應(yīng)志平，王偉青，吳震宇，胡旭東

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、石油天然氣、航空航天、風(fēng)能等領(lǐng)域[1]。然而，基于預(yù)浸料人工鋪層和熱壓釜固化的傳統(tǒng)層合復(fù)合材料因制造昂貴、層間性能弱已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足航空航天、輕量化汽車(chē)等領(lǐng)域?qū)Φ统杀尽⒏弋a(chǎn)量、高性能先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用需求[2-4]。為克服層合復(fù)合材料面外載荷和分層缺陷，三維機(jī)織預(yù)制件在高效率近凈成型和全厚度增強(qiáng)方面的優(yōu)勢(shì)使其成為極富潛力的復(fù)合材料增強(qiáng)體[5-7]。通過(guò)比較單向、二維、三維機(jī)織復(fù)合材料的損傷容限發(fā)現(xiàn)，三維機(jī)織復(fù)合材料的強(qiáng)度降低最少。這是由于接結(jié)紗抑制了分層生長(zhǎng)，三維機(jī)織復(fù)合材料具有最高的剩余強(qiáng)度[8]。三維正交機(jī)織預(yù)制件通過(guò)接結(jié)紗橋接厚度方向的紗線(xiàn)并起層間增韌作用，改進(jìn)了復(fù)合材料板件的抗層間開(kāi)裂及分層擴(kuò)展性能[9-10]。

三維機(jī)織預(yù)制件基于傳統(tǒng)機(jī)織工藝通過(guò)經(jīng)緯紗及接結(jié)紗交織獲得，紗線(xiàn)相互接觸、滑移，使預(yù)制件具有復(fù)雜的織物組織結(jié)構(gòu)，織造參數(shù)決定了最終纖維交織結(jié)構(gòu)[10-12]?？椢锝Y(jié)構(gòu)在增強(qiáng)抗沖擊性能方面起著重要作用，特別是在低速?zèng)_擊載荷下，單向織物和二維平面織物增強(qiáng)的層合板容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，改變接結(jié)紗的含量可顯著提高抗分層性能?？箾_擊性描述了材料抵抗沖擊的能力，而沖后壓縮(CAI)是評(píng)價(jià)復(fù)合材料服役性能的重要指標(biāo)之一[13-14]。雖然三維機(jī)織結(jié)構(gòu)顯著減小了分層損傷面積，但接結(jié)紗同時(shí)引發(fā)軸向經(jīng)緯紗的卷曲變形，這將導(dǎo)致后續(xù)壓縮載荷下的纖維屈曲而降低壓縮性能。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖后壓縮性能進(jìn)行了多項(xiàng)研究，但很少提及織造紗線(xiàn)張力對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料抗沖擊性能及其沖后壓縮性能的影響[15-17]。在織造過(guò)程中，紗線(xiàn)張力將顯著影響其卷曲度，并進(jìn)一步影響復(fù)合材料的壓縮性能[18]。本文通過(guò)沖后壓縮實(shí)驗(yàn)比較不同織造紗線(xiàn)張力配置的三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能。首先對(duì)復(fù)合材料試樣進(jìn)行低速落錘沖擊實(shí)驗(yàn)并比較沖擊響應(yīng)曲線(xiàn)。然后對(duì)試樣進(jìn)行沖后壓縮實(shí)驗(yàn)，比較3種張力配置的復(fù)合材料壓縮性能。最后，結(jié)合織物結(jié)構(gòu)和紗線(xiàn)軌跡分析三維正交機(jī)織復(fù)合材料沖擊損傷及壓縮失效機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 三維正交機(jī)織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)

三維正交機(jī)織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，經(jīng)紗和緯紗分別采用東麗公司的T700-24K型與T700-12K碳纖維，接結(jié)紗采用杜邦公司Type 950型芳綸纖維。織物經(jīng)密為50根/(10 cm)，緯密為33根/(10 cm)。經(jīng)紗和緯紗張力分別為200、100 cN。經(jīng)紗張力由200 cN彈簧提供，分別配置25、50、100 cN的3種接結(jié)紗張力(織制的試樣分別編號(hào)為1#、2#、3#)，參考文獻(xiàn)[11]織制三維正交機(jī)織增強(qiáng)體。

圖1 三維正交機(jī)織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的制備

采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)對(duì)三維正交機(jī)織物進(jìn)行固化成型?；w采用北京科拉斯公司EPOLAM 2040環(huán)氧樹(shù)脂、2042固化劑，以100:32的質(zhì)量比混合。使用浙江飛越機(jī)電公司的FY-1H-N型真空泵，抽離空氣產(chǎn)生0.01 MPa氣壓使織物吸入模具，并在70 ℃浸潤(rùn)固化12 h，在浸潤(rùn)和固化過(guò)程中，織物未受到額外的壓縮，制得三維正交機(jī)織復(fù)合材料。復(fù)合材料試樣厚度約4.0 mm，利用金剛石線(xiàn)鋸進(jìn)行切割，將復(fù)合材料面板裁剪成75 mm×50 mm的長(zhǎng)方形試樣，長(zhǎng)邊沿緯紗方向，短邊沿經(jīng)紗方向。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ASTM D7136/D7136M—2005《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料落錘沖擊抗損傷性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)器件安裝如圖2(a)所示，將試樣放置于夾具中，其自由區(qū)域的尺寸為65 mm×40 mm。采用直徑為20 mm半球形沖頭，在沖頭軸向安裝量程為0～60 kN的CL-YD-305型壓電式石英傳感器(無(wú)錫世敖公司)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沖擊器質(zhì)量為3.57 kg，提升高度為857 mm，沖擊器與滑軌的摩擦及其落錘過(guò)程中的空氣阻力忽略不計(jì)，沖擊速度約為4.10 m/s，沖擊能為30 J。

圖2 低速?zèng)_擊及沖后壓縮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.3.2 沖后壓縮實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ASTM D7137/D7137M—2012《復(fù)合材料抗壓殘余強(qiáng)度性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，采用量程為0～100 kN的MST-5105型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司)進(jìn)行沖后壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2(b)所示，將沖擊后的試樣放置于壓縮夾具中，沿試樣長(zhǎng)邊(緯紗方向)施加壓縮載荷，壓縮速率設(shè)定為2 mm/min。當(dāng)壓縮載荷承載能力衰減超過(guò)80%，停止施加壓縮載荷。

2 結(jié)果與討論

2.1 低速?zèng)_擊響應(yīng)曲線(xiàn)

2.1.1 沖擊反作用力-時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)

沖擊反作用力從沖頭接觸到復(fù)合材料開(kāi)始，復(fù)合材料對(duì)沖頭具有反向抗沖擊阻尼，表現(xiàn)為復(fù)合材料的抗彎性能。圖3示出不同接結(jié)紗張力試樣的沖擊反作用力-時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)?？芍?，在30 J沖擊能下，不同張力配置的三維正交機(jī)織復(fù)合材料呈現(xiàn)出不同的彎曲剛度和沖擊力峰值，具體表現(xiàn)在沖擊初始階段沖擊力增大速率和沖擊力峰值存在差異。1#試樣在2.15 ms時(shí)達(dá)到峰值力(Fmax=7 052 N)，2#試樣在1.55 ms時(shí)達(dá)到峰值力(Fmax=6 955 N)，3#試樣在2.25 ms時(shí)達(dá)到峰值力(Fmax=6 634 N)。所有試樣在4.5 ms時(shí)回到零位，即沖頭反彈并離開(kāi)試樣表面。三維正交機(jī)織復(fù)合材料抗沖擊性能具體表現(xiàn)在抗彎剛度上，1#試樣具有較大的抗彎剛度，其最大沖擊反作用力相比于3#試樣提升了6.3%。

圖3 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖擊反作用力-時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)

2.1.2 沖擊反作用力-位移響應(yīng)曲線(xiàn)

圖4示出三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖擊反作用力-位移響應(yīng)曲線(xiàn)。在30 J沖擊能下，沖擊力前半部分的上升階段表現(xiàn)出不同的上升斜率，即表明試樣具有不同的抗彎剛度。其中，1#試樣斜率最大，其次是2#試樣，最后是3#試樣。峰值附近沖擊發(fā)生劇烈抖動(dòng)，表明試樣發(fā)生了劇烈的損傷行為，包括樹(shù)脂破裂、剝離、纖維斷裂等。此外，當(dāng)沖擊力達(dá)到峰值時(shí)，位移也隨之達(dá)到峰值。沖擊位移特征反映了試樣變形的程度，以沖擊力轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為最大沖擊位移。3#試樣位移最大(6.02 mm)；1#、2#試樣的最大沖擊位移分別是5.58、5.43 mm，比較接近。從試樣的恢復(fù)位移也可判斷其遭受沖擊后的能量吸收情況。3#試樣的恢復(fù)位移最小，表明大量沖擊動(dòng)能被反彈。反之，1#試樣的恢復(fù)位移較大，表明沖擊動(dòng)能以各種損傷形式被吸收。

圖4 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖擊反作用力-位移響應(yīng)曲線(xiàn)

2.2 沖后壓縮載荷-位移響應(yīng)曲線(xiàn)

圖5示出三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖后壓縮載荷-位移響應(yīng)曲線(xiàn)?？芍煌咏Y(jié)紗張力下試樣的承載能力具有顯著差異，尤其是表現(xiàn)在壓縮載荷峰值上。1#試樣的壓縮載荷峰值最大為34.38 kN；其次是2#試樣，其壓縮載荷峰值為26.41 kN；最后是3#試樣，其壓縮載荷峰值為15.63 kN。當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)，1#和2#試樣發(fā)生瞬時(shí)斷裂失效，承載能力急速下降；3#試樣達(dá)到峰值后還有一段平臺(tái)曲線(xiàn)，仍能承受一定載荷。雖然3#試樣的承載能力稍弱，但其具有較好的斷裂韌性。

圖5 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖后壓縮載荷-位移響應(yīng)曲線(xiàn)

2.3 沖擊損傷形貌

圖6示出三維正交機(jī)織復(fù)合材料正反面的沖擊損傷形貌?？梢?jiàn)，沖擊正面和背面表現(xiàn)出不同的損傷形貌，其損傷行為包括樹(shù)脂破裂、剝離，纖維斷裂。3種試樣的損傷共同點(diǎn)是：沖擊正面可見(jiàn)小范圍的細(xì)小樹(shù)脂裂紋，沖擊背面則是大面積塊狀樹(shù)脂裂紋和剝離。差異在于：1#試樣背面有少量纖維斷裂損傷；2#試樣的沖擊背面樹(shù)脂破裂程度淺而均勻；3#試樣的沖擊背面樹(shù)脂剝離程度深而集中。1#和2#試樣的背面均可見(jiàn)少量纖維斷裂，而在3#試樣上未見(jiàn)。上述損傷形貌的共同點(diǎn)和差異可解釋試樣沖擊響應(yīng)曲線(xiàn)中的強(qiáng)烈抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖擊損傷形貌

三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖后壓縮損傷形貌如圖7所示。壓縮屈曲裂紋表現(xiàn)為一條垂直于壓縮方向的失效路徑。從壓縮損傷形貌上可見(jiàn)不同的壓縮失效行為。1#和3#試樣分別表現(xiàn)出紗線(xiàn)斷裂、紗線(xiàn)屈曲的失效行為，而2#試樣兼有紗線(xiàn)斷裂和屈曲。使用金剛石線(xiàn)鋸切割截取1#試樣沖擊點(diǎn)位置處10 mm(軸向)×10 mm(橫向)的小塊進(jìn)行X射線(xiàn)掃描，觀察試樣內(nèi)部損傷形貌。沿緯紗方向(A-A)和經(jīng)紗方向(B-B)截取試樣壓縮損傷形貌橫截面，如圖7(d)、(e)所示，可觀察到試樣內(nèi)部的損傷形貌，緯紗方向發(fā)生紗線(xiàn)斷裂，經(jīng)紗方向則可以觀察到?jīng)_擊造成的層間開(kāi)裂和壓縮造成的紗線(xiàn)壓潰。3種復(fù)合材料試樣在沖擊和壓縮負(fù)載下的損傷情況如表2所示。

表2 復(fù)合材料試樣在沖擊及沖后壓縮載荷下的損傷情況

圖7 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖后壓縮損傷形貌

2.4 沖后壓縮損傷機(jī)制分析

2.4.1 樹(shù)脂富集區(qū)域分析

圖8示出沿接結(jié)紗的試樣橫截面。圖中呈現(xiàn)了不同試樣的樹(shù)脂富集區(qū)域。其中：d1和d2代表樹(shù)脂富集區(qū)域的深度；A1和A2代表樹(shù)脂富集區(qū)域的面積。深度隨著接結(jié)紗張力的增大而增大，相應(yīng)的樹(shù)脂富集區(qū)域的面積也隨之增大?？深A(yù)見(jiàn)樹(shù)脂富集區(qū)域的體積含量亦隨之增大，其深度和面積反映了試樣表面純樹(shù)脂的體積含量，即接結(jié)紗張力越大，試樣表面純樹(shù)脂含量越高。

圖8 沿接結(jié)紗的試樣橫截面

由此可知，表面純樹(shù)脂在沖擊損傷中表現(xiàn)為細(xì)小的樹(shù)脂裂紋。然而，當(dāng)表面純樹(shù)脂含量較大時(shí)，其損傷形式則轉(zhuǎn)換為大塊樹(shù)脂破裂和剝離(見(jiàn)圖6)。在接結(jié)紗和表層緯紗的交織點(diǎn)處易形成緯紗卷曲凹陷，從而導(dǎo)致樹(shù)脂在凹陷區(qū)域聚集；而接結(jié)紗張力決定了緯紗的凹陷程度，因此，紗線(xiàn)張力變化所引起的紗線(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)變化進(jìn)一步導(dǎo)致樹(shù)脂分布和緯紗卷曲程度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致試樣力學(xué)性能差異。

3#試樣的緯紗卷曲程度大，表層樹(shù)脂富集，沖擊載荷下發(fā)生大量樹(shù)脂破裂和剝離，促使后續(xù)壓縮載荷下緯紗失去固化支撐而更易發(fā)生屈曲失效。1#試樣在沖擊載荷下出現(xiàn)纖維斷裂，使其在后續(xù)壓縮載荷下成為承載薄弱點(diǎn)而發(fā)生紗線(xiàn)斷裂。

2.4.2 紗線(xiàn)增強(qiáng)體卷曲程度分析

三維正交機(jī)織復(fù)合材料沿緯紗方向的橫截面如圖9(a)所示。可見(jiàn)，其緯紗主要分為表層緯紗和中間層緯紗，幾何結(jié)構(gòu)具有顯著差異。表層緯紗在接結(jié)紗作用下發(fā)生卷曲，而中間層緯紗則保持相對(duì)平直。在沖擊載荷下，復(fù)合材料發(fā)生彎曲變形，其表層緯紗發(fā)揮主要力學(xué)承載作用。在沖頭撞擊下，試樣一方面發(fā)生撞擊點(diǎn)的樹(shù)脂破裂，另一方面發(fā)生整體彎曲變形，由此導(dǎo)致表層纖維斷裂，且纖維斷裂耗散主要的沖擊動(dòng)能，因此，隨著接結(jié)紗張力的增大，表層緯紗的卷曲程度增加，表層緯紗的抗彎剛度發(fā)生變化，說(shuō)明卷曲的緯紗導(dǎo)致試樣整體抗彎剛度下降。

分別抽取1#和3#試樣中的表層緯紗進(jìn)行分析，其變形原理如圖9(b)所示。在沖擊載荷作用下緯紗抵抗彎曲變形而被拉伸，平直緯紗變形后易發(fā)生纖維斷裂；反之，卷曲緯紗則具有伸直趨勢(shì)。

圖9 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的沖擊損傷機(jī)制

壓縮方向沿著緯紗方向，三維正交機(jī)織復(fù)合材料的壓縮載荷主要由緯紗決定，因此，3種試樣緯紗卷曲程度的差異進(jìn)一步造成沖后壓縮性能的差異。三維正交機(jī)織復(fù)合材料的壓縮損傷機(jī)制如圖10所示，1#試樣的緯紗較平直，而3#試樣的外側(cè)緯紗卷曲較大。3#試樣在沖后壓縮載荷施加過(guò)程中發(fā)生沖擊點(diǎn)位置的局部屈曲，由此導(dǎo)致其壓縮承載力顯著低于1#試樣。1#試樣接結(jié)紗張力小，緯紗卷曲小，沖擊后僅有少量的樹(shù)脂裂紋，并且平直的緯紗具有更好的壓縮承載能力，表現(xiàn)為紗線(xiàn)斷裂失效行為。3#試樣表面樹(shù)脂在沖擊載荷下發(fā)生了大量破裂和剝離，緯紗失去樹(shù)脂基體支撐，卷曲的緯紗更易發(fā)生壓縮屈曲失效，致使3#試樣表現(xiàn)出較低的沖后壓縮承載性能。綜上所述，復(fù)合材料試樣的沖擊和壓縮失效行為由緯紗卷曲和富樹(shù)脂區(qū)分布情況綜合作用所決定。

圖10 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的壓縮損傷機(jī)制

由此可見(jiàn)，表層緯紗幾何結(jié)構(gòu)對(duì)三維正交機(jī)織復(fù)合材料的抗沖擊及沖后壓縮性能具有顯著影響。然而，表層緯紗所呈現(xiàn)的卷曲結(jié)構(gòu)與織造過(guò)程有關(guān)，尤其是接結(jié)紗張力。接結(jié)紗張力增大導(dǎo)致表層緯紗卷曲程度加深。由此可推斷，接結(jié)紗張力對(duì)三維正交機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能起決定作用。接結(jié)紗張力首先決定表層緯紗的卷曲程度，其次影響表層樹(shù)脂富集區(qū)域的分布，因此，不同接結(jié)紗張力配置的試樣表現(xiàn)出不同的樹(shù)脂破裂和剝離損傷形貌，并在緯紗方向呈現(xiàn)截然不同的壓縮承載性能。

3 結(jié) 論

本文采用3種接結(jié)紗張力分別織造三維正交機(jī)織物，并對(duì)其復(fù)合材料試樣進(jìn)行了沖后壓縮性能實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：接結(jié)紗張力增大，表層緯紗的卷曲程度增大以及表面樹(shù)脂富集；紗線(xiàn)張力較大的復(fù)合材料在沖擊表面形成大面積的樹(shù)脂破裂和剝離，致使表層緯紗裸露并失去支撐，卷曲的緯紗使沖后壓縮失效行為從紗線(xiàn)斷裂轉(zhuǎn)為局部屈曲，降低了復(fù)合材料的壓縮承載性能；三維正交機(jī)織復(fù)合材料的抗彎剛度和沖后壓縮性能隨織造過(guò)程中接結(jié)紗張力的增大而減小。