陳 偉 張 楠 李 超 周光明

（1 南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

（2 中材科技股份有限公司南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，南京 210012）

文 摘 為了研究纖維混雜對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能的影響，本文基于同一種淺交彎聯(lián)三維機(jī)織結(jié)構(gòu)制備成型了全碳纖維（T700）和玻璃/碳纖維（E-glass/T700）緯向混雜兩種不同的復(fù)合材料。以上述兩種復(fù)合材料為研究對(duì)象進(jìn)行低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定沖擊能量分別為10、23 和40 J。結(jié)果表明：在不超過(guò)40 J 的沖擊能量下，兩種復(fù)合材料均未被沖破；在三種沖擊能量下，混雜材料的峰值力均小于全碳材料，其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的沖擊能量下，混雜材料的損傷程度小于全碳材料；但當(dāng)沖擊能量達(dá)到40 J時(shí)，混雜材料的損傷程度大于全碳材料。

0 引言

與層合板和二維機(jī)織復(fù)合材料相比，三維機(jī)織復(fù)合材料由于其紗線在材料內(nèi)迂回曲折的紡織結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的抗分層性能和抗沖擊性能［1-2］。得益于其比強(qiáng)度、比模量高的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)碳纖維增強(qiáng)三維機(jī)織復(fù)合材料在航空航天、汽車(chē)、船舶、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在上述應(yīng)用環(huán)境中，低速?zèng)_擊載荷時(shí)而發(fā)生［3］，然而由于碳纖維本身質(zhì)硬且韌性差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)三維機(jī)織復(fù)合材料抵抗損傷的能力也較差。

目前，增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊與抗損傷性能的方法已經(jīng)被廣泛研究。其中一種方法旨在通過(guò)提高基體材料的力學(xué)性能來(lái)達(dá)到目的。REIS 等人［4］在凱夫拉纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料中分別填充軟木粉與納米黏土兩種不同的填充料，研究不同填充料對(duì)材料沖擊行為和損傷容限的影響。研究發(fā)現(xiàn)，填充料的添加增大了材料的沖擊載荷，特別是在沖擊能量較高的情況下，黏土的添加增大了材料約29%的破壞面積，但使材料的剩余強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

另外，纖維混雜也成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。SARASINI 等［5］研究了玄武巖纖維混雜對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)和低速?zèng)_擊性能的影響，兩種不同疊層混雜順序的二維機(jī)織復(fù)合材料分別在5、12.5和25 J能量下進(jìn)行低速?zèng)_擊以及剩余性能試驗(yàn)。研究表明，插層式混雜復(fù)合材料在受低速?zèng)_擊載荷時(shí)有更好的能量吸收能力，起到了增強(qiáng)全碳纖維復(fù)合材料抗損傷能力的作用，而夾層式混雜復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的抗彎曲性能和更高的剩余強(qiáng)度。

上述研究關(guān)注的重點(diǎn)是不同的層疊順序?qū)Σ牧系退贈(zèng)_擊性能的影響，本質(zhì)上都是層間混雜。PEGORETTI 等［6］研究了兩種不同結(jié)構(gòu)（層間混雜和層內(nèi)混雜）的無(wú)堿玻璃纖維/PVA 混雜層疊機(jī)織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊性能。在該研究中，層內(nèi)混雜復(fù)合材料有著更好的拉伸和沖擊性能。WANG 等［7］研究了混雜三維機(jī)織復(fù)合材料中纖維排列對(duì)低速?zèng)_擊性能的影響。在該研究中，芳綸纖維、玄武巖纖維和環(huán)氧樹(shù)脂被用來(lái)制造層間混雜和層內(nèi)混雜兩種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。研究表明，層間混雜復(fù)合材料與層內(nèi)混雜復(fù)合材料相比，具有更高的韌性指數(shù)、更低的峰值載荷和更高的能量吸收率。

楊斌等［8］利用真空袋輔助熱壓工藝制備了玻-碳纖維機(jī)織混雜復(fù)合材料層合板（GF-CF/PCBT），以試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式研究了該材料的層間性能和低速?zèng)_擊性能。研究發(fā)現(xiàn)：盡管CF/PCBT 復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間性能，當(dāng)沖擊能量達(dá)到114.3 J 時(shí)，CF/PCBT 復(fù)合材料層合板被完全穿透，而GF-CF/PCBT 混雜復(fù)合材料層合板只在表面形成凹痕，且根據(jù)仿真結(jié)果顯示，沖擊引起的應(yīng)力在CF 中的分布區(qū)域要明顯大于在GF中的分布區(qū)域。

以上研究的共同點(diǎn)都是用高應(yīng)變率纖維（如玻璃纖維、芳綸纖維等）的混入來(lái)提高脆性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)沖擊載荷的抗損傷能力。易凱等［9］研究了混雜纖維復(fù)合材料層合板的抗彈沖擊性能，研究表明不論是碳纖維或者是玻璃纖維的混入，其抗彈沖擊性能均優(yōu)于純芳綸復(fù)合材料。其將應(yīng)變率較低的纖維混入芳綸纖維中，也得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和混雜形式的多樣性，纖維混雜對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能的影響也是多變的，至今沒(méi)有找到普適性的規(guī)律，需要對(duì)特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的分析。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，仍多集中于對(duì)二維結(jié)構(gòu)層間混雜的研究，對(duì)三維結(jié)構(gòu)纖維混雜的研究較少。另外，在混入纖維的選擇上，高強(qiáng)度纖維（如芳綸纖維）的關(guān)注度較高，而諸如玻璃纖維之類(lèi)的廉價(jià)纖維則被忽視。廉價(jià)纖維的混入能否在保證材料力學(xué)性能的前提下獲得較高的性價(jià)比，仍然是一個(gè)值得研究的課題。本文將無(wú)堿玻璃纖維混入一種特定結(jié)構(gòu)的碳纖維三維機(jī)織復(fù)合材料中，研究無(wú)堿玻璃纖維的混入對(duì)材料抗沖擊性能的影響，比較混雜前后兩種材料沖擊響應(yīng)和損傷情況的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制作

淺交彎聯(lián)三維機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。全碳纖維增強(qiáng)三維機(jī)織復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱全碳材料，用C 表示）的經(jīng)、緯紗均采用碳纖維機(jī)織而成；玻璃/碳纖維緯向混雜三維機(jī)織復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱混雜材料，用G/C表示）的經(jīng)紗仍采用碳纖維，而緯紗間隔性地以1∶1 的比例替換為玻璃纖維（圖2）。

圖1 三維機(jī)織復(fù)合材結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of 3D woven composites

圖2 玻璃/碳纖維纖維混雜形式Fig.2 Hybridization of carbon and glass fibers

淺交彎聯(lián)三維機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制體所使用的碳纖維為日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12K 型纖維；玻璃纖維為中材科技股份有限公司南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的無(wú)堿玻璃纖維。成型所使用的樹(shù)脂體系為美國(guó)瀚森（HEXION）有限公司生產(chǎn)的EPIKOTE?Resin MGS?RIMR036 樹(shù)脂和EPIKURE?Curing Agent MGS?RIMH039固化劑。

采用RTM 工藝將三維機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制體固化成型，得到厚度約3.4 mm 的板材，兩種材料的纖維體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)詳見(jiàn)表1。根據(jù)低速?zèng)_擊標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7136/D7136M-15［10］中規(guī)定，將板材制作成尺寸為150 mm×100 mm的試驗(yàn)件。

表1 沖擊試驗(yàn)件材料參數(shù)表Tab.1 Thickness and fiber volume fraction of the specimens

1.2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

低速?zèng)_擊試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定的沖擊能量分別為10、23 和40 J，每種沖擊能量對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)件共5 件。為了在記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)便于區(qū)分，在每種材料編號(hào)后加上沖擊能量的數(shù)值來(lái)表示不同工況的試驗(yàn)件，如C-10 表示沖擊能量為10 J的全碳材料試驗(yàn)件。

INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集低速?zèng)_擊試驗(yàn)過(guò)程中的力、能量、位移和持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可以得到兩種材料在不同沖擊能量下的力-位移曲線和能量-時(shí)間曲線。

2 結(jié)果分析

2.1 低速?zèng)_擊響應(yīng)

圖3為全碳材料和混雜材料在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中的力-位移響應(yīng)曲線。

圖3 力-位移響應(yīng)曲線Fig.3 Force-displacement curves

可以看到，兩種試驗(yàn)件在受低速?zèng)_擊過(guò)程中，峰值力和最大位移均隨著沖擊能量的增大而增大；在相同的沖擊能量下，全碳材料的峰值力大于混雜材料，而混雜材料的最大位移則大于全碳材料。有研究表明材料的初始模量對(duì)低速?zèng)_擊峰值力影響較大［11］。結(jié)合圖3可知，由于碳纖維本身模量較大的特點(diǎn)，全碳纖維試驗(yàn)件在受低速?zèng)_擊過(guò)程中變形量小，所受的沖擊載荷較大；相比較而言，由于玻璃纖維的混入，混雜材料模量降低，低速?zèng)_擊過(guò)程中變形量大，而所受的沖擊載荷較小。

圖4為全碳材料和混雜材料在低速?zèng)_擊過(guò)程中的吸收能量-時(shí)間響應(yīng)曲線。在相同的沖擊能量下，兩種材料響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本相同，混雜材料在低速?zèng)_擊過(guò)程結(jié)束后的吸收能量要比全碳材料多，并且整個(gè)沖擊過(guò)程持續(xù)的時(shí)間也較長(zhǎng)。

圖4 能量-時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.4 Energy-time curves

為了進(jìn)一步比較兩種材料在低速?zèng)_擊下的響應(yīng)過(guò)程，將沖擊試驗(yàn)過(guò)程的具體數(shù)據(jù)整理于表2中。由表2可知，在10、23 和40 J 的沖擊能量下，混雜材料所承受的峰值力較全碳材料分別下降了13.4%，9.7%和4.6%；沖擊過(guò)程中的最大位移分別比全碳材料增加了6.9%、7.7%和5.4%；吸收能量分別比全碳材料增加了35.9%、16.8%和0.5%；而沖擊過(guò)程持續(xù)的時(shí)間分別比全碳材料延長(zhǎng)了9.9%、7.5%和2.8%?？偟膩?lái)說(shuō)，由于玻璃纖維的混入，材料的總體模量下降，其沖擊響應(yīng)也隨之變化。隨著沖擊能量的增大，兩種材料沖擊響應(yīng)之間的差異逐漸減小。

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Parameters obtained from impact tests on carbon and hybrid composites

2.2 沖擊損傷評(píng)估

材料沖擊后的損傷程度是衡量其抗低速?zèng)_擊性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。低速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)束后，為了觀察試驗(yàn)件表面的損傷情況，采用光學(xué)顯微鏡拍攝試驗(yàn)件正反表面受沖擊附近區(qū)域。圖5和圖6分別給出了全碳材料試驗(yàn)件和混雜材料試驗(yàn)件正反表面的損傷情況。

圖5 全碳材料表面損傷情況 10×Fig.5 Morphologies of damage in the front and back faces of carbon composites

圖6 混雜材料表面損傷情況 10×Fig.6 Morphologies of damage in the front and back faces of hybrid composites

由圖5可見(jiàn)，沖擊能量為10 和23 J 時(shí)，全碳材料試驗(yàn)件正面均未出現(xiàn)明顯損傷，但是在背面出現(xiàn)了延展式的發(fā)散性微小裂紋；沖擊能量為40 J 時(shí)，全碳材料試驗(yàn)件的正面出現(xiàn)了明顯的凹坑，背面則有凸起。由圖6可見(jiàn)，沖擊能量為10 和23 J 時(shí)，混雜材料試驗(yàn)件的正面也未出現(xiàn)明顯損傷，但背面同樣出現(xiàn)了裂紋；沖擊能量為40 J 時(shí)，混雜材料試驗(yàn)件的正面和背面也出現(xiàn)了凹坑和凸起。

可以看到在沖擊能量為10 和23 J 時(shí)，兩種試驗(yàn)件的正面均未出現(xiàn)明顯的損傷；而背面產(chǎn)生的損傷明顯大于正面。相比較而言，全碳材料背面裂紋相對(duì)較細(xì)，向外發(fā)散的距離較長(zhǎng)，而混雜材料背面裂紋稍寬，且沒(méi)有向外發(fā)散，裂紋區(qū)域的面積比全碳材料要小。這主要是因?yàn)樵诘退贈(zèng)_擊初始階段，沖頭接觸試驗(yàn)件使其受沖擊附近區(qū)域產(chǎn)生屈服于落錘的球形曲面的相似曲線的變形。該變形使試驗(yàn)件厚度方向上靠近背面部分的拉向應(yīng)變明顯大于靠近正面部分的應(yīng)變，而試驗(yàn)件正面在沖擊過(guò)程中主要受落錘沖頭的壓力，在沖擊能量較小的情況下不容易產(chǎn)生損傷。所以，試驗(yàn)件背面的損傷面積明顯大于正面。另一方面，由于全碳材料模量較大，沖擊應(yīng)力波在其中傳播較快，故背面裂紋發(fā)散范圍比混雜材料大。

當(dāng)沖擊能量達(dá)到40 J 時(shí)，兩種材料均出現(xiàn)了相似的永久損傷，試驗(yàn)件正面可以清晰看到落錘沖頭作用產(chǎn)生的圓形壓痕，背面損傷面積仍大于正面，但正面凹坑深度大于背面凸起的高度。

為了進(jìn)一步測(cè)定兩種材料內(nèi)部的損傷情況，分別對(duì)各沖擊能量下的試驗(yàn)件進(jìn)行超聲C 掃檢測(cè)，得到掃描圖像如圖7所示。從圖7中可以清晰地看到兩種材料三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的紗線走向，圖中白色區(qū)域即為材料的損傷區(qū)域。可見(jiàn)，隨著沖擊能量的增加，兩種材料的損傷面積均逐漸增大，損傷區(qū)域的形狀均近似呈圓形。

圖7 超聲C掃檢測(cè)圖像Fig.7 Ultrasonic C-scan images

將超聲C 掃圖像中顯示的損傷區(qū)域邊緣描出，估算材料的損傷面積。另外，能量吸收率（吸收能量與沖擊能量的比值）和材料在沖擊后殘留的凹坑深度都是表征損傷程度的重要指標(biāo)。將這些指標(biāo)的具體數(shù)值整理于表3中。

表3 材料損傷參數(shù)Tab.3 Damage parameters of the materials

綜合考慮各項(xiàng)損傷指標(biāo)，當(dāng)沖擊能量為10 J時(shí)，全碳材料和混雜材料的能量吸收率分別為38.5%和58.4%，損傷面積分別為19和5 mm2，并且都未見(jiàn)明顯的殘留凹坑。相比較而言，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高35.9%，而其損傷面積卻比全碳材料小72.3%。這說(shuō)明在10 J的沖擊能量下，混雜材料能夠更多地吸收沖擊物的能量，并確保損傷面積更小，其抗低速?zèng)_擊性能優(yōu)于全碳材料。同樣地，當(dāng)沖擊能量為23 J時(shí)，全碳材料和混雜材料的能量吸收率分別為59.8%和69.9%，損傷面積分別為47和40 mm2，凹坑深度分別為0.24和0.31 mm。相比較而言，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高16.8%，而其損傷面積比全碳材料小13.6%，且兩者殘留凹坑的深度相差不大。這說(shuō)明在23 J的沖擊能量下，混雜材料的抗沖擊性能仍然優(yōu)于全碳材料，只是優(yōu)勢(shì)已不如10 J時(shí)明顯。

觀察比較沖擊能量為10和23 J時(shí)兩種材料試驗(yàn)件表面的損傷形貌，同時(shí)結(jié)合超聲C掃檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在較低的沖擊能量下，兩種材料的破壞形式僅限于基體開(kāi)裂，并沒(méi)有觀察到纖維斷裂與抽拔破壞。相比較來(lái)說(shuō)，混雜材料裂紋明顯但損傷面積小，而全碳材料裂紋較細(xì)但損傷面積大。這說(shuō)明混雜材料沖擊應(yīng)力集中，而全碳材料中沖擊應(yīng)力波傳播較快，傳播面積較大。結(jié)合能量吸收率，當(dāng)沖擊能量較小時(shí)，混雜材料在沖擊過(guò)程中吸收的能量并沒(méi)有全部用于產(chǎn)生永久性破壞。當(dāng)施加低速?zèng)_擊載荷時(shí)，混雜材料由于模量較小而產(chǎn)生較大變形，該特性使得混雜材料應(yīng)力水平較小且能夠?qū)⒁徊糠治漳芰客ㄟ^(guò)振動(dòng)等方式耗散掉，從而表現(xiàn)出良好的柔韌性，這是混雜材料相較于全碳材料而言能量吸收率高但損傷程度小的原因之一。相對(duì)地，全碳材料由于模量較大，其在受低速?zèng)_擊載荷時(shí)變形量小，從而整體應(yīng)力水平較大且由于沖擊應(yīng)力波在其中傳播速度快、范圍廣，吸收的能量更容易導(dǎo)致材料發(fā)生永久性變形（低能量下表現(xiàn)為基體開(kāi)裂范圍大）。這也是較低沖擊能量下全碳材料能量吸收率低但其損傷面積反而大的原因。

當(dāng)沖擊能量達(dá)到40 J時(shí)，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高0.5%，損傷面積比全碳材料大2.9%，凹坑深度比全碳材料大9.2%。觀察兩種材料試驗(yàn)件的損傷形貌可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊能量達(dá)到40 J時(shí)，均出現(xiàn)了不同程度的纖維斷裂現(xiàn)象。且由于玻璃纖維強(qiáng)度小，混雜材料中玻璃纖維的斷裂現(xiàn)象更加明顯。這說(shuō)明當(dāng)沖擊能量較大時(shí)，玻璃纖維強(qiáng)度較低的劣勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)，混雜材料的強(qiáng)度已不能將部分吸收能量耗散出去，沖擊應(yīng)力波在混雜材料中傳播，造成的損傷比在全碳材料中更大。故此時(shí)，混雜材料能量吸收率高，損傷面積大于全碳材料，與低沖擊能量時(shí)相反。

3 結(jié)論

對(duì)全碳纖維和玻/碳混雜三維機(jī)織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用光學(xué)顯微鏡和超聲C掃技術(shù)對(duì)沖擊損傷進(jìn)行了表征，對(duì)比分析了混雜前后兩種材料沖擊響應(yīng)和損傷差異，獲得研究結(jié)果如下。

（1）隨著沖擊載荷的增大，全碳材料和混雜材料的峰值力、吸收能量和最大位移均隨之增大。

（2）相同沖擊能量下，混雜材料的峰值力比全碳材料小，而吸收能量和最大位移均高于全碳材料，持續(xù)時(shí)間比全碳材料長(zhǎng)。

（3）當(dāng)沖擊能量達(dá)到40 J時(shí)，混雜材料的損傷程度比全碳材料大；但當(dāng)沖擊能量為10和23 J時(shí)，混雜材料損傷程度較小，抗沖擊性能優(yōu)于全碳材料。