李冰珂，王 磊，劉 濤，孫寶忠

(東華大學(xué)a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

三維編織復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計性和結(jié)構(gòu)完整性，尤其是其厚度方向上的增強(qiáng)從根本上克服了層合板層間結(jié)合力差、易分層等缺陷，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域[1]。研究三維編織復(fù)合材料在高速沖擊下變形與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對抗沖擊三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計有重要意義，是材料動態(tài)力學(xué)性能研究的一個重要方向。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對三維編織復(fù)合材料沖擊動力學(xué)行為研究的報道較多。Majidi等[2]研究了三維編織和單向FP/AL-Li復(fù)合材料沖擊力學(xué)行為。Sun等[3]研究了應(yīng)變率對三維編織復(fù)合材料面內(nèi)和面外沖擊壓縮失效行為的影響。Zhang等[4]通過頻域分析方法對三維矩形編織復(fù)合材料進(jìn)行橫向沖擊和低速沖擊測試，研究了材料能量吸收和破壞機(jī)制。

細(xì)觀結(jié)構(gòu)對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能影響顯著。盧子興等[5]對三維四向(3D4D)和三維五向(3D5D)編織復(fù)合材料進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸紗的加入對3D5D編織復(fù)合材料變形機(jī)制影響顯著。Liu等[6]比較了3D4D和3D5D SiO2f/SiO2編織復(fù)合材料拉伸、彎曲和剪切力學(xué)性能，結(jié)果表明3D5D編織復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性明顯高于3D4D編織復(fù)合材料。Li等[7-9]通過建立3D5D編織三單胞模型來預(yù)測3D5D幾何結(jié)構(gòu)特征以及強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)技術(shù)對3D5D碳/酚醛編織復(fù)合材料進(jìn)行橫向壓縮測試，探究應(yīng)變率效應(yīng)對材料動態(tài)性能的影響。Zhou等[10-12]通過試驗(yàn)和有限元模型相結(jié)合的方法，研究了編織角、編織層數(shù)、軸紗等結(jié)構(gòu)效應(yīng)對三維圓管編織復(fù)合材料力學(xué)性能影響，進(jìn)一步揭示材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理。然而，上述研究主要采用試驗(yàn)及有限元方法來探究材料破壞機(jī)制，并未利用高速攝影技術(shù)捕捉材料在加載過程中的真實(shí)破壞和損傷擴(kuò)展全過程。

本文采用高速攝影技術(shù)，利用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的SHPB-高速攝影機(jī)系統(tǒng)，記錄3D4D和3D5D編織復(fù)合材料的橫向沖擊變形過程，探究加載過程中材料真實(shí)變形和損傷擴(kuò)展，從而揭示三維編織復(fù)合材料的失效機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

3D4D編織預(yù)成型體采用四步法1×1編織[13]而成。3D5D編織預(yù)成型體是在3D4D編織工藝基礎(chǔ)上沿編織方向加入不參與編織的軸紗制備而成[6]。三維編織預(yù)成型體及內(nèi)單元細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型(CATIA V5軟件建立)如圖1所示。紗線選用T700-12K碳纖維(日本東麗)。紗線排列用m(行)×n(列)來表示，附加行列內(nèi)的紗線根數(shù)為m+n根。編織紗排列為19×3，邊紗19+3根，軸紗作為不動紗沿編織方向嵌入編織紗中間，軸紗與編織紗比例為1∶2，總用紗數(shù)量計算如式(1)和(2)所示。

(a) 三維編織預(yù)成型體

(b) 3D4D內(nèi)單元細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型

(c) 3D5D內(nèi)單元細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型圖1 三維編織預(yù)成型體及3D4D、3D5D內(nèi)單元細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 3D braided preform and interior unit microstructuremodel of 3D4D and 3D5D

N3D4D=m×n+(m+n)

(1)

(2)

式中：N3D4D為3D4D編織預(yù)成型體總用紗數(shù)；N3D5D為3D5D編織預(yù)成型體總用紗數(shù)。

采用真空輔助樹脂傳遞模塑法(VARTM)制備三維編織復(fù)合材料?；w選用JA-02型環(huán)氧樹脂(中國常熟佳發(fā))，固化工藝為先于90 ℃下固化2 h，再于110 ℃下固化1 h，最后于130 ℃下固化4 h。三維編織復(fù)合材料制備工藝如圖2所示，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。

(a) 預(yù)成型體制備

(b) 真空袋

(c) VARTM固化

(d) 復(fù)合材料成型圖2 三維編織復(fù)合材料制備Fig.2 Preparation of 3D braided composites

表1 三維編織復(fù)合材料規(guī)格參數(shù)Table 1 Parameters of 3D braided composites

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用SHPB-高速攝影機(jī)系統(tǒng)對三維編織復(fù)合材料進(jìn)行橫向沖擊測試。SHPB裝置由氣槍、撞擊桿、輸入桿和信號采集處理裝置組成。高速攝影機(jī)系統(tǒng)由高速攝影機(jī)(中國上海西努光學(xué)科技)和輔助照明裝置組成，其中高速攝影機(jī)型號為i-SPEED 716，最高拍攝速度為500 000幀/s。

通過一維線彈性應(yīng)力波理論[14]計算得到橫向沖擊試驗(yàn)的載荷P(t)、位移μ(t)如式(3)～(5)所示。橫向沖擊測試示意圖如圖3所示。

P(t)=EA[εI(t)+εR(t)]

(3)

(4)

(5)

式中：εI(t)、εR(t)分別為入射波和反射波引起的應(yīng)變；E、A、ρ分別為輸入桿彈性模量、橫截面積和密度；C0為應(yīng)力波在輸入桿中的傳播速度。

通過高速攝影記錄每個時刻試件沖擊變形，采用Image J圖像分析軟件(National Institutes of Health開發(fā))對圖片進(jìn)行處理，利用閾值分割法[15]對圖片進(jìn)行預(yù)處理，劃定目標(biāo)區(qū)域并選取目標(biāo)點(diǎn)，計算各個時刻試件上該點(diǎn)沖擊位移，表征試件沖擊變形，相對測量誤差在3%左右。選用0.20、 0.25、 0.30 MPa來探究不同氣壓下材料損傷機(jī)理，如圖4所示。應(yīng)力波波寬反映沖擊時間，只和撞擊桿長度有關(guān)；波幅反映輸入桿的應(yīng)力大小，只和撞擊桿速度有關(guān)[16]。由圖4可知，3種沖擊氣壓產(chǎn)生的應(yīng)力波幅值隨著沖擊氣壓的增加而增大，3個應(yīng)力波從上升沿到下降沿的時間基本不變。

圖3 橫向沖擊測試示意圖Fig.3 Diagram of transverse impact test

通過高速攝影實(shí)時拍攝，得到材料失效時刻沖擊循環(huán)(相鄰兩次應(yīng)力波的時間間隔)變形圖像。3D4D試件在沖擊氣壓為0.30 MPa下第9個沖擊循環(huán)斷裂失效變形圖如圖5所示。假定每一個沖擊循環(huán)內(nèi)，桿子沖擊試件初始時刻為0 μs。本文所采用的拍攝速度為50 000幀/s，每個沖擊循環(huán)為700 μs。

圖4 不同氣壓應(yīng)力波信號圖Fig.4 Signal diagram of stress waves under different gas pressures

圖5 3D4D試件第9個沖擊循環(huán)高速攝影失效變形圖Fig.5 High speed failure deformation of 3D4D sample in the 9th impact cycle

2 結(jié)果與討論

3種沖擊氣壓條件下3D4D、 3D5D試件的載荷-位移和位移-時間曲線對比如圖6所示。試件沖擊載荷峰值和位移都隨著沖擊氣壓增加而增大，而隨沖擊循環(huán)次數(shù)的增加而減小。相同氣壓下，與3D4D試件相比，3D5D試件的沖擊載荷峰值較大，沖擊變形較小且位移差距隨著沖擊氣壓的增加而增大。

這里分別選取3D4D、3D5D試件在第1個沖擊循環(huán)內(nèi)位移-時間曲線對試件失效前彈塑性變形進(jìn)行研究，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，兩種試件曲線均呈現(xiàn)一定的波動性，從曲線可以看出位移變化有兩個階段，即上升(Ⅰ)階段、回彈(Ⅱ)階段。Ⅰ階段為線性階段，在此階段內(nèi)壓縮應(yīng)力波到達(dá)入射桿端面，入射桿撞擊試樣，試樣受力變形后位移增加，在160 μs時刻(2點(diǎn)處)達(dá)到最大位移。Ⅱ階段為回彈階段，此時壓縮應(yīng)力波作用結(jié)束，入射桿不再運(yùn)動，應(yīng)力波沖擊能部分被試件吸收，轉(zhuǎn)化為試件變形能。由于沖擊波作用，試件產(chǎn)生振動，導(dǎo)致位移-時間曲線產(chǎn)生波動，此時位移反映了沖擊后試件的真實(shí)變形。與3D4D試件相比，3D5D試件在Ⅰ階段沖擊位移較小，在Ⅱ階段位移波動幅度也較小。由此表明，軸紗的存在增加了3D5D編織復(fù)合材料彎曲模量，提高了試件抗橫向沖擊變形的能力。

(a) 載荷-位移曲線

(b) 位移-時間曲線圖6 3種氣壓條件下3D4D、3D5D試件的載荷-位移曲線和位移-時間曲線對比圖Fig.6 Comparison of load-displacement curves anddisplacement-time curves of 3D4D and 3D5Dsamples under three pressures

(a) 3D4D試件

(b) 3D5D試件圖7 3D4D、3D5D試件第1個沖擊循環(huán)位移-時間曲線Fig.7 Displacement-time curves of 3D4D and 3D5Dsamples in the 1st impact cycle

對圖7曲線上1、2兩點(diǎn)進(jìn)行研究，3D4D、3D5D試件的沖擊變形最大位移如表2所示。與3D4D試件相比，3種氣壓下3D5D試件在第一個沖擊循環(huán)最大沖擊位移較小，抵抗橫向沖擊變形能力較好。

表2 3種沖擊氣壓下3D4D、3D5D試件的最大沖擊位移Table 2 Maximum impact displacement of 3D4D and 3D5Dsamples under three impact gas pressures

兩種試件在第9個沖擊循環(huán)位移-時間曲線如圖8所示。在沖擊氣壓0.30 MPa下3D4D試件的位移-時間曲線波動劇烈，沖擊位移驟增，變形急劇增加，最終試件發(fā)生斷裂并整體失效。其余曲線波動較小，沖擊變形增加緩慢，試件未斷裂。

圖8 3D4D、 3D5D試件第9個沖擊循環(huán)位移-時間曲線Fig.8 The 9th impact cycle displacement-time curves of 3D4D and 3D5D samples

選取圖8中沖擊氣壓為0.30 MPa條件下1～6時刻試件損傷變形圖像進(jìn)行研究，如圖9所示。

圖9 3D4D、3D5D試件在0.30 MPa條件下高速攝影失效變形圖Fig.9 High speed failure deformation of 3D4D and3D5D samples under 0.30 MPa

由圖9(a)可知：在1時刻，3D4D試件沖擊側(cè)面形成沿編織角方向擴(kuò)展的剪切帶；2時刻沖擊背面纖維束沿著剪切帶方向開始斷裂；3時刻，斷裂由沖擊背面向沖擊面擴(kuò)展；4時刻，纖維束完全斷裂，達(dá)到最大沖擊變形；5時刻，試件回彈，變形回復(fù)。由圖9(b)可知，與3D4D試件相比，3D5D試件紗線屈曲變形并伴有樹脂脆裂及脫落，沖擊側(cè)面產(chǎn)生剪切帶，損傷擴(kuò)展不明顯。在本試驗(yàn)條件下，3D5D試件的纖維未斷裂，結(jié)構(gòu)保持完整。圖10為編織紗和軸紗應(yīng)力狀態(tài)示意圖。3D5D編織復(fù)合材料中軸紗不參與編織，垂直于施加載荷F，且其編織紗受到的載荷Fcosα小于軸紗。在沖擊變形時，軸紗先承力，其應(yīng)力迅速增強(qiáng)，紗線產(chǎn)生屈曲變形并沿軸向傳播給編織紗，有效抵抗沖擊變形。

3種沖擊氣壓條件下3D4D、3D5D試件橫向沖擊最終破壞形態(tài)如圖11所示。由圖11可知，3D4D、3D5D試件損傷程度都隨著沖擊氣壓增大而增大，且損傷區(qū)域都集中在沖擊區(qū)。在相同氣壓下兩種試件的破壞模式有顯著差異。當(dāng)沖擊氣壓為0.20 MPa時，3D4D試件主要破壞模式為樹脂沿編織方向開裂，沖擊面邊緣部分基體脫落；3D5D試件樹脂脆裂，沖擊損傷面積較小。當(dāng)沖擊氣壓為0.25 MPa 時，3D4D試件樹脂和纖維束脫黏，裂紋向沖擊周圍區(qū)域擴(kuò)展；3D5D試件沖擊損傷區(qū)域增大，裂紋橫向擴(kuò)展不明顯。當(dāng)沖擊氣壓為0.30 MPa時，3D4D試件纖維束斷裂并產(chǎn)生抽拔，部分纖維束表現(xiàn)出剪切破壞特征，斷裂口基本平整，呈現(xiàn)一定脆性特征；3D5D試件沖擊區(qū)樹脂脫落，裂紋沿橫向擴(kuò)展。3D4D試件主要失效模式包括基體脆裂、界面脫黏及開裂、纖維束斷裂，而3D5D試件主要破壞模式是表面大量樹脂脆裂及脫落。由此表明，軸紗增大了3D5D試件的彎曲模量，使該三維編織復(fù)合材料抗橫向沖擊變形能力提高。

(a) 軸紗

(b) 編織紗圖10 軸紗和編織紗應(yīng)力狀態(tài)示意圖

Fig.10Theschematicdiagramofstressstateoftheaxialyarnsandbraidingyarns

(a) 3D4D試件

(b) 3D5D試件圖11 3種沖擊氣壓條件下3D4D、3D5D試件最終破壞形態(tài)圖Fig.11 Final damage morphology of 3D4D and 3D5Dsamples under three gas pressures

3 結(jié) 論

(1) 在本文試驗(yàn)條件下，三維編織復(fù)合材料橫向沖擊載荷峰值隨著沖擊氣壓增加而增大，而隨沖擊循環(huán)的增加而減小。與3D4D試件相比，3D5D試件沖擊載荷峰值較大，沖擊變形較小。

(2) 沖擊循環(huán)位移-時間曲線存在上升和回彈兩個階段。與3D4D試件相比，3D5D試件最大沖擊位移較小。沖擊氣壓為0.30 MPa時，3D4D試件在第9個沖擊循環(huán)發(fā)生斷裂，斷裂失效時刻試件曲線波動劇烈，位移驟增，變形急劇增加。3D5D試件的沖擊循環(huán)位移-時間曲線平緩，位移增加緩慢，未發(fā)生斷裂失效，結(jié)構(gòu)保持完整。

(3) 3D4D編織復(fù)合材料主要破壞模式包括：基體脆裂、樹脂與纖維脫黏、界面開裂、纖維束橫向剪切斷裂及抽拔。3D5D編織復(fù)合材料在沖擊變形時軸紗先承力，使紗線屈曲變形，應(yīng)力沿軸向傳播，結(jié)構(gòu)保持完整，破壞模式主要是基體脆裂及脫落。因此，軸紗提高了3D5D編織復(fù)合材料彎曲模量，對抵抗橫向沖擊變形影響顯著。