嚴 實，郭留雨，趙金陽，陸夏美，曾 濤

(哈爾濱理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

三維五向編織復(fù)合材料低速沖擊及沖擊后壓縮性能實驗研究

嚴 實，郭留雨，趙金陽，陸夏美，曾 濤

(哈爾濱理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

通過實驗研究三維五向碳纖維/環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料低速沖擊及其沖擊后壓縮(CAI)性能。測試試件雖然有不同的編織角度，但承受相同的沖擊能力。采用沖擊后壓縮測試表征不同編織結(jié)構(gòu)的沖擊后剩余力學(xué)性能。結(jié)果表明：編織角較大的試件由于其更緊密的空間結(jié)構(gòu)，能承受更高的沖擊載荷且沖擊損傷區(qū)域更小。CAI強度和損傷機理主要取決于編織纖維束的軸向支撐。隨著編織角的增加，CAI強度降低，材料的破壞模式也由橫向斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

三維五向；編織復(fù)合材料；低速沖擊；沖擊后壓縮；損傷機理

復(fù)合材料在制造、保養(yǎng)、正常操作等場合下易于遭受動態(tài)沖擊而產(chǎn)生各種損傷，例如基體裂紋、分層和纖維斷裂等。這類損傷往往表面痕跡較小，甚至觀測不到，但是在繼續(xù)使用中，不可見分層損失會繼續(xù)擴展，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)損傷和破壞，使得層壓板復(fù)合材料的性能得不到充分發(fā)揮[1]。

三維編織復(fù)合材料突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的概念，具有多向紗線構(gòu)成空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從根本上克服了層板復(fù)合材料易分層、開裂和抗沖擊性能差等缺點，具有較高的比強度、比剛度、沖擊韌性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等，在航空、航天等高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。在三維四向(4D)編織復(fù)合材料中沿編織方向(即軸向)加入不參與編織的軸紗，可形成三維五向(5D)編織復(fù)合材料，進而使其在軸向上的力學(xué)性能得到較大的提高[3-5]。

研究人員已經(jīng)對簡單外形正交層壓板的沖擊損傷進行了廣泛的研究[6]，但是由于編織復(fù)合材料的各向異性和非均勻性，對其沖擊損傷的研究還較少，目前主要采用實驗方法來研究編織復(fù)合材料的沖擊力學(xué)行為和破壞機理。Matemilola和Strong[7]通過彈擊實驗研究了碳纖維編織復(fù)合材料的沖擊損傷演化問題，分析了試件尺寸、沖擊慣性等因素對損傷狀態(tài)的影響。Fukuta[8]通過實驗對三維三向﹑三維四向編織碳/環(huán)氧復(fù)合材料和層合板材料沖擊后壓縮(CAI)強度進行了比較，給出了三維編織復(fù)合材料的CAI強度比層合復(fù)合材料高的結(jié)論。Zeng等[9]對承受軸向沖擊載荷的三維編織圓筒進行有限元模擬，并分析其能量吸收特性及壓潰行為。Gu等[10]針對三維編織芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料采用準靜態(tài)侵徹實驗?zāi)M動態(tài)侵徹。此外，Sun和Gu等還對三維編織復(fù)合材料的橫向沖擊特性進行了實驗研究[11]，并對其沖擊損傷過程進行了有限元分析[12]。鄭海燕和劉元鏞等[13]對編織型復(fù)合材料的沖擊及沖擊后壓縮強度進行了實驗研究。楊靈敏等[14]對高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基三維多向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行了低速沖擊實驗。李明等[15]對2.5D機織復(fù)合材料采用落錘法預(yù)制沖擊損傷，進行剩余拉伸實驗，基于軟化夾雜模型進行剛度衰減模擬，并預(yù)測了剩余抗拉強度?；矢繜樅屯⊙嗟萚16]應(yīng)用三維逐漸累積損傷理論和分析技術(shù)，建立了適用于編織型復(fù)合材料板低速沖擊及沖擊后壓縮破壞過程的一種全程分析方法。胡靖元等[17]以碳纖維編織復(fù)合材料和芳綸編織復(fù)合材料為研究對象，研究了編織復(fù)合材料的低速沖擊響應(yīng)和破壞模式，分析了沖擊速率對材料沖擊特性的影響。本課題組也通過實驗研究了不同編織工藝參數(shù)的三維六向碳纖維/環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料在不同沖擊能量作用下的低速沖擊過程[18]。

本工作針對不同編織工藝參數(shù)(編織角度)的三維五向編織復(fù)合材料低速沖擊損傷機理及其剩余強度進行研究：對三維編織復(fù)合材料試件進行低速沖擊實驗，分析其損傷類型和演化規(guī)律；對三維編織復(fù)合材料試件進行沖擊后剩余壓縮強度實驗，分析其損傷演化規(guī)律。本研究目的在于探索低速沖擊條件下三維五向編織復(fù)合材料的損傷機理及剩余強度，控制材料的失效與破壞以提高其抗沖擊能力。

1 實驗

1.1 實驗材料

低速沖擊實驗在Instron 9250HV型落錘加載試驗機上進行。試驗機如圖1所示。Instron 9250HV 型落錘加載試驗機在多數(shù)工況下的加載是通過落錘的自由落體運動來實現(xiàn)。在所進行的沖擊實驗中，落錘直徑為12.7mm，落錘質(zhì)量為7.27kg，保持不變。沖擊示意圖如圖2所示，θ表示編織角度，其中藍色纖維束表示編織紗，紅色纖維束表示軸向紗。

圖1 Instron 9250HV型落錘試驗機Fig.1 Drop weight machine Instron 9250HV

圖2 三維五向編織復(fù)合材料沖擊示意圖Fig.2 Schematic diagram of impact of 3D five-directional braided composites

為研究編織幾何參數(shù)和編織結(jié)構(gòu)對三維編織復(fù)合材料低速沖擊力學(xué)性能的影響，實驗采用了3種編織參數(shù)復(fù)合材料，由于材料成本的限制，每種材料測試3個試件，相關(guān)參數(shù)列于表1中。實驗用所有試件由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備。增強纖維均為日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12K碳纖維，基體材料為TDE-86環(huán)氧樹脂，組分材料性能見表2。試件采用四步法編織工藝編織，再經(jīng)過樹脂傳遞模塑(RTM)工藝固化成型。試件從360mm×160mm×5mm板裁剪成尺寸為120mm×80mm×5mm的測試試件。

表1 材料編號及參數(shù)Table 1 Material number and parameters

表2 基體及碳纖維的性能Table 2 Properties of the matrix and carbon fibers

1.2 低速沖擊

在沖擊載荷作用下，三維編織復(fù)合材料的損傷起始于沖擊面的基體破壞和纖維束裂紋，隨后內(nèi)部纖維束塌陷斷裂并且剪切破壞，纖維束和基體界面破壞，最后試件非沖擊面破壞。表3為在30J沖擊能量下編織角15°,25°,35°的沖擊數(shù)據(jù)。表4為沖擊參數(shù)的平均值與方差，表5為沖擊后壓縮實驗的破壞載荷與失效位移。沖擊能量表示試件能轉(zhuǎn)換的最大能量，即沖頭接觸試件前的動能，沖擊能量理論值為30J，而表3為Instron 9250HV試驗機在沖頭接觸試件前測出的沖頭動能。吸收能量表示由系統(tǒng)消耗的不可恢復(fù)的能量，其中包括摩擦消耗的能量和材料沖擊損傷消耗的能量。吸收能量可由載荷-位移曲線計算。三維編織材料的吸收能量偏差不大，表明沖擊能量大部分被材料吸收。在相同的能量水平下，峰值載荷隨著編織角度增加而增大，最大位移隨編織角增加而減小?？箾_擊性能隨著編織角的增加而提高。圖3為材料在30J沖擊能量時載荷和能量與時間的關(guān)系，相應(yīng)的載荷-位移曲線如圖4所示。沖擊能量為30J時，所有類型的三維編織復(fù)合材料在瞬態(tài)載荷曲線中沒有明顯的載荷突降，在這一能量水平的局部損傷可直觀地通過載荷-時間曲線進行分析。圖3中試件的載荷-時間曲線表明，加載部分和卸載部分曲線平滑，并且對稱于峰值載荷，峰值載荷附近只有微小波動，表明局部損傷較小，這也可以從試件的損傷照片中看出(圖5)。在此沖擊能量下，材料的損傷較小，處于彈性吸收階段。

表3 三維編織復(fù)合材料試件沖擊數(shù)據(jù)Table 3 Impact test data of three-dimensional braided composites

表4 三維編織復(fù)合材料沖擊參數(shù)的平均值與方差Table 4 Mean value and variance of impact test parameters of three-dimensional braided composites

表5 三維編織復(fù)合材料沖擊后壓縮數(shù)據(jù)Table 5 Compression data after impact test of three-dimensional braided composites

圖3 30J沖擊時載荷和能量與時間曲線Fig.3 Load and energy versus time curves with impacted at 30J

圖4 30J沖擊時載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves with impacted at 30J

圖5 試件沖擊損傷照片 (a)15°試件正面；(b)15°試件背面；(c)25°試件正面；(d)25°試件背面；(e)35°試件正面；(f)35°試件背面Fig.5 Photos of impact-damaged specimens (a)the front of 15°specimen；(b)the back of 15° specimen；(c)the front of 25° specimen；(d)the back of 25° specimen；(e)the front of 35° specimen；(f)the back of 35° specimen

在相同的能量水平下，峰值載荷隨著編織角度增加而增大，最大位移隨編織角增加而減小，這些數(shù)據(jù)表明，對于三維編織復(fù)合材料，隨著編織角度的增加，其抗沖擊性能隨之提高。

1.3 損傷模式分析

相同的能量水平下，在沖擊點附近15°試件有明顯的橫向裂紋出現(xiàn)，隨著編織角度的增加，橫向裂紋逐漸減小，并以纖維束界面的基體開裂為主要損傷模式；這是由于隨著編織角度的增加，單位面積上纖維束排列更緊密，抑制了橫向裂紋的產(chǎn)生，使損傷沿較弱的纖維束界面擴展，如圖5所示。

在材料的非沖擊面，30J沖擊能量水平時，材料損傷不明顯，以纖維束界面的基體開裂為主要損傷模式，且35°試件沒有明顯損傷。由此可見，編織參數(shù)決定纖維束排列的緊密程度，編織角度越大纖維束排列得越緊密，其抗沖擊性能越強。

2 三維五向編織復(fù)合材料沖擊后剩余壓縮性能

2.1 實驗原理及實驗材料

對沖擊后的試件進行沖擊后壓縮(CAI)性能測試，根據(jù)ASTM D7137設(shè)計CAI測試的固定裝置，壓縮實驗卡具由側(cè)邊夾持和上下壓板組成，以保證壓縮試件在壓縮過程中不發(fā)生失穩(wěn)破壞。實驗在INSTRON 3382靜態(tài)加載試驗機上完成。測試裝置如圖6所示，加載速率為0.5mm/min。

圖6 CAI測試裝置Fig.6 CAI testing equipment

圖7 CAI載荷-位移曲線Fig.7 CAI load-displacement curves

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

圖7為CAI載荷-位移曲線，可以看出，對于15°和25°試件材料都表現(xiàn)出線彈性的特征，試件的破壞為脆性斷裂；對于35°試件則表現(xiàn)出非線性的特征，試件的破壞為纖維束剪切破壞。編織角度偏小的試件，纖維束在壓縮載荷方向上承受更多的力，在纖維束界面產(chǎn)生損傷之前，纖維束承受的力達到了其壓縮載荷極限，因此纖維束發(fā)生脆性斷裂。而編織角度偏大的試件，纖維束在壓縮載荷方向上承受的力偏小，纖維束界面由于編織角的增加而使壓縮載荷沿纖維束法向的分布力更大，因此在達到纖維束承受最大壓縮載荷之前，纖維束界面已發(fā)生損傷，導(dǎo)致纖維束沿界面剪切破壞，使得試件的載荷-位移曲線呈現(xiàn)非線性的趨勢。

三維編織復(fù)合材料的CAI強度計算公式如下：

σCAI=PULT/bt

(1)

式中：σCAI表示CAI強度；PULT為最終壓縮載荷；b和t分別為平均寬度和厚度。

三維編織復(fù)合材料的CAI強度分布如圖8所示，在相同的沖擊能量下，隨著編織角的增加，三維五向25°和35°兩種編織結(jié)構(gòu)的CAI強度都呈現(xiàn)下降趨勢，特別是35°試件的強度與15°和25°編織角度的試件相比下降得更多。

圖8 三維編織復(fù)合材料CAI強度Fig.8 CAI strength of three-dimensional braided composites

2.3 損傷模式分析

CAI試件損傷模式如圖9所示。對于五向編織復(fù)合材料，編織角分別為15°和25°的試件上下表面沿裂紋面方向均發(fā)生了纖維斷裂，纖維沿裂紋面發(fā)生了斷裂，且壓縮后試件前表面和后表面出現(xiàn)的裂紋不在一個橫截面內(nèi)，壓縮試件的側(cè)面裂紋與紗線的編織紋理相同，如圖9(a)～(d)所示。編織角為35°的試件雖然在壓縮過程中也出現(xiàn)了橫向裂紋，但在此裂紋面上纖維并沒有發(fā)生斷裂，不同于編織角為15°，25°試件，只是基體發(fā)生了開裂，或者即使纖維有斷裂，其損傷程度也明顯弱于編織角為15°和25°的試件。結(jié)合沖擊后壓縮試件的載荷-位移曲線可知，編織角15°和25°的試件失效前材料均表現(xiàn)為線性，故材料的破壞為脆性斷裂破壞；而編織角為35°的試件在達到壓縮強度或CAI強度之前其載荷-位移曲線出現(xiàn)了非線性特征，說明材料的破壞不再是脆性斷裂破壞，而是纖維束沿其邊界的剪切破壞導(dǎo)致試件的最終失效，如圖9(e)，(f)所示。

圖9 CAI試件典型破壞模式 (a)15°試件正面；(b)15°試件側(cè)面；(c)25°試件正面；(d)25°試件側(cè)面；(e)35°試件正面；(f)35°試件側(cè)面Fig.9 Typical failure modes for CAI specimens(a)the front of 15° specimen；(b)the side of 15° specimen；(c)the front of 25° specimen；(d)the side of 25° specimen；(e)the front of 35° specimen；(f)the side of 35° specimen

編織角的變化導(dǎo)致三維編織復(fù)合材料壓縮破壞模式的不同。這主要是因為小編織角試件在壓縮方向的纖維分布比例大于大編織角試件，使得小編織角試件在壓縮方向的承載能力明顯大于大編織角試件，且編織角越小，編織紗和軸紗在壓縮方向的長度越接近，導(dǎo)致在壓縮過程中，纖維受力比較均勻，達到極限載荷時纖維發(fā)生脆性斷裂，且斷裂面平齊。對于較大編織角試件而言，在壓縮方向的纖維分布比例低是其在此方向的承載能力差的主要原因，編織角越大，編織紗沿壓縮方向的長度相差也越大，因此在壓縮過程中纖維受力不均勻；而且隨著編織角的增大，試件的花節(jié)長度減小，使得在壓縮過程中纖維不容易沿編織紋理方向發(fā)生破壞，故當壓縮載荷達到一定值時，纖維束界面基體開裂導(dǎo)致剪切破壞從而使材料失效。

3 結(jié)論

(1)三維編織復(fù)合材料，隨著編織角的增大，其抗沖擊性能增強，這是由于編織角度增加使得材料空間結(jié)構(gòu)更緊密，提高了材料的抗沖擊性能。

(2)編織角的變化導(dǎo)致三維編織復(fù)合材料沖擊后壓縮性能和破壞模式的不同。隨著編織角的增加，CAI強度降低，材料的破壞模式也由橫向斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

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Experimental Investigation on Low-velocity Impact andCompression After Impact Properties of Three-dimensionalFive-directional Braided Composites

YAN Shi,GUO Liu-yu,ZHAO Jin-yang,LU Xia-mei,ZENG Tao

(School of Architecture and Civil Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

The low-velocity impact and compression after impact (CAI) properties of three-dimensional (3D) five-directional carbon fiber/epoxy resin braided composites were experimentally investigated. Specimens prepared with different braiding angles were tested at the same impact energy level. Residual post-impact mechanical properties of the different configurations were characterized by compression after impact tests. Results show that the specimens with bigger braiding angle sustain higher peak loads, and smaller impact damage area, mainly attributes to a more compact space construction. The CAI strength and damage mechanism are found to be mainly dependent on the axial support of the braiding fiber tows. With the increase of braiding angle, the CAI strength decreases, and the damage mode of the composites is changed from transverse fracture to shear failure.

3D five-directional;braided composite;low-velocity impact;CAI;damage mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000861

TB332

A

1001-4381(2017)12-0065-06

國家自然科學(xué)基金項目(11102055,11272110)

2015-07-13；

2017-08-12

嚴實(1977-)，男，博士，副教授，從事復(fù)合材料性能表征研究，聯(lián)系地址：黑龍江省哈爾濱市學(xué)府路52號哈爾濱理工大學(xué)建筑工程學(xué)院421室(150080)，E-mail:yanshi@hrbust.edu.cn

(本文責編：寇鳳梅)