南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019

三維機(jī)織夾芯織物的中間芯材與上、下表層整體交織聯(lián)結(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。三維夾芯復(fù)合材料是以三維機(jī)織夾芯織物為預(yù)制體，由環(huán)氧樹脂和固化劑制成樹脂基體，再在其上覆蓋玻纖織物而形成的新型三維夾芯復(fù)合材料[2-3]。此類材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、抗沖擊、耐壓等特點(diǎn)，近年來在航空航天及交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-5]。

圖1 三維機(jī)織夾芯織物結(jié)構(gòu)示意

三維夾芯復(fù)合材料是一種輕質(zhì)的新型夾層材料，在高性能復(fù)合材料運(yùn)用方面具有很大優(yōu)勢[6-7]。現(xiàn)階段，三維夾芯復(fù)合材料已大量應(yīng)用于軍事、軌道交通、航空、船身、裝甲車身、油管夾層、保溫隔聲材料等領(lǐng)域[9-13]。 HOSUR等[8]在三維夾芯復(fù)合材料的復(fù)合工藝研究過程中，把三維夾芯復(fù)合材料的低速?zèng)_擊性能隨其材質(zhì)不同而變化的規(guī)律作為重點(diǎn)研究內(nèi)容。三維夾芯復(fù)合材料在長期使用過程中由于受到外力作用和環(huán)境變化的影響會(huì)發(fā)生損傷和破壞，所以對(duì)三維夾芯復(fù)合材料沖擊損傷后的彎曲性能進(jìn)行測定，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義[14-17]。

本文以間隔高度為10.0 mm的三維機(jī)織夾芯織物作為預(yù)制體，采用手糊成型工藝制備三維夾芯復(fù)合材料，并以不同沖擊高度進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，以模擬不同能量級(jí)別的沖擊作用，主要對(duì)三維夾芯復(fù)合材料沖擊損傷后的彎曲性能做初步探究，重點(diǎn)分析沖擊高度與彎曲性能的相關(guān)性，以期為此類復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷后的力學(xué)性能探究及優(yōu)化提供一定的參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料及主要設(shè)備

(1) 原材料：間隔高度10.0 mm的三維機(jī)織夾芯織物(纖維原料為136 tex無堿玻纖紗)；玻纖平紋織物(纖維原料為136 tex無堿玻纖紗，織物經(jīng)緯密度均為12根/cm)；環(huán)氧樹脂(E-51)；固化劑(H-023)。

(2) 主要設(shè)備：101A-4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱；低速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置(沖擊頭質(zhì)量約5 kg)；Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試樣的制備及類型

采用手糊成型工藝，將環(huán)氧樹脂E-51與固化劑H-023按4 ∶1的質(zhì)量比配置成樹脂基體，其質(zhì)量為三維機(jī)織夾芯織物的1.2倍。然后將三維機(jī)織夾芯織物與樹脂基體復(fù)合，得到圖2所示的未鋪層試樣。再采用不同的鋪層方式，在未鋪層試樣的單面或雙面復(fù)合單層或雙層玻纖平紋織物，得到4種不同類型的三維夾芯復(fù)合材料試樣(即鋪層試樣)。試樣編號(hào)、鋪層方式和結(jié)構(gòu)示意見表1。其中，4種鋪層試樣的結(jié)構(gòu)示意以試樣1的結(jié)構(gòu)示意為基礎(chǔ)，其上下方的橫線表示玻纖平紋織物。

圖2 未鋪層試樣實(shí)物照片

表1 試樣編號(hào)、鋪層方式及結(jié)構(gòu)示意

1.3 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)原理

1.3.1.1 試樣吸收的能量

① 沖擊頭瞬時(shí)最大沖擊動(dòng)能Ei：

(1)

式中：M——沖擊頭質(zhì)量，kg；

Vi——最大瞬時(shí)沖擊速度，m/s。

② 試樣損傷時(shí)吸收的能量ΔE：

(2)

式中：Vf——沖擊頭因試樣反彈所產(chǎn)生的最大瞬時(shí)反向速度，m/s。

1.3.1.2 沖擊載荷及沖擊點(diǎn)位移

① 沖擊載荷的計(jì)算式：

(3)

② 沖擊點(diǎn)位移的計(jì)算式：

(4)

式中：a(t)——加速度，m/s2(取自記錄所得的加速度對(duì)時(shí)間的曲線)；

V(t)——沖擊頭在t時(shí)刻的速度，m/s；

S(t)——沖擊頭在t時(shí)刻的位移，m。

1.3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用定量分析方法。通過調(diào)整沖擊頭下落高度控制沖擊速度和能量。采用5種間隔相等的沖擊高度(50.0、 100.0、 150.0、 200.0、 250.0 mm)，沿試樣的經(jīng)、緯向分別進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)。試驗(yàn)用的低速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置的沖擊頭為鋼質(zhì)，呈半球形，質(zhì)量約5 kg，直徑為12.7 mm；沖擊部分為四周用螺栓緊固、直徑為120.0 mm的圓形夾板。需要注意的是，沖擊頭下落前需處于靜止?fàn)顟B(tài)并保證其軸線與夾持試樣板平面垂直。

圖3 未鋪層試樣沖擊前后的形貌(沖擊高度為100.0 mm)

將試樣放入直徑為120.0 mm的圓形夾板的中心位置，蓋好上層鋼板并旋緊螺栓，將沖擊頭上升到試驗(yàn)設(shè)定的下落高度，待沖擊頭穩(wěn)定后，瞬時(shí)將其放開，沖擊頭便以一定的速度沖擊試樣，完成對(duì)試樣的低速?zèng)_擊試驗(yàn)。圖3所示為沖擊高度為100.0 mm時(shí)未鋪層試樣沖擊前后的形貌，很顯然，沖擊后試樣的形貌受到損傷。

1.4 彎曲性能測定

按照GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能測試方法》[18]的相關(guān)規(guī)定，使用Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(簡稱“試驗(yàn)機(jī)”)對(duì)低速?zèng)_擊試驗(yàn)后的試樣的彎曲性能進(jìn)行測試。試樣尺寸為170.0 mm×60.0 mm，試驗(yàn)機(jī)的彎曲跨度、測試速度、下夾頭跨距依次設(shè)定為130.0 mm、 5 mm/min、 60.0 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 彎曲性能

以沖擊高度為200.0 mm的雙面鋪單層試樣的經(jīng)向?yàn)槔?，其彎曲性能由圖4所示的彎曲載荷-壓頭下壓時(shí)間曲線可知。

圖4 彎曲載荷-壓頭下壓時(shí)間曲線

隨著測試過程的持續(xù)進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)上的壓頭下壓位移逐漸增加，試樣的彎曲載荷首先呈線性增加，然后增速有所減小，彎曲載荷達(dá)到最大值；之后，彎曲載荷-壓頭下壓時(shí)間曲線急速下降，彎曲載荷快速減小。整個(gè)測試過程伴隨著試樣形貌破壞現(xiàn)象：首先，上表面與壓頭接觸部位發(fā)白，小部分樹脂基體斷裂；然后，發(fā)白部位(即應(yīng)力集中區(qū)域)的樹脂基體斷裂，上層玻纖平紋織物中的纖維逐步斷裂，中間的三維機(jī)織夾芯織物逐步塌陷，下表面的樹脂基體輕微破裂，下層玻纖平紋織物中的纖維逐漸被拉斷；接著，上表面與壓頭接觸部位的樹脂基體全部破裂，下表面的樹脂基體陸續(xù)發(fā)生破壞，三維機(jī)織夾芯織物中的纖維逐步斷裂；最終，試樣完全破壞。整個(gè)測試過程中，樹脂基體脆斷和纖維斷裂的聲音持續(xù)不斷。

2.2 沖擊高度與彎曲性能的相關(guān)性

經(jīng)測試，5種試樣沖擊損傷后所能承受的最大抗彎曲能力均呈規(guī)律性變化。

以未鋪層試樣為例，其經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度-沖擊高度曲線如圖5所示。很顯然，隨著沖擊高度的增大，同種三維夾芯復(fù)合材料的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度逐漸減小。

圖5 未鋪層試樣的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度-沖擊高度曲線

圖6 不同類型試樣的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度(沖擊高度為50.0 mm)

當(dāng)沖擊高度為50.0 mm時(shí)，不同類型試樣的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度如圖6所示，其經(jīng)、緯向剩余彎曲強(qiáng)度對(duì)比如圖7所示。由圖6可知，未鋪層、單面鋪單層、雙面鋪單層、單面鋪雙層、雙面鋪雙層試樣的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度逐漸增大。由圖7可知，同種試樣的緯向剩余彎曲強(qiáng)度大于其經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度。沖擊高度為50.0 mm時(shí)，雙面鋪單層試樣的經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度為6.229 MPa，緯向剩余彎曲強(qiáng)度為11.611 MPa，這主要是由三維夾芯復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。

圖7 不同類型試樣的經(jīng)、緯向剩余彎曲強(qiáng)度對(duì)比(沖擊高度為50.0 mm)

沖擊高度對(duì)不同類型試樣的經(jīng)、緯向剩余彎曲強(qiáng)度的影響如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知：①對(duì)于同種試樣，沖擊高度越大，試樣沖擊損傷后的剩余彎曲強(qiáng)度越低。其原因是沖擊高度越大，外力對(duì)三維夾芯復(fù)合材料內(nèi)部的纖維造成的損傷越嚴(yán)重，導(dǎo)致三維夾芯復(fù)合材料的載荷能力越小。②沖擊高度一定時(shí)，雙面鋪雙層、單面鋪雙層、雙面鋪單層、單面鋪單層、未鋪層試樣的剩余彎曲強(qiáng)度依次減小。其原因是在三維機(jī)織夾芯織物的單面或雙面復(fù)合的玻纖平紋織物中的玻纖增強(qiáng)了三維夾芯復(fù)合材料的抗沖擊性能。

圖8 沖擊高度-經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度曲線

圖9 沖擊高度-緯向剩余彎曲強(qiáng)度曲線

3 結(jié)論

(1) 沖擊高度越高，同種三維夾芯復(fù)合材料沖擊損傷后的抗彎曲能力越小。

(2) 沖擊高度一定時(shí)，同種三維夾芯復(fù)合材料的緯向剩余彎曲強(qiáng)度大于經(jīng)向剩余彎曲強(qiáng)度。

(3) 沖擊高度一定時(shí)， 5種不同類型的三維夾芯復(fù)合材料沖擊損傷后的抗彎曲能力由大到小依次為雙面鋪雙層、單面鋪雙層、雙面鋪單層、單面鋪單層、未鋪層。

(4) 三維夾芯復(fù)合材料的破壞主要表現(xiàn)為樹脂基體的斷裂，上下表層的玻纖平紋織物中的玻纖脆斷，以及內(nèi)部的三維機(jī)織夾芯織物中的纖維滑脫及斷裂導(dǎo)致的芯材塌陷。