萬云, 劉一輝, 李浩, 姚劍, 余粵凱, 趙志博

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013；2.中國人民解放軍91049 部隊(duì)，青島 266102)

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)是近年來最常用的復(fù)合材料之一，由于輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)良性能，近年來廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等多個(gè)領(lǐng)域[1-6]。在制造和使用壽命過程中，CFRP 可能會(huì)遭受各種破壞，其中低速?zèng)_擊被認(rèn)為是最主要的破壞形式之一。CFRP 的失效行為與金屬材料結(jié)構(gòu)是完全不同的。由于金屬材料很高的延展性和塑性，因此在沖擊的過程中可以通過塑性變形吸收沖擊能量，而纖維復(fù)合材料因其自身的較差的延展性和抗沖擊性能導(dǎo)致即使很小的沖擊也會(huì)造成永久性內(nèi)(外)部的破壞，使剩余強(qiáng)度明顯降低，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的安全性。此外，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能會(huì)受到材料的面板、芯材的性能及相互之間粘結(jié)性能的影響。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)，盡管在表面并沒有明顯的損傷，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生損傷，如層間分層、纖維斷裂及基體開裂等[7-10]，導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)受材料性能的影響較大，通過結(jié)合兩種甚至多種材料，可以調(diào)節(jié)它們的力學(xué)性能，從而能夠針對性的改善單一纖維復(fù)合材料的缺陷。有結(jié)果表明，CFRP 的抗沖擊性能甚至比玻璃纖維增強(qiáng)聚合物更差。因此，Song 等[11]和Gu 等[12]在CFRP 中加入了玻璃纖維層，以提高其在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中的性能。同時(shí)結(jié)合金屬材料的耐久性和塑性及纖維優(yōu)越的疲勞和斷裂性能的纖維金屬層壓板，有著比纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)更好的抗沖擊性能。孫子恒等[13]采用低速?zèng)_擊和沖擊后壓縮試驗(yàn)，研究了復(fù)合材料夾芯板在不同鋪層情況下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)單向預(yù)浸料的碳纖維試樣表現(xiàn)出了較高的抗沖擊能力。Reis 等[14]研究了復(fù)合材料層壓板的多次沖擊行為，驗(yàn)證了線性損傷累積規(guī)律是否可以預(yù)測復(fù)合材料層壓板在多次沖擊載荷下的壽命。結(jié)果表明，沖擊試驗(yàn)測試出來的多次沖擊壽命與根據(jù)Palmgren-Miner 定律估算的壽命不太一致。Liao 等[15]比較了4 種沖擊距離下的雙重沖擊響應(yīng)。討論了不同入射能量下的干涉狀態(tài)，包括力學(xué)曲線和沖擊損傷模式。Yao 等[16]研究了由碳纖維增強(qiáng)層和鋁板組成的混雜金屬層壓板在相同總能量的多次沖擊下的沖擊行為。發(fā)現(xiàn)劃分成低能量和較小初始沖擊能量的多次沖擊對混雜金屬層壓板的損傷較小。

有研究表明，碳/玻璃纖維金屬層壓板最重要的研究工作之一是提高金屬與FRP 層之間的界面強(qiáng)度[17-19]?？紤]到復(fù)合材料損傷的復(fù)雜性，如基體和增強(qiáng)相的存在、纖維的方向性、織物縫合和表面的處理，都會(huì)對界面的損傷擴(kuò)展產(chǎn)生影響[20-23]。而混雜結(jié)構(gòu)的加入進(jìn)一步增加了界面分析的復(fù)雜性[24-25]。Bascom 等[26]對玻璃和石墨纖維/環(huán)氧雙懸臂梁(DCB)樣品的分層行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧材料中加入彈性硬化劑或使用熱塑性基體代替環(huán)氧材料可以提高該復(fù)合材料的應(yīng)變能釋放速率。Wood 等[27]利用末端切口彎曲(ENF)試樣，通過數(shù)值和試驗(yàn)研究了纖維架橋?qū)幙椞?環(huán)氧層狀復(fù)合材料層間斷裂韌性的影響。此外，有學(xué)者通過對金屬層進(jìn)行表面處理[28]和對纖維進(jìn)行化學(xué)接枝碳納米管[29]等方法，以增強(qiáng)除金屬層外的界面。

本文選擇不銹鋼和鋁絲網(wǎng)作為提高CFRP 抗沖擊性能的候選材料。通過低速?zèng)_擊試驗(yàn)、沖擊后壓縮試驗(yàn)、I 型裂紋拉伸試驗(yàn)、II 型裂紋彎曲試驗(yàn)分析了試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過圖像、超聲波掃描和數(shù)字散斑應(yīng)變分析監(jiān)測，記錄了試驗(yàn)過程及破壞形貌，闡明了纖維-金屬網(wǎng)混雜層壓板的增強(qiáng)機(jī)制。結(jié)果表明，金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)的引入能夠有效提高CFRP 在低速?zèng)_擊事件中的變形能力，能夠吸收更多的沖擊能量并抵抗局部損傷的形成，并且具有更高的沖擊后壓縮(CAI)強(qiáng)度。此外，金屬網(wǎng)的孔洞通過填充環(huán)氧樹脂和部分纖維可以有效改善CFRP 層間的性能，尤其是大幅提升了結(jié)構(gòu)的Ⅱ型裂紋斷裂能，這是由于金屬網(wǎng)兩側(cè)的樹脂能夠形成橋連及部分陷入到金屬網(wǎng)孔中的纖維可有效抵抗層間剪切變形和提高層間剪切性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料及試樣

研究使用的試件是由熱固性環(huán)氧斜紋編織預(yù)浸料(T300-3 K 碳，上海伽材新材料科技有限公司)、不銹鋼絲網(wǎng)(SSWN)和鋁合金絲網(wǎng)(AlWN)(無錫金屬網(wǎng)有限公司)混雜制成，其相關(guān)性能如表1 所示。為了比較CFRP/金屬絲網(wǎng)混合層壓板的性能，采用兩種由14/16 層的純碳纖維預(yù)浸料組成的C14/C16 層壓板作為參考樣品。同時(shí)制備了上下面板分別由7 層碳纖維預(yù)浸料及不銹鋼絲網(wǎng)和鋁合金絲網(wǎng)兩種不同金屬網(wǎng)的夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層壓板C14 SS 和C14 Al。4 種試件的相關(guān)組成和尺寸如表2 所示，和純碳纖維板相比，C14 SS 的面密度增加了14.5%，C14 Al 的面密度增加了1.3%。

表1 材料力學(xué)性能和物理性能Table 1 Mechanical and physical property of the raw materials

表2 不同試件的組成及尺寸Table 2 Composition and size of different specimens

采用如圖1 所示的熱壓縮成型技術(shù)制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板。4 種不同類型的層壓板，通過手工正交鋪設(shè)堆放，再放入HBSCR-25T/300A熱壓機(jī)的模具中。在壓力為1 kPa 的室溫下先升溫到145℃，然后將壓力提高到5 kPa 保溫3 min，最后在60 kPa 的壓力下固化60 min，經(jīng)自然冷卻后，將試件切割為150 mm×100 mm 的矩形。

圖1 熱壓成型工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot-pressing process

1.2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

圖2 為低速?zèng)_擊試驗(yàn)示意圖，選用自由落錘式低速?zèng)_擊試驗(yàn)平臺(tái)對復(fù)合材料板進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7136[30]。沖頭直徑為16 mm，落錘總質(zhì)量為4.5 kg，沖擊信號(hào)由傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)采集儀記錄。不同的沖擊能量通過調(diào)整落錘高度得到，每次沖擊結(jié)束后及時(shí)鎖住沖頭以防止二次沖擊發(fā)生，試驗(yàn)時(shí)沖擊能量設(shè)置為10 J、15 J、20 J 和25 J(沖擊速度對應(yīng)為2.11 m/s、2.55 m/s、2.98 m/s 和3.33 m/s)，為保證試驗(yàn)可靠度，每組沖擊試驗(yàn)重復(fù)3 組平行試驗(yàn)。通過處理沖擊數(shù)據(jù)，可得到時(shí)間-接觸力、時(shí)間-能量、位移-接觸力等力學(xué)曲線。低速?zèng)_擊試驗(yàn)后，采用ZEISS 蔡司Stemi508 體視顯微鏡和水浸超聲C 掃描檢測裝置分別進(jìn)行目視和內(nèi)部損傷檢查。

圖2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of low-velocity impact test

1.3 沖擊后壓縮試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7137[31]進(jìn)行沖擊后壓縮試驗(yàn)。如圖3 所示，將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)夾具中，然后放在INSTRON-4505 電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。根據(jù)采集到的接觸力、位移等數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計(jì)算即可得到試樣的沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度。試驗(yàn)過程當(dāng)中，采用1.25 mm/min 加載速度進(jìn)行加載。在加載的過程中，采用二維虛擬圖像關(guān)聯(lián)(2D-VIC)測試系統(tǒng)記錄試樣表面的應(yīng)變。

圖3 壓縮試驗(yàn)及二維虛擬圖像關(guān)聯(lián)(2D-VIC)測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of compression test fixture and twodimensional virtual image correlation (2D-VIC) test system

1.4 I 型裂紋拉伸試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5528-13[32]進(jìn)行I 型裂紋拉伸試驗(yàn)。圖4 為雙懸臂梁(DCB)預(yù)制I 型裂紋拉伸試驗(yàn)示意圖，在試件一端的中間層鋪設(shè)長為75 mm 的聚先亞胺薄膜，再采用熱壓工藝模壓成型，試件尺寸為130 mm (L)×25 mm (b)×3.2 mm (h)。試驗(yàn)采用D5528-13 標(biāo)準(zhǔn)[32]，對碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)聚合物(CFRP)和碳纖維-金屬網(wǎng)復(fù)合材料增強(qiáng)聚合物(CFMRP)兩種試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用位移控制方式進(jìn)行加載，萬能試驗(yàn)機(jī)拉伸加載速率設(shè)置為2 mm/min，當(dāng)裂紋完全貫穿DCB試件時(shí)，立即停止試驗(yàn)。為了更好的觀察裂縫的發(fā)展情況，在試件側(cè)面噴涂白色油漆，并在試件下方貼上能與試件協(xié)同變形的標(biāo)尺。通過攝像機(jī)記錄試件拉伸的整個(gè)過程，每組試樣重復(fù)3 次試驗(yàn)，并采用修正梁理論對I 型裂紋層間斷裂度進(jìn)行計(jì)算。

圖4 雙懸臂梁(DCB)拉伸試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of double cantilever beam (DCB) tensile test

由修正梁理論，可通過下式計(jì)算I 型裂紋層間斷裂韌度G：

式中：P為載荷；δ為載荷點(diǎn)的位移；b為試樣寬度；a為預(yù)制裂紋長度；? 為Pmax處的裂紋長度。

1.5 II 型裂紋壓縮試驗(yàn)

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7905[33]進(jìn)行II 型裂紋壓縮試驗(yàn)。圖5 為末端切口彎曲(ENF)試驗(yàn)示意圖。試件在一端的中間鋪設(shè)長為45 mm 的聚酰亞胺薄膜，再采用熱壓工藝模壓成型，試件尺寸為160 mm (L)×25 mm (b)×4 mm (h)。試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)D7905[33]，對CFRP 和CFMRP 兩種試件進(jìn)行三點(diǎn)彎壓縮試驗(yàn)，本試驗(yàn)采用位移加載對試驗(yàn)進(jìn)行控制，萬能試驗(yàn)機(jī)壓縮加載速率設(shè)置為1.25 mm/min。

圖5 末端切口彎曲(ENF)試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of end-notched flexure (ENF) test

為了計(jì)算模式II 的臨界應(yīng)變能釋放率，采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)推薦的下式來計(jì)算層間分層韌性G：

式中：m為 回歸分析得到的斜率；B為試樣寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1.1 沖擊力學(xué)曲線

根據(jù)之前的研究[34]，圖6 展示了同一沖擊能量下不同試件的接觸力-時(shí)間和能量-時(shí)間曲線。通過4 種試件在同一能量下的接觸力-時(shí)間曲線，觀察到初始階段曲線的斜率保持一致，接觸力勻速上升，在時(shí)間達(dá)到約1.2 ms 時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值，然后再震蕩上升后達(dá)到極限值。表3 為4 種不同沖擊能量下試件的最大峰值力和對應(yīng)的位移及回彈情況，可以觀察到所有試件受到10 J 的低速?zèng)_擊后均出現(xiàn)回彈，表明當(dāng)入射能量較低時(shí)，沖擊能量被完全吸收。而隨著入射能量增加到15 J，只有C14 未發(fā)生回彈，說明金屬網(wǎng)的加入可以明顯提高CFRP 的抗沖擊性。當(dāng)入射能量為20 J 時(shí)，只有C16 出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，在入射能量為25 J 時(shí)，所有類型的試件都未發(fā)生回彈。比較圖中C16 的情況，C14 Al 的最大接觸力相對較低，但在鋁合金絲網(wǎng)的幫助下，它可以保持相對較長的位移，從而吸收更多的沖擊能量。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射能量處于試件的彈性范圍內(nèi)時(shí)，4 種類型的層壓板的峰值接觸力均隨著沖擊能量的增加而增大。當(dāng)沖擊能從20 J 增加到25 J 時(shí)，C14 Al 和C16 的峰值接觸力分別減少了6.2%和8.6%，最大峰值對應(yīng)的位移分別增加了13.7%和8.4%。表明在相同的厚度下，雖然C14 Al 具有較低的峰值力，但能在較長的距離上保持較高的接觸力值。同時(shí)，表3列舉了4 種試樣在不同能級(jí)沖擊下的能量吸收率，發(fā)現(xiàn)在絕大多數(shù)情況下，加入金屬絲網(wǎng)的C14 Al和C14 SS 試樣相比于其他兩種純碳纖維層壓板有著較高的能量吸收率，這就意味著金屬絲網(wǎng)的加入有利于沖擊能量的吸收、提高試樣的抗沖擊性能。

圖6 同一沖擊能量下不同試件的典型接觸力-時(shí)間及能量-時(shí)間曲線Fig.6 Typical contact force-time and energy-time curves of different specimens under the same impact energy

表3 4 種試件在不同沖擊能量下的峰值力對應(yīng)的位移及回彈情況Table 3 Displacement and rebound of peak force corresponding to the four specimens under different impact energies

2.1.2 沖擊后損傷形貌

如圖7(a)和圖7(b)所示，在25 J 能量的沖擊下，4 種試件正面均無明顯損傷，但背面沿著纖維編織的方向呈現(xiàn)出十字形破壞。同時(shí)在C14 SS和C14 Al 沖擊點(diǎn)背面周圍存在不可逆變形，這是由于植入的金屬網(wǎng)的延展性，試樣在變形后不易恢復(fù)。圖7(c)中顯示了試樣在25 J 沖擊能量下沿縱向斷面的損傷形態(tài)圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)試件C14 和C16 斷裂的纖維集中在受沖擊區(qū)域的垂直線上。而對于試件C14 SS 和C14 Al 斷裂的纖維會(huì)環(huán)繞在沖擊區(qū)域的金屬絲周圍，這是由于高延性的金屬網(wǎng)會(huì)更好地傳輸和分配沖擊能量。

圖7 25 J 沖擊能量下4 種試件的形貌：(a) 正面；(b) 背面；(c) 橫截面Fig.7 Morphologies of the four specimens under 25 J impact energy:(a) Front; (b) Back; (c) Cross section

2.2 沖擊后壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 沖擊后壓縮的力學(xué)曲線

圖8(a)～8(c)分別為C16、C14 Al、C14 SS 這3種試件在不同能量沖擊后壓縮的接觸力-位移曲線?？梢钥闯?，隨著沖擊能量的增大，試件的峰值力逐漸減小。由于試件C14 的厚度較薄，導(dǎo)致在壓縮的過程中會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)的彎曲破壞，因此在此不進(jìn)行討論。圖8(d)為沖擊后試件的剩余壓縮強(qiáng)度曲線，圖中CAI 值隨著沖擊能量的增加不斷降低。在10 J、15 J、20 J 和25 J 的沖擊能量下，相比于未受到?jīng)_擊的試件，C16 試樣的壓縮強(qiáng)度分別下降了2.6%、12.1%、18.0%和32.1%，C14 Al 試樣的壓縮強(qiáng)度分別下降了1.4%、2.4%、15.2%和17.9%，C14 SS 試樣的壓縮強(qiáng)度分別下降了3.4%、4.2%、16.1%和20.1%。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，隨著沖擊能量的增大，試件的損傷程度不斷加重，在壓縮過程中的內(nèi)應(yīng)力集中也越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致CAI 值越低。同時(shí)，對于同等厚度的試件，C14 SS 和C14 Al 試樣沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度相差不大，但均大于C16，表明加入金屬網(wǎng)后可以提高試件沖擊后的壓縮能力。

圖8 C16、C14 Al、C14 SS 這3 種試件在沖擊后壓縮的接觸力-位移曲線及沖擊后壓縮(CAI)強(qiáng)度Fig.8 Contact force-displacement curves and compression-after-impact (CAI) strength of C16, C14 Al and C14 SS specimens under post-impact compression

2.2.2 沖擊后壓縮損傷情況

為了探究試件在壓縮試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)態(tài)破壞過程，采用2D-VIC 技術(shù)對試件表面的應(yīng)變進(jìn)行了記錄和分析。圖9 為20 J 沖擊能量下C14 SS 試樣在壓縮過程中面外應(yīng)變的變化。根據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在壓縮試驗(yàn)初期，試樣受力均勻，未產(chǎn)生較大的面外變形。隨著試件壓縮位移的增大，受沖擊區(qū)域出現(xiàn)損傷，發(fā)生面外形變，造成了局部失穩(wěn)。隨著壓縮載荷和形變持續(xù)增大，應(yīng)變逐漸往沖擊損傷中心區(qū)域集中，從而使受沖擊區(qū)域沿加載方向的應(yīng)變超出材料的最大壓縮應(yīng)變，最終導(dǎo)致試件突然斷裂造成壓縮破壞。

圖9 20 J 沖擊能量下C14 SS 試樣在壓縮過程中的面外變形Fig.9 Out of plane deformation during compression for the C14 SS specimen at 20 J impact energy

而未受到?jīng)_擊載荷時(shí)，3 組試樣在壓縮試驗(yàn)中的破壞形式都為端部壓潰。當(dāng)試樣中心受到低速?zèng)_擊后，破壞形式發(fā)生變化。圖10 可以看到25 J 能量沖擊后壓縮破壞的形貌。圖10(a)中分別為C14、C14 SS、C14 Al、C16 這4 種試件沖擊背面的壓縮破壞圖。試件都出現(xiàn)了纖維斷裂現(xiàn)象，纖維裂紋擴(kuò)展路徑近似為一條直線，且貫穿沖擊點(diǎn)造成的十字形裂縫。圖10(b)展示了壓縮破壞后的側(cè)面形貌?？梢钥吹嚼w維樹脂層發(fā)生了斜向的剪切破壞，C14 SS、C14 Al 試件中間的金屬網(wǎng)也產(chǎn)生了剪切變形。圖10(c)展示了沖擊后壓縮破壞的斷面形貌?？梢钥吹皆嚰粌H出現(xiàn)了纖維斷裂，還出現(xiàn)了層間分層的現(xiàn)象，并且C14 SS、C14 Al 兩種試件中間的金屬網(wǎng)的空隙被樹脂填滿，因此金屬網(wǎng)的加入能夠阻斷試樣的貫穿性裂紋。

圖10 25 J 沖擊后壓縮4 種試件的破壞形貌：(a) 正面；(b) 側(cè)面；(c) 斷面Fig.10 Failure morphologies of the four specimens under 25 J post-impact compression:(a) Front; (b) Side; (c) Cross section

2.3 I 型裂紋層間斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 損傷形貌

在2.2 節(jié)中總結(jié)了低速?zèng)_擊對混雜纖維-金屬網(wǎng)的影響，特別是對低速?zèng)_擊損傷的損傷機(jī)制及剩余強(qiáng)度等方面的相關(guān)研究。本節(jié)研究了混雜纖維-金屬網(wǎng)的界面性能，特別是纖維-金屬網(wǎng)混雜復(fù)合材料在承受拉伸和剪切作用的過程中，金屬網(wǎng)和纖維界面受到的影響。

圖11 展示了DCB 預(yù)制Ⅰ型裂紋的拉伸試驗(yàn)過程及試驗(yàn)后試件的界面損傷情況。從圖11(b)可以看到Ⅰ型裂紋拉伸后CFRP 試件表面比較光滑，纖維的間隙中存在少許的樹脂。而CFMRP試件中在不含金屬網(wǎng)的一側(cè)表面有樹脂顆粒凸起，含金屬網(wǎng)的一側(cè)金屬網(wǎng)的孔洞中出現(xiàn)殘余的樹脂及不含樹脂的孔，表明在Ⅰ型裂紋張開的過程中CFRP 試件主要是纖維和樹脂界面的粘接力起抵抗作用，CFMRP 結(jié)構(gòu)則為纖維和樹脂、金屬網(wǎng)和樹脂二者之間界面的粘結(jié)力起抵抗作用。

圖11 碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)和碳纖維-金屬網(wǎng)增強(qiáng)聚合物(CFMRP)的雙懸臂梁(DCB)拉伸試驗(yàn)示意圖：(a) 拉伸試驗(yàn)過程；(b) 拉伸后形貌Fig.11 Schematic diagram of double cantilever beam (DCB) tensile test for carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and carbon fiber-metal mesh reinforced polymer (CFMRP):(a) Tensile test process; (b) Morphology after tensile

2.3.2 力學(xué)曲線

圖12 為CFMRP 試件在Ⅰ型層間斷裂韌性試驗(yàn)中典型的接觸力-位移曲線。可以看到CFRP 試件和CFMRP 試件的位移接觸力曲線相差不大，通過觀察記錄視頻可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)位移達(dá)到13 mm 左右時(shí)，試件側(cè)面Ⅰ型裂紋開始發(fā)展起萌，隨著裂紋不斷發(fā)展，預(yù)制Ⅰ型裂紋擴(kuò)展長度達(dá)到4.6 mm時(shí)，其荷載達(dá)到峰值，此時(shí)試件發(fā)生脆性斷裂，隨后荷載下降，在后期由于Ⅰ型裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，荷載呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，界面裂紋擴(kuò)展趨于穩(wěn)定，裂紋擴(kuò)展速度也呈現(xiàn)出減少的趨勢。當(dāng)拉伸位移達(dá)到44 mm 附近后力學(xué)性能驟然下降，這表明裂紋已完全貫穿試件。表4 為CFRP和CFMRP 的DCB 試驗(yàn)參數(shù)?？梢缘玫紺FRP 試件和CFMRP 試件的Ⅰ型層間斷裂韌度分別為(0.59±0.035) kJ/m2和(0.65±0.034) kJ/m2，金屬網(wǎng)的加入使試件的斷裂韌度提高了10.2%，表明加入金屬網(wǎng)能夠提高試件的張開層間性能。

圖12 CFRP 和CFMRP 的DCB 拉伸試驗(yàn)接觸力-位移曲線Fig.12 Contact force-displacement curves of DCB tensile test for CFRP and CFMRP

表4 CFRP 和CFMRP 的DCB 試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Parameters of CFRP and CFMRP specimens in DCB test

2.4 Ⅱ型裂紋層間斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 損傷形貌

圖13 為預(yù)制Ⅱ型裂紋ENF 試驗(yàn)裝置及試件破壞后試件中間層的界面形貌?？梢钥吹紺FRP 試件剪切破壞區(qū)域表面較光滑，而CFMRP 試件在剪切破壞區(qū)域可以看到有大量的纖維被撕開附著在金屬網(wǎng)的表面。

圖13 (a) 末端切口彎曲(ENF)測試夾具及樣品；(b) CFRP 和CFMRP試件中間層的界面形貌Fig.13 (a) End-notched flexure (ENF) test fixture and specimen;(b) Interfacial morphology of the middle layer of the CFRP and CFMRP specimens

2.4.2 力學(xué)曲線

圖14 為Ⅱ型裂紋ENF 試驗(yàn)的接觸力-位移曲線。可以看到CFMRP 試件的峰值力明顯要高于CFRP 試件，且曲線增長近似趨近于線性增長。當(dāng)壓縮位移達(dá)到2.5 mm 左右時(shí)，CFRP 試件的層間剪切力達(dá)到最大600 N 左右，當(dāng)壓縮位移達(dá)到3.5 mm 左右時(shí)CFMRP 試件的層間剪切力達(dá)到最大900 N 左右，利用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)公式[33]可以計(jì)算出兩種試件釋放的應(yīng)變能，如表5 所示，CFRP和CFMRP 試件在裂紋擴(kuò)展時(shí)釋放的應(yīng)變能分別為(5.46±0.068) kJ/m2和(10.75±0.821) kJ/m2，和純碳纖維試件相比，加入金屬網(wǎng)后II 型裂紋擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)變能釋放率提高了96.8%，表明金屬網(wǎng)的加入能夠明顯提高試件的剪切層間性能。

圖14 CFRP 和CFMRP 試件的ENF 試驗(yàn)接觸力-位移曲線Fig.14 Contact force-displacement curves of ENF tensile test for CFRP and CFMRP

表5 ENF 試驗(yàn)CFRP 和CFMRP 試件參數(shù)Table 5 Parameters of CFRP and CFMRP specimens in ENF test

3 結(jié) 論

(1) 通過比較插入鋁合金絲網(wǎng)和添加兩層編織碳纖維預(yù)浸料的試件，插入鋁合金絲網(wǎng)的面板具有相對較低的剛度和峰值接觸力，但延性的顯著提高使混合結(jié)構(gòu)能夠吸收更多的沖擊能量。

(2) 由于沖擊損傷情況的影響，試件的壓縮強(qiáng)度隨著沖擊能量的增大逐漸減小，雖然加入金屬網(wǎng)試件的極限承載力下降的趨勢與不加入金屬網(wǎng)試件相似，但始終高于同等厚度的C16 試件，因此用金屬網(wǎng)替換兩層碳纖維可以提高試件的沖擊后壓縮性能。

(3) 在試件中間添加金屬網(wǎng)后，多余的樹脂會(huì)填充到金屬網(wǎng)的孔洞中，樹脂、金屬網(wǎng)及纖維三者之間的相互作用，可以提高界面之間的強(qiáng)度，尤其是試件界面的剪切強(qiáng)度。