吳曉川，劉豐，李志坤，劉云志，趙倩娟，趙蒙蒙

(先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083)

三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與二維復(fù)合材料相比，由于在Z 向引入了增強(qiáng)體，層間結(jié)合能力強(qiáng)，損傷容限高，受到了學(xué)者們的關(guān)注[1]。目前已廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)喉襯[2]、獵戶座飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)[3]、X–37B 飛行器機(jī)翼[4]、GEnx 發(fā)動機(jī)葉片[5]等關(guān)鍵零部件。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，航空航天、國防軍工、交通運輸?shù)雀咝录夹g(shù)領(lǐng)域?qū)?fù)合材料構(gòu)件的需求越來越大[6]，且著重于尺寸大型化、結(jié)構(gòu)整體化三維復(fù)合材料構(gòu)件的低成本、自動化、一體化成形的核心技術(shù)攻關(guān)[7]。

先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室單忠德團(tuán)隊[8]發(fā)明了復(fù)合材料柔性導(dǎo)向三維織造成形方法，將導(dǎo)向模板和導(dǎo)向陣列引入三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的織造成形過程中，利用導(dǎo)向模板設(shè)計、導(dǎo)向陣列預(yù)置，形成Z 向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)，在三維CAD 模型驅(qū)動下，織造纖維束以導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為節(jié)點進(jìn)行層層織造成形，最終得到三維結(jié)構(gòu)預(yù)制體。該復(fù)合材料三維織造成形方法可制備預(yù)制體尺寸由導(dǎo)向模板大小、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)高度決定，理論上可實現(xiàn)大型復(fù)合材料預(yù)制體的整體成形；并且由CAD 模型驅(qū)動織造系統(tǒng)，易于實現(xiàn)三維復(fù)合材料成形過程的數(shù)字化、自動化。Kang Huairong 等[9]研究了纖維棒作為Z 向增強(qiáng)體的柔性導(dǎo)向復(fù)合材料細(xì)觀模型，討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能之間的關(guān)系；師有玲等[10]基于不同的織造路徑和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了柔性導(dǎo)向三維織造復(fù)合材料細(xì)觀模型，研究了該復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和纖維體積分?jǐn)?shù)之間的影響規(guī)律。劉云志等[11]分析了柔性導(dǎo)向三維織造預(yù)制體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，探究了宏觀壓實致密化參數(shù)對預(yù)制體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，為研究復(fù)合材料的性能提供了參考。

應(yīng)志平[12]研究了三維正交機(jī)織復(fù)合材料中緯紗卷曲、經(jīng)紗扭轉(zhuǎn)對材料壓縮性能的影響規(guī)律，提出緯紗卷曲和經(jīng)紗扭轉(zhuǎn)均會降低正交復(fù)合材料壓縮性能；于嬌[13]、黃雄[14]以三維編織復(fù)合材料為研究對象，討論了材料的面外動態(tài)壓縮特性，指出復(fù)合材料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)特征對材料裂紋分布和壓縮變形行為具有顯著影響。劉軍等[15]建立了三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了材料的低速沖擊壓縮破壞性質(zhì)和失效行為，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊能量的不同，材料的壓縮破壞模式也會不同。

筆者以柔性導(dǎo)向三維復(fù)合材料為研究對象，通過柔性導(dǎo)向三維復(fù)合材料面內(nèi)壓縮強(qiáng)度測試、壓縮變形行為和失效行為分析，進(jìn)一步探究Z 向增強(qiáng)體對三維復(fù)合材料壓縮性能影響規(guī)律的研究。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料力學(xué)性能研究具有一定借鑒意義，為三維復(fù)合材料的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹脂系統(tǒng)：Araldite LY1564 SP／Hardener XB3486，美國HUNTSMANA 公司；

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂三維復(fù)合材料：自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

柔性導(dǎo)向三維織造成形機(jī)：自制；

萬能材料試驗機(jī)：WDW–200 型，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡：ULTRA 55 型，德國ZEISS 公司；

高清數(shù)碼相機(jī)：索尼Alpha 公司。

1.3 試樣制備

試樣為碳纖維／環(huán)氧樹脂三維復(fù)合材料，采用先進(jìn)成形國家重點實驗室自主研發(fā)的復(fù)合材料柔性導(dǎo)向三維織造成形機(jī)進(jìn)行試樣預(yù)制體的成形織造，Z 向增強(qiáng)體選用連續(xù)拉擠成型的碳纖維／乙烯基復(fù)合材料棒(以下稱導(dǎo)向套)，織造纖維采用6K 規(guī)格T300 碳纖維。利用真空輔助成型工藝(VARI)進(jìn)行樹脂浸漬，待預(yù)制體固化成型后經(jīng)機(jī)械加工，獲得尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的壓縮試樣。

依據(jù)導(dǎo)向陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，壓縮試樣編號見表1。

表1 試樣編號及參數(shù)

1.4 壓縮測試

采用含導(dǎo)向套的三維織造復(fù)合材料為研究對象，如圖1 所示，沿導(dǎo)向套軸向作為試樣的厚度方向，X／Y 向壓縮測試則垂直于導(dǎo)向套軸向。壓縮試驗在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，壓縮試驗加載速率為2 mm／min，實驗環(huán)境溫度20～30℃。

圖1 三維織造復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖

采用高清數(shù)碼相機(jī)和熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對壓縮破壞后試樣的宏觀破壞模式和微觀形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線特性

復(fù)合材料具有較高的可設(shè)計性，原材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同均使復(fù)合材料具有不同的性能表征，導(dǎo)向套作為三維織造復(fù)合材料的Z 向增強(qiáng)體，其直徑、排布間隙直接影響復(fù)合材料的壓縮性能表征。

圖2 為不同導(dǎo)向套排布參數(shù)下三維織造復(fù)合材料的X／Y 向壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線，可知，沿X／Y向壓縮時，三維織造復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的韌性斷裂的特征。當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙相同時，導(dǎo)向套直徑1.5 mm 的試樣，其壓縮強(qiáng)度明顯高于導(dǎo)向套直徑6 mm 的試樣；當(dāng)導(dǎo)向套直徑相同時，排布間隙為4.5 mm 的試樣均表現(xiàn)出較高的壓縮強(qiáng)度。

圖2 三維織造復(fù)合材料X／Y 向壓縮的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

試樣在加載初期，導(dǎo)向套、纖維、基體協(xié)同變形，隨著壓縮載荷的增加，試樣變形量增大，由于導(dǎo)向套附近存在富樹脂區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)向套／基體界面處首先產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸積累形成宏觀裂紋，并隨著壓縮變形量的增加逐步向基體、纖維處擴(kuò)展，如圖3 所示。當(dāng)與加載方向平行的纖維束發(fā)生屈曲失效后，還未發(fā)生斷裂的導(dǎo)向套作為主要承載單元。所以，應(yīng)力達(dá)到最高值后，未發(fā)生迅速下降，而是出現(xiàn)緩慢的降低，由于導(dǎo)向套的存在，試樣的壓縮變形過程表現(xiàn)出較好的韌性特征。

圖3 X／Y 向壓縮時裂紋擴(kuò)展示意圖

2.2 壓縮破壞機(jī)制分析

為進(jìn)一步探究三維織造復(fù)合材料的X／Y 向壓縮變形特性，開展了試樣壓縮破壞機(jī)制分析。圖4為導(dǎo)向套直徑6 mm 時試樣X／Y 向壓縮破壞模式圖片，可知，試樣發(fā)生壓縮破壞失效后，導(dǎo)向套基本未產(chǎn)生明顯變形，導(dǎo)向套與樹脂基體的剝離較為明顯。隨著導(dǎo)向套排布間隙的減小，試樣發(fā)生壓縮破壞后，試樣的形量變增大，主要是由于纖維束隨著導(dǎo)向套排布間隙的減小會產(chǎn)生嚴(yán)重扭折，在壓縮加載時，纖維束更易發(fā)生斷裂，大幅度降低了試樣的抗壓縮能力。試樣的X／Y 向壓縮破壞模式主要有基體開裂、導(dǎo)向套與樹脂基體剝離以及內(nèi)部纖維的斷裂。

圖4 導(dǎo)向直徑為6 mm 的試樣X／Y 向壓縮破壞模式

利用場發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行樣品破壞面的微觀觀察，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙較小時，纖維束在織造過程中便已產(chǎn)生屈曲，因此在壓縮破壞時，較小的壓縮應(yīng)力即可使纖維發(fā)生進(jìn)一步的彎折斷裂，從而失效，如圖5a 所示；而當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙較大時，纖維的斷裂表現(xiàn)為剪切斷裂，纖維斷口整齊，如圖5b 所示。

圖5 不同排布間隙試樣中纖維的斷裂模式

圖6 是導(dǎo)向套直徑1.5 mm 時試樣的X／Y 向壓縮破壞模式圖片，由圖6 可知，試樣均發(fā)生了典型的剪切破壞，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙減小至2 mm 時，試樣被壓潰，不僅是試樣中基體發(fā)生剪切破壞，沿壓縮加載方向的纖維幾乎完全斷裂。在X／Y 向壓縮過程中，與壓縮加載方向平行的纖維束為主要承載單元，當(dāng)承載纖維束發(fā)生斷裂失效后，基體已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重開裂，此時導(dǎo)向套則作為主要承載單元。與導(dǎo)向套直徑為6 mm 的試樣組(圖4)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)，相同排布間隙條件下，隨著導(dǎo)向套直徑的減小，導(dǎo)向套周圍富樹脂區(qū)比例減小，試樣整體均勻性提高，基體、纖維束、導(dǎo)向套之間的變形協(xié)同性更好。

圖6 導(dǎo)向直徑為1.5 mm 的試樣X／Y 向壓縮破壞模式

由于壓縮載荷加載方向垂直于導(dǎo)向套軸向，導(dǎo)向套內(nèi)部出現(xiàn)開裂，如圖7 所示，導(dǎo)向套的劈裂吸收了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動能。此時，試樣的壓縮破壞模式除了基體開裂、纖維斷裂、導(dǎo)向套與樹脂基體的界面剝離外，試樣中還存在導(dǎo)向套的局部開裂。

圖7 X／Y 向壓縮時導(dǎo)向套發(fā)生劈裂

采用的織造纖維束為6K 規(guī)格碳纖維束，紗線截面形狀呈扁帶狀，紗線厚度約為0.1 mm，寬度大小在4.0～4.5 mm 之間，因此，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙減小至2 mm 時，間隙過窄導(dǎo)致纖維束無法平整鋪放而產(chǎn)生嚴(yán)重的扭折，從而大幅度降低了纖維束的增強(qiáng)效果。當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙為4.5 mm 或6 mm時，纖維束可平展鋪設(shè)于導(dǎo)向陣列縫隙，且纖維束寬度與導(dǎo)向套排布間隙相近，避免纖維束的彎折或扭轉(zhuǎn)，從而使成型后復(fù)合材料獲得較好的性能。

3 結(jié)論

含導(dǎo)向套的三維織造復(fù)合材料，其面內(nèi)壓縮破壞均表現(xiàn)出塑性斷裂特征，X／Y 向壓縮變形過程中，平行于加載方向的纖維束為主要承載單元，導(dǎo)向套作為增強(qiáng)體與面內(nèi)纖維束發(fā)生協(xié)同壓縮變形。依據(jù)導(dǎo)向套的排布參數(shù)的不同，導(dǎo)向套的損傷模式主要有：①導(dǎo)向套／基體界面分離；②導(dǎo)向套軸向開裂；③導(dǎo)向套剪切斷裂。隨著導(dǎo)向套直徑的減小，導(dǎo)向套的壓縮斷裂模式由導(dǎo)向套／基體分離轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)向套／基體分離與導(dǎo)向套剪切斷裂或軸向開裂的混合損傷模式，提高了材料的壓縮斷裂應(yīng)力。為避免纖維束在織造成形過程中產(chǎn)生彎折或扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)向陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮導(dǎo)向套排布間隙大小與所選纖維束尺寸相近。