌入對(duì)碳纖維復(fù)合材料也有相同的影響和損傷，但這此影響或損傷只是破壞了層合的板的部分性能，對(duì)聯(lián)結(jié)性能幾乎沒(méi)有負(fù)面影響。

4.2 搭聯(lián)

Z-pin搭結(jié)承受的載荷方向是垂直于Z-pin的，承受載荷時(shí)Z-pin主要受II型變形。若Z-pin搭結(jié)承受的載荷由于工況而方向不垂直于Z-pin或是變化的，這會(huì)使Z-pin 受I、II型混合變形。

由于搭接的結(jié)構(gòu)、施加載荷不同，它的破壞的表現(xiàn)形式與前兩者也不同。Z-pin搭接中的失效破壞形式主要有：Z-pin剪斷破壞；層合板被Z-pin擠壓破壞；Z-pin拔脫失效。

對(duì)于Z-pin搭結(jié)，同樣與Z-pin直徑、位置、排列、植入密度、植入角度等因素有關(guān)[8]。

5 展望

（1）工藝方面。Z-pin層間增強(qiáng)與聯(lián)結(jié)增強(qiáng)主要應(yīng)用在高新技術(shù)方面，這是與復(fù)合材料在民用方面的不夠廣泛所導(dǎo)致，這也是工藝發(fā)展緩慢的原因。Z-pin技術(shù)工藝成熟與Z-pin技術(shù)應(yīng)用廣泛是相互影響發(fā)展的。

（2）金屬Z-pin方面。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究Z-pin增強(qiáng)技術(shù)試驗(yàn)中，金屬Z-pin棒的試驗(yàn)相對(duì)較少，金屬z-pin的層間增強(qiáng)與聯(lián)結(jié)增強(qiáng)會(huì)有與碳纖維z-pin不同的增強(qiáng)機(jī)理和破壞形式。

（3）金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面?，F(xiàn)研究的Z-pin聯(lián)結(jié)增強(qiáng)是碳纖維復(fù)合材料之間的聯(lián)結(jié)，隨著碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域增加，碳纖維與金屬之間的聯(lián)結(jié)不可避免。工業(yè)常用的聯(lián)結(jié)為機(jī)械聯(lián)結(jié)、膠接等，發(fā)展碳纖維/金屬之間的Z-pin聯(lián)結(jié)是有必要的。這也與金屬Z-pin的發(fā)展相關(guān)。

（4）環(huán)形聯(lián)接方面。隨著碳纖維在傳動(dòng)軸的大量應(yīng)用，環(huán)形聯(lián)結(jié)接頭需要更多研究。環(huán)形聯(lián)結(jié)、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)、金屬Z-pin應(yīng)用的成熟可解決碳纖維傳動(dòng)軸/金屬法蘭的聯(lián)結(jié)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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[6]孫先念，鄭長(zhǎng)良.層合復(fù)合材料z-pinning增強(qiáng)技術(shù)的力學(xué)進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào)，2006，27（06）：1194-1202.

[7]鄭錫濤，李澤江，楊帆.Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板斷裂韌性試驗(yàn)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2010，27（04）：180-188.

作者簡(jiǎn)介：楊鵬（1990-），男，湖北安陸人，研究生，研究方向：碳纖維傳動(dòng)軸連接。