戴云鋒， 張典堂， 劉曉東， 趙軍華， 孫 琎*

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比剛度、輕質(zhì)、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶、建筑和體育器材等領(lǐng)域[1-3]。傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板由于只在面內(nèi)存在增強(qiáng)纖維，而在層和層之間只能依靠基體來傳遞和承受面外載荷，所以存在易分層的缺點。不同于層合復(fù)合材料，2.5D機(jī)織復(fù)合材料通過在厚度方向上接結(jié)經(jīng)紗增強(qiáng)了層間性能，相對于層合復(fù)合材料其結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，剪切強(qiáng)度和沖擊損傷容限更高[4-6]；2.5D機(jī)織復(fù)合材料又不同于三維正交機(jī)織復(fù)合材料接結(jié)經(jīng)紗在厚度方向貫穿整個試件厚度，而是連接相鄰的兩層紗線且與厚度方向成一定角度，故在空間中僅視作半維。2.5D機(jī)織復(fù)合材料不僅具有織造工藝穩(wěn)定、一次成型和可連續(xù)化生產(chǎn)的特點，還具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低以及可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點，可滿足大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)需求[7]。

復(fù)合材料在一些復(fù)雜的工作環(huán)境中，受到其他物體的撞擊，導(dǎo)致低速沖擊損傷事件時有發(fā)生。這類損傷通常受沖擊表面痕跡很小，目視難以發(fā)覺或勉強(qiáng)可檢，損傷往往發(fā)生在材料內(nèi)部。在后續(xù)使用過程中，沖擊產(chǎn)生的基體裂紋等損傷會繼續(xù)拓展，易造成應(yīng)力集中從而導(dǎo)致如壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲剛度等材料性能降低[8]，所以對于材料抗沖擊性能的研究是很有必要的[9-10]。損傷表征除了沖擊損傷阻抗能力還有材料或結(jié)構(gòu)在受到損傷后保證安全性的能力即損傷容限[11]。復(fù)合材料沖擊損傷被檢測和修復(fù)之前仍然能夠承受相應(yīng)的工作載荷，所以在發(fā)生低速沖擊后還要進(jìn)行壓縮試驗，測定沖擊損傷對結(jié)構(gòu)性能的影響。當(dāng)前的研究主要是圍繞2.5D機(jī)織復(fù)合材料抗沖擊性能的研究。Kazemianfar等[12]對比了2D與3D機(jī)織復(fù)合材料的抗沖擊性能，結(jié)果顯示3D機(jī)織復(fù)合材料能吸收更多的沖擊能量，且凹坑深度、分層及損傷面積更小。Bandaru等[13]對Kevlar/basalt新型混雜復(fù)合材料進(jìn)行了低速沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)該材料相較于單一增強(qiáng)組分復(fù)合材料能吸收更多的沖擊能量，并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬，結(jié)果與試驗吻合較好。袁守忍等[14]研究了淺交直聯(lián)、淺交彎聯(lián)及深角聯(lián)3種結(jié)構(gòu)2.5D機(jī)織復(fù)合材料的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)淺交聯(lián)相較于深角聯(lián)抗沖擊能力更強(qiáng)，吸收的沖擊能量也更多。李明[15]研究了2.5D機(jī)織復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度，在低速沖擊后對已損傷試件進(jìn)行二次加工制成拉伸試件，測得的剩余強(qiáng)度可能會受到二次加工及拉伸試件切割位置選擇的影響。王柱成等[16]則考慮了溫度對2.5D編織復(fù)合材料沖擊及剩余強(qiáng)度的影響。當(dāng)前，關(guān)于2.5D機(jī)織復(fù)合材料沖擊及沖擊后壓縮性能的研究主要集中在主軸方向上展開[17]，但實際應(yīng)用中含沖擊損傷的部件在繼續(xù)服役時，載荷往往作用于材料的各個方向而非僅限于經(jīng)緯方向。此外，偏軸方向的試驗研究也主要針對未損傷材料的拉伸、壓縮和彎曲等性能而進(jìn)行。楊彩云[18]對2.5D機(jī)織復(fù)合材料多種結(jié)構(gòu)在30°，45°及60°偏軸角度進(jìn)行了拉伸、壓縮及彎曲試驗，得到了材料性能隨偏軸角度變化的星芒圖。Zhang等[19]對2.5D機(jī)織復(fù)合材料30°及45°偏軸角度進(jìn)行了3點彎試驗。目前對于2.5D機(jī)織復(fù)合材料偏軸方向的沖擊后壓縮性能的報道相對較少。課題組針對2.5D機(jī)織復(fù)合材料受2種能量(26.8，80.0 J)沖擊后沿0°及45°方向的壓縮性能開展試驗研究，分析2.5D機(jī)織復(fù)合材料在不同沖擊能量下壓縮性能隨偏軸角變化的規(guī)律，旨在為2.5D機(jī)織復(fù)合材料在工程實踐中得到更為合理而有效的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 低速沖擊試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的增強(qiáng)材料為某有限公司提供的2.5D碳纖維機(jī)織預(yù)制體，預(yù)制體厚度為4 mm，由緯紗、經(jīng)紗和接結(jié)經(jīng)紗3個紗線系統(tǒng)組成；在厚度方向上共有4層緯紗、3層接結(jié)經(jīng)紗及3層經(jīng)紗，接結(jié)經(jīng)紗在厚度方向貫穿2層緯紗，且在緯紗方向與經(jīng)紗排列比為1∶1。紗線均采用某公司生產(chǎn)的T700系列碳纖維，密度為1 800 kg/m3，3種紗線系統(tǒng)的區(qū)別是碳絲數(shù)量不同?；w采用低分子液體雙酚A型環(huán)氧樹脂E51與593型固化劑按照3∶1的比例調(diào)配而成，試驗預(yù)制體及復(fù)合材料參數(shù)如表1所示。2.5D機(jī)織預(yù)制體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 試樣制備

本次試驗采用樹脂傳遞模塑成型(resin transfer molding， RTM)工藝制備2.5D機(jī)織復(fù)合材料。使用RTM工藝制備出的復(fù)合材料孔隙率低、纖維體積分?jǐn)?shù)高，且制備的試樣表面光滑，成型后只需做小的修邊即可。制備具體流程為： 將預(yù)制體裁剪為300 mm×300 mm大小并在模具表面涂抹3～5遍足量的脫模劑，將預(yù)制體充分干燥并稱質(zhì)量后放入模具中密封緊固，使用RTM注射機(jī)將調(diào)配好的樹脂在0.5 MPa壓力下注入模具中，充分浸潤織物后置于烘箱中進(jìn)行后處理，待固化后進(jìn)行脫模，最后按照ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)切割得到150.0 mm×100.0 mm×(4.0±0.1) mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。試樣偏軸角度包括0°和45°，切割示意圖如圖2所示。

表1 2.5D機(jī)織復(fù)合材料詳細(xì)參數(shù)

圖1 2.5D機(jī)織預(yù)制體結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of 2.5D woven preform

圖2 偏軸角試樣切割示意圖Figure 2 Cutting scheme of off-aixs angle sample

1.3 試驗裝置

低速沖擊試驗采用濟(jì)南某儀器公司STLH-300落錘沖擊試驗機(jī)，儀器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM D7136。沖頭采用半球形，直徑為16 mm，落錘總質(zhì)量為6.141 kg，力傳感器量程為20 kN。試樣置于尺寸為300 mm×300 mm并在中心留有125 mm×75 mm矩形鏤空的支撐座上，通過支撐座定位孔調(diào)節(jié)沖擊位置為試樣正中心后，用4個氣動橡膠壓頭壓住試樣的4角進(jìn)行固定。通過改變落錘升降高度來調(diào)節(jié)沖擊能量，本研究中總沖擊能量分別為26.8和80.0 J，沖擊能量與試樣厚度比值為6.5和20.0 J/mm，每種沖擊能量及偏軸角度試件共3件。試驗開始后，將落錘提升至所需高度，沖擊時沿兩側(cè)導(dǎo)軌做自由落體運動，并打開防二次沖擊裝置避免沖頭再次落下對試件造成二次損傷。由于高度限制，在不增加配質(zhì)量的情況下如要獲得更高的沖擊能量，需使用蓄能彈簧以達(dá)到目標(biāo)能量。試驗結(jié)束后落錘沖擊試驗系統(tǒng)會對沖頭載荷及速度傳感器采集的信息進(jìn)行處理，并輸出試驗的載荷、位移、速度、加速度及能量等信息，經(jīng)整理得到文中位移-載荷和時間-能量曲線，沖擊試驗儀器如圖3所示。

圖3 沖擊試驗儀器Figure 3 Drop-weight impact test apparatus

沖擊后壓縮試驗采用INSTRON 3385H萬能試驗機(jī)，參照ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計特制夾具對試樣進(jìn)行夾持，加載速率為1.25 mm/min，試驗機(jī)及夾具如圖4所示。

圖4 沖擊后壓縮試驗設(shè)備及夾具Figure 4 CAI test apparatus and fixture

2 結(jié)果分析與討論

2.1 低速沖擊力學(xué)響應(yīng)特性

低速沖擊試驗中，每種工況進(jìn)行3次重復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果重復(fù)性較好，下文中曲線數(shù)據(jù)為其中1次實驗結(jié)果。課題組選用半球形沖頭且給定的2種沖擊能量對試樣造成的損傷范圍有限，可忽略試樣在沖擊時因偏軸角度不同引起的邊界效應(yīng)差異對沖擊結(jié)果的影響，即不同偏軸角試樣在相同沖擊能量下產(chǎn)生的損傷基本相同。

圖5所示為2種偏軸角度試樣在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線。圖6所示為2種偏軸角度試樣在不同沖擊能量下的能量-時間曲線。

圖5 低速沖擊載荷-位移關(guān)系Figure 5 Load-displacement relations under low-velocity impact

圖6 低速沖擊能量-時間關(guān)系Figure 6 Energy-time relations under low-velocity impact

從圖5看出，2種偏軸角度試樣在相同沖擊能量下的載荷-位移曲線顯示出大致相同的趨勢，但45°試樣相對0°試樣峰值載荷更大且最大位移更小。在初始極小位移內(nèi)(0.0～0.4 mm)，2種角度試樣載荷增長速度相同，說明初始彎曲剛度相同。但隨著沖頭位移的增加，45°試樣相較0°試樣載荷增長更快，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是隨著沖頭位移的增加，載荷不斷向外圍傳遞，在沖擊中心位置時45°試樣比0°試樣具有更長的接結(jié)經(jīng)紗及經(jīng)紗，使得45°試樣具有更大的面內(nèi)剛度。隨著沖頭位移的繼續(xù)增加，載荷進(jìn)入較為平穩(wěn)的平臺區(qū)階段，試樣開始出現(xiàn)損傷并不斷累積；在26.8 J沖擊能量下，峰值載荷出現(xiàn)在沖頭回彈瞬間，說明沖擊對試件造成的損傷相對較??；而在80.0 J沖擊能量下，峰值載荷出現(xiàn)在位移約為10.0 mm處，說明試樣此時出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致試樣總體承載能力下降，較小的回彈距離以及彈性回復(fù)能量也印證了這一點。

從圖6中可以看出，在實際沖擊能量相近的情況下(圖中虛線對應(yīng)能量值)，試樣由于塑性變形和損傷耗散的能量也幾乎相同。當(dāng)沖擊能量為80.0 J時，實際沖擊能量出現(xiàn)了極小的偏差，這是因為在沖擊能量較大而使用蓄能彈簧時，蓄能彈簧存在誤差，導(dǎo)致沖頭傳遞給試樣的能量出現(xiàn)1.1 J的小幅偏差，進(jìn)而試樣耗散的能量也存在極小偏差，但是差值占總能量的比例極小。表2所示為4種低速沖擊試驗結(jié)果比較。

表2 低速沖擊試驗結(jié)果

2.2 沖擊損傷分析

為了探究沖擊對試樣造成的損傷，使用專業(yè)照相機(jī)及光學(xué)顯微鏡在毫米尺度下拍攝了0°和45°試樣分別在26.8和80.0 J沖擊能量下的正反面損傷形貌，并使用反射式超聲C掃描技術(shù)對含有沖擊損傷的試樣進(jìn)行掃描。根據(jù)掃描結(jié)果可以觀察出不同沖擊能量下2種偏軸角度試件損傷區(qū)域的范圍、形狀和拓展方向，還可以使用圖像軟件估算沖擊損傷面積。圖7所示為26.8 J沖擊能量下試樣正反面損傷形貌。對于試樣沖擊正面凹坑深度可以使用千分表測量，具體數(shù)據(jù)見表3。

圖7 26.8 J沖擊能量下試樣正反面損傷形貌Figure 7 Damage morphology of sample after low-velocity impact under 26.8 J impact energy

表3 材料損傷統(tǒng)計

由圖7可以觀察到2種偏軸角度試樣在26.8 J能量沖擊下，沖擊正面區(qū)域基體都存在一些裂紋，而在沖擊反面均存在較明顯的基體開裂、纖維脫粘以及少量的纖維斷裂。在試樣反面還可以觀察到2種試樣纖維脫粘方向隨著偏軸角度變化而變化，且都是沿著緯紗方向分布，這種現(xiàn)象在沖擊能量為80.0 J時試樣上更加明顯。

由圖8可以看出80.0 J沖擊能量造成的沖擊損傷更為嚴(yán)重。2種偏軸角度試樣正面的凹坑都很明顯，在凹坑周圍存在明顯的基體開裂和纖維脫粘，同時在凹坑深處還可以發(fā)現(xiàn)纖維斷裂。2種試樣反面均可觀察到大量纖維沿經(jīng)、緯方向發(fā)生拉伸斷裂，斷裂帶總體呈“十字型”分布，這與經(jīng)緯紗為主要承載對象有關(guān)。試樣反面發(fā)生纖維脫粘的位置大部分集中在受沖擊中心部位的兩側(cè)并沿緯紗方向延伸，形成這種現(xiàn)象及分布的原因是：在沖擊過程中試樣產(chǎn)生較大變形(由載荷-位移曲線可以看到位移最大可以達(dá)到16.861 mm)，較大的沖擊力及變形導(dǎo)致位于沖擊中心周圍的緯紗直接發(fā)生斷裂，而兩側(cè)較遠(yuǎn)位置還未發(fā)生斷裂的緯紗在后續(xù)的沖擊過程中也產(chǎn)生較大的離面位移，導(dǎo)致試樣背面緯紗方向的接結(jié)經(jīng)紗間的基體受到擠壓，出現(xiàn)纖維脫粘現(xiàn)象。

圖8 80.0 J沖擊能量下試樣正反面損傷形貌Figure 8 Damage morphology of sample after low-velocity impact under 80.0 J impact energy

從圖9(a)和圖9(b)可以看出，沖擊能量為26.8 J時，0°與45°試樣的沖擊損傷面積較?。粓D9(c)和圖9(d)為80.0 J沖擊能量的掃描結(jié)果，在試樣沖擊位置出現(xiàn)的橢圓形白色區(qū)域表示試件上的凹坑及發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的區(qū)域，橢圓形的長短軸分別對應(yīng)經(jīng)、緯向，即損傷沿經(jīng)向延伸的距離略大于緯向，這與緯紗相對于經(jīng)紗具有更大的細(xì)度，能承載更大的載荷有關(guān)。經(jīng)估算，2種偏軸角度試樣在同一沖擊能量下的損傷面積和凹坑深度相近，相差在5%以內(nèi)。

2.3 沖擊后壓縮性能分析

沖擊后壓縮試驗依據(jù)ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對4組共12件有沖擊損傷試樣進(jìn)行壓縮性能測試，試驗重復(fù)性較好，圖10所示的載荷-位移曲線數(shù)據(jù)為其中一組試驗結(jié)果。

圖9 試樣超聲C掃描結(jié)果Figure 9 Ultrasonic C-scan images of sample

圖10 沖擊后壓縮力學(xué)響應(yīng)結(jié)果Figure 10 CAI mechanical response

2種偏軸角度試樣經(jīng)過不同沖擊能量沖擊后的壓縮力學(xué)響應(yīng)特征如圖10所示。從圖10可以發(fā)現(xiàn)偏軸角造成的影響非常顯著。0°試樣的載荷隨位移的增加快速增長，達(dá)到峰值后迅速下降，試樣隨即失效，記錄該峰值載荷用于計算壓縮強(qiáng)度；45°試樣則產(chǎn)生較大位移，載荷隨位移的增加發(fā)生非線性增長，并逐漸趨于穩(wěn)定，待試樣壓縮至設(shè)定的最大安全距離時，試驗終止，并記錄穩(wěn)定后的載荷值用于壓縮強(qiáng)度的測算。

為了更好地比較不同工況下的實驗結(jié)果，課題組給出了沖擊后壓縮強(qiáng)度如表4所示，數(shù)據(jù)結(jié)果為3件試樣的平均值，且各結(jié)果誤差小于5%?？梢钥闯觯?jīng)2種沖擊能量沖擊后，0°試樣的壓縮強(qiáng)度均大于45°試樣，0°試樣壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的增加下降較為明顯，而45°試樣壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的增加下降幅度相對較小。圖10(a)，圖10(b)，圖10(e)和圖10(f)給出了0°和45°試樣沖擊后壓縮的損傷形貌。同一偏軸角度試樣在不同沖擊能量下發(fā)生壓縮損傷的位置并無明顯變化，而不同偏軸角度試樣的壓縮損傷位置卻有所不同。

表4 沖擊后壓縮試驗結(jié)果

0°試樣并沒有在受沖擊部位產(chǎn)生明顯的壓縮損傷，而是在靠近試樣端部的位置發(fā)生壓潰，損傷沿試樣橫向分布,屬于ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)中LGM沖擊后壓縮失效形式。試驗使用的夾具對試樣中部的約束較強(qiáng)，當(dāng)試樣損傷較小時，可能會使端部發(fā)生壓潰[20]。0°試樣的載荷-位移曲線近似線性，其載荷隨著位移的增加迅速增長，在位移分別達(dá)到1.335 mm(26.8 J )及1.037 mm(80.0 J)時發(fā)生壓縮破壞，表現(xiàn)出一定的脆性特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于0°試樣在承受壓縮載荷時，緯紗為主要承載結(jié)構(gòu)，載荷主要作用在緯紗的軸向上，由于碳纖維的軸向力學(xué)性能較強(qiáng)且一般表現(xiàn)出脆性特征，所以0°試樣在沖擊后壓縮過程中表現(xiàn)出一定的脆性特征，且沖擊后壓縮強(qiáng)度較高。

從圖10(d)和圖10(h) 45°試樣可以看出，45°試樣表現(xiàn)出明顯的非線性特征，且載荷隨著位移的增大緩慢增長并逐漸趨于穩(wěn)定，經(jīng)2種能量沖擊后的壓縮位移均超過3.000 mm，表明材料在45°方向上存在較強(qiáng)的韌性。45°試樣在承受壓縮載荷時，載荷方向與經(jīng)、緯紗方向呈45°夾角，紗線同時處于受壓和受剪的狀態(tài)，碳纖維的剪切性能較弱，無法承擔(dān)過多載荷，因此富樹脂區(qū)基體也承擔(dān)了相當(dāng)一部分載荷，而基體一般被視為粘彈性材料，所以45°試樣在沖擊后壓縮過程中表現(xiàn)出一定的韌性特征，呈現(xiàn)出較低的壓縮強(qiáng)度和較大的位移，受沖擊部位周圍發(fā)生基體壓縮及剪切破壞。以上分析說明本次研究的2.5D機(jī)織復(fù)合材料的沖擊后壓縮力學(xué)性能受材料偏軸角度的影響較大。

由以上分析可以知道，不同偏軸角度試樣沖擊后壓縮力學(xué)響應(yīng)特征及損傷形貌相差較大是因為：一方面，2.5D機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征決定了其所受的沖擊損傷具有方向性，即該材料受沖擊時，沿各個方向的損傷程度是不同的，低速沖擊損傷主要分布在沖擊位置周圍，具體形式包括基體開裂、沿緯紗方向分布的纖維脫粘以及沿經(jīng)、緯紗方向分布的纖維斷裂；另一方面，試樣偏軸角度的不同導(dǎo)致其在沖擊后壓縮過程中的承載方式、受力狀態(tài)和損傷機(jī)理亦不相同。

3 結(jié)論

1) 在低速沖擊載荷作用下，2.5D機(jī)織復(fù)合材料所受損傷受其經(jīng)、緯紗方向及分布影響較大。在26.8 J沖擊能量下，試樣沖擊損傷主要以基體損傷為主；80.0 J沖擊能量造成的損傷更為嚴(yán)重，試樣正面凹坑更加明顯，出現(xiàn)大量纖維斷裂損傷，斷裂帶呈“十字型”分布。

2) 2.5D機(jī)織復(fù)合材料在沖擊后壓縮試驗中沿不同方向表現(xiàn)出明顯不同的力學(xué)響應(yīng)特性，這是由材料本身的結(jié)構(gòu)特點(經(jīng)、緯紗方向與分布)以及低速沖擊所產(chǎn)生的損傷沿不同方向具有差異性所導(dǎo)致。0°試樣沖擊后壓縮強(qiáng)度較高，壓縮變形量較小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出一定的脆性特征；45°試樣沖擊后壓縮強(qiáng)度較低，存在較大的非線性變形，表現(xiàn)出一定的韌性特征。0°試樣的沖擊后壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的增加相較45°試樣下降更為明顯。

3) 在研究2.5D機(jī)織復(fù)合材料沖擊后壓縮性能時，除主方向外，還需充分考慮材料沿其它方向的性能，以便做出更全面地表征，進(jìn)一步提高其使用效能。據(jù)此，在選用2.5D機(jī)織復(fù)合材料設(shè)計結(jié)構(gòu)件時，可根據(jù)構(gòu)件的承載需要，特別是受沖擊后沿不同方向的性能要求，合理設(shè)計材料的工藝參數(shù)和鋪設(shè)角度，并對是否需要搭配其它材料使用做出有效評估。