2017, Vol. 45
文章信息
- 严实, 郭留雨, 赵金阳, 陆夏美, 曾涛
- YAN Shi, GUO Liu-yu, ZHAO Jin-yang, LU Xia-mei, ZENG Tao
- 三维五向编织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能实验研究
- Experimental Investigation on Low-velocity Impact and Compression After Impact Properties of Three-dimensional Five-directional Braided Composites
- 材料工程, 2017, 45(12): 65-70
- Journal of Materials Engineering, 2017, 45(12): 65-70.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000861
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文章历史
- 收稿日期: 2015-07-13
- 修订日期: 2017-08-12
复合材料在制造、保养、正常操作等场合下易于遭受动态冲击而产生各种损伤，例如基体裂纹、分层和纤维断裂等。这类损伤往往表面痕迹较小，甚至观测不到，但是在继续使用中，不可见分层损失会继续扩展，最终导致整体结构损伤和破坏，使得层压板复合材料的性能得不到充分发挥[1]。
三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念，具有多向纱线构成空间互锁网状结构，从根本上克服了层板复合材料易分层、开裂和抗冲击性能差等缺点，具有较高的比强度、比刚度、冲击韧性和结构可设计性等，在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用[2]。在三维四向(4D)编织复合材料中沿编织方向(即轴向)加入不参与编织的轴纱，可形成三维五向(5D)编织复合材料，进而使其在轴向上的力学性能得到较大的提高[3-5]。
研究人员已经对简单外形正交层压板的冲击损伤进行了广泛的研究[6]，但是由于编织复合材料的各向异性和非均匀性，对其冲击损伤的研究还较少，目前主要采用实验方法来研究编织复合材料的冲击力学行为和破坏机理。Matemilola和Strong[7]通过弹击实验研究了碳纤维编织复合材料的冲击损伤演化问题，分析了试件尺寸、冲击惯性等因素对损伤状态的影响。Fukuta[8]通过实验对三维三向﹑三维四向编织碳/环氧复合材料和层合板材料冲击后压缩(CAI)强度进行了比较，给出了三维编织复合材料的CAI强度比层合复合材料高的结论。Zeng等[9]对承受轴向冲击载荷的三维编织圆筒进行有限元模拟，并分析其能量吸收特性及压溃行为。Gu等[10]针对三维编织芳纶/环氧复合材料采用准静态侵彻实验模拟动态侵彻。此外，Sun和Gu等还对三维编织复合材料的横向冲击特性进行了实验研究[11]，并对其冲击损伤过程进行了有限元分析[12]。郑海燕和刘元镛等[13]对编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度进行了实验研究。杨灵敏等[14]对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维多向编织结构复合材料进行了低速冲击实验。李明等[15]对2.5D机织复合材料采用落锤法预制冲击损伤，进行剩余拉伸实验，基于软化夹杂模型进行刚度衰减模拟，并预测了剩余抗拉强度。皇甫劭炜和童小燕等[16]应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术，建立了适用于编织型复合材料板低速冲击及冲击后压缩破坏过程的一种全程分析方法。胡靖元等[17]以碳纤维编织复合材料和芳纶编织复合材料为研究对象，研究了编织复合材料的低速冲击响应和破坏模式，分析了冲击速率对材料冲击特性的影响。本课题组也通过实验研究了不同编织工艺参数的三维六向碳纤维/环氧树脂编织复合材料在不同冲击能量作用下的低速冲击过程[18]。
本工作针对不同编织工艺参数(编织角度)的三维五向编织复合材料低速冲击损伤机理及其剩余强度进行研究：对三维编织复合材料试件进行低速冲击实验，分析其损伤类型和演化规律；对三维编织复合材料试件进行冲击后剩余压缩强度实验，分析其损伤演化规律。本研究目的在于探索低速冲击条件下三维五向编织复合材料的损伤机理及剩余强度，控制材料的失效与破坏以提高其抗冲击能力。
1 实验 1.1 实验材料低速冲击实验在Instron 9250HV型落锤加载试验机上进行。试验机如图 1所示。Instron 9250HV型落锤加载试验机在多数工况下的加载是通过落锤的自由落体运动来实现。在所进行的冲击实验中，落锤直径为12.7mm，落锤质量为7.27kg，保持不变。冲击示意图如图 2所示，θ表示编织角度，其中蓝色纤维束表示编织纱，红色纤维束表示轴向纱。
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图 1 Instron 9250HV型落锤试验机 Fig. 1 Drop weight machine Instron 9250HV |
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图 2 三维五向编织复合材料冲击示意图 Fig. 2 Schematic diagram of impact of 3D five-directional braided composites |
为研究编织几何参数和编织结构对三维编织复合材料低速冲击力学性能的影响，实验采用了3种编织参数复合材料，由于材料成本的限制，每种材料测试3个试件，相关参数列于表 1中。实验用所有试件由天津工业大学复合材料研究所制备。增强纤维均为日本东丽公司生产的T700-12K碳纤维，基体材料为TDE-86环氧树脂，组分材料性能见表 2。试件采用四步法编织工艺编织，再经过树脂传递模塑(RTM)工艺固化成型。试件从360mm×160mm×5mm板裁剪成尺寸为120mm×80mm×5mm的测试试件。
| Material | Volume fraction of fiber/% | Braiding angle/ (°) |
| 5D15 | 58.1 | 15 |
| 5D25 | 58.4 | 25 |
| 5D35 | 57.9 | 35 |
| Material | Modulus/GPa | μ12 | |||
| E11 | E22 | G12 | G23 | ||
| TDE-86 resin | 3.45 | 3.45 | 0.35 | ||
| T700-12K fiber | 215.60 | 17.21 | 12.92 | 9.30 | 0.30 |
在冲击载荷作用下，三维编织复合材料的损伤起始于冲击面的基体破坏和纤维束裂纹，随后内部纤维束塌陷断裂并且剪切破坏，纤维束和基体界面破坏，最后试件非冲击面破坏。表 3为在30J冲击能量下编织角15°, 25°, 35°的冲击数据。表 4为冲击参数的平均值与方差，表 5为冲击后压缩实验的破坏载荷与失效位移。冲击能量表示试件能转换的最大能量，即冲头接触试件前的动能，冲击能量理论值为30J，而表 3为Instron 9250HV试验机在冲头接触试件前测出的冲头动能。吸收能量表示由系统消耗的不可恢复的能量，其中包括摩擦消耗的能量和材料冲击损伤消耗的能量。吸收能量可由载荷-位移曲线计算。三维编织材料的吸收能量偏差不大，表明冲击能量大部分被材料吸收。在相同的能量水平下，峰值载荷随着编织角度增加而增大，最大位移随编织角增加而减小。抗冲击性能随着编织角的增加而提高。图 3为材料在30J冲击能量时载荷和能量与时间的关系，相应的载荷-位移曲线如图 4所示。冲击能量为30J时，所有类型的三维编织复合材料在瞬态载荷曲线中没有明显的载荷突降，在这一能量水平的局部损伤可直观地通过载荷-时间曲线进行分析。图 3中试件的载荷-时间曲线表明，加载部分和卸载部分曲线平滑，并且对称于峰值载荷，峰值载荷附近只有微小波动，表明局部损伤较小，这也可以从试件的损伤照片中看出(图 5)。在此冲击能量下，材料的损伤较小，处于弹性吸收阶段。
| Type | Braided angle/(°) | Impact energy/J | Absorbed energy/J | Peak load/kN | Maximum displacement/mm |
| 5D15-1 | 15 | 28.67 | 26.85 | 8.52 | 4.77 |
| 5D15-2 | 15 | 29.38 | 27.16 | 9.74 | 4.41 |
| 5D15-3 | 15 | 28.78 | 27.09 | 8.90 | 4.47 |
| 5D25-1 | 25 | 28.70 | 26.85 | 9.14 | 4.61 |
| 5D25-2 | 25 | 29.08 | 27.13 | 10.16 | 4.20 |
| 5D25-3 | 25 | 29.01 | 27.72 | 9.37 | 4.72 |
| 5D35-1 | 35 | 28.85 | 27.15 | 9.45 | 4.40 |
| 5D35-2 | 35 | 28.68 | 26.82 | 10.85 | 3.95 |
| 5D35-3 | 35 | 29.23 | 27.75 | 9.79 | 4.49 |
| Type | Impact energy/J | Absorbed energy/J | Peak load/kN | Maximum displacement/mm | |||||||
| Average | Variance | Average | Variance | Average | Variance | Average | Variance | ||||
| 5D15 | 28.94 | 0.146 | 27.03 | 0.026 | 9.05 | 0.389 | 4.55 | 0.037 | |||
| 5D25 | 28.93 | 0.040 | 27.23 | 0.197 | 9.56 | 0.286 | 4.51 | 0.075 | |||
| 5D35 | 28.92 | 0.079 | 27.24 | 0.222 | 10.03 | 0.533 | 4.28 | 0.083 | |||
| Sample | 5D15 | 5D25 | 5D35 | |||||
| Maximum load/ kN |
Failure displacement/mm | Maximum load/kN | Failure displacement/mm | Maximum load/kN | Failure displacement/mm | |||
| 1 | 92.9 | 1.18 | 87.4 | 1.35 | 77.9 | 1.48 | ||
| 2 | 93.3 | 1.21 | 89.7 | 1.34 | 81.2 | 1.55 | ||
| 3 | 91.8 | 1.36 | 85.7 | 1.41 | 81.1 | 1.52 | ||
| Average | 92.6 | 1.25 | 87.6 | 1.37 | 80.1 | 1.52 | ||
| Variance | 0.603 | 0.0093 | 4.03 | 0.0014 | 3.52 | 0.0012 | ||
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图 3 30J冲击时载荷和能量与时间曲线 Fig. 3 Load and energy versus time curves with impacted at 30J |
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图 4 30J冲击时载荷-位移曲线 Fig. 4 Load-displacement curves with impacted at 30J |
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图 5 试件冲击损伤照片 (a)15°试件正面；(b)15°试件背面；(c)25°试件正面；(d)25°试件背面；(e)35°试件正面；(f)35°试件背面 Fig. 5 Photos of impact-damaged specimens (a)the front of 15° specimen; (b)the back of 15° specimen; (c)the front of 25° specimen; (d)the back of 25° specimen; (e)the front of 35° specimen; (f)the back of 35° specimen |
在相同的能量水平下，峰值载荷随着编织角度增加而增大，最大位移随编织角增加而减小，这些数据表明，对于三维编织复合材料，随着编织角度的增加，其抗冲击性能随之提高。
1.3 损伤模式分析相同的能量水平下，在冲击点附近15°试件有明显的横向裂纹出现，随着编织角度的增加，横向裂纹逐渐减小，并以纤维束界面的基体开裂为主要损伤模式；这是由于随着编织角度的增加，单位面积上纤维束排列更紧密，抑制了横向裂纹的产生，使损伤沿较弱的纤维束界面扩展，如图 5所示。
在材料的非冲击面，30J冲击能量水平时，材料损伤不明显，以纤维束界面的基体开裂为主要损伤模式，且35°试件没有明显损伤。由此可见，编织参数决定纤维束排列的紧密程度，编织角度越大纤维束排列得越紧密，其抗冲击性能越强。
2 三维五向编织复合材料冲击后剩余压缩性能 2.1 实验原理及实验材料对冲击后的试件进行冲击后压缩(CAI)性能测试，根据ASTM D7137设计CAI测试的固定装置，压缩实验卡具由侧边夹持和上下压板组成，以保证压缩试件在压缩过程中不发生失稳破坏。实验在INSTRON 3382静态加载试验机上完成。测试装置如图 6所示，加载速率为0.5mm/min。
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图 6 CAI测试装置 Fig. 6 CAI testing equipment |
图 7为CAI载荷-位移曲线，可以看出，对于15°和25°试件材料都表现出线弹性的特征，试件的破坏为脆性断裂；对于35°试件则表现出非线性的特征，试件的破坏为纤维束剪切破坏。编织角度偏小的试件，纤维束在压缩载荷方向上承受更多的力，在纤维束界面产生损伤之前，纤维束承受的力达到了其压缩载荷极限，因此纤维束发生脆性断裂。而编织角度偏大的试件，纤维束在压缩载荷方向上承受的力偏小，纤维束界面由于编织角的增加而使压缩载荷沿纤维束法向的分布力更大，因此在达到纤维束承受最大压缩载荷之前，纤维束界面已发生损伤，导致纤维束沿界面剪切破坏，使得试件的载荷-位移曲线呈现非线性的趋势。
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图 7 CAI载荷-位移曲线 Fig. 7 CAI load-displacement curves |
三维编织复合材料的CAI强度计算公式如下：
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(1) |
式中：σCAI表示CAI强度；PULT为最终压缩载荷；b和t分别为平均宽度和厚度。
三维编织复合材料的CAI强度分布如图 8所示，在相同的冲击能量下，随着编织角的增加，三维五向25°和35°两种编织结构的CAI强度都呈现下降趋势，特别是35°试件的强度与15°和25°编织角度的试件相比下降得更多。
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图 8 三维编织复合材料CAI强度 Fig. 8 CAI strength of three-dimensional braided composites |
CAI试件损伤模式如图 9所示。对于五向编织复合材料，编织角分别为15°和25°的试件上下表面沿裂纹面方向均发生了纤维断裂，纤维沿裂纹面发生了断裂，且压缩后试件前表面和后表面出现的裂纹不在一个横截面内，压缩试件的侧面裂纹与纱线的编织纹理相同，如图 9(a)~(d)所示。编织角为35°的试件虽然在压缩过程中也出现了横向裂纹，但在此裂纹面上纤维并没有发生断裂，不同于编织角为15°，25°试件，只是基体发生了开裂，或者即使纤维有断裂，其损伤程度也明显弱于编织角为15°和25°的试件。结合冲击后压缩试件的载荷-位移曲线可知，编织角15°和25°的试件失效前材料均表现为线性，故材料的破坏为脆性断裂破坏；而编织角为35°的试件在达到压缩强度或CAI强度之前其载荷-位移曲线出现了非线性特征，说明材料的破坏不再是脆性断裂破坏，而是纤维束沿其边界的剪切破坏导致试件的最终失效，如图 9(e)，(f)所示。
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图 9 CAI试件典型破坏模式 (a)15°试件正面；(b)15°试件侧面；(c)25°试件正面；(d)25°试件侧面；(e)35°试件正面；(f)35°试件侧面 Fig. 9 Typical failure modes for CAI specimens (a)the front of 15° specimen; (b)the side of 15° specimen; (c)the front of 25° specimen; (d)the side of 25° specimen; (e)the front of 35° specimen; (f)the side of 35° specimen |
编织角的变化导致三维编织复合材料压缩破坏模式的不同。这主要是因为小编织角试件在压缩方向的纤维分布比例大于大编织角试件，使得小编织角试件在压缩方向的承载能力明显大于大编织角试件，且编织角越小，编织纱和轴纱在压缩方向的长度越接近，导致在压缩过程中，纤维受力比较均匀，达到极限载荷时纤维发生脆性断裂，且断裂面平齐。对于较大编织角试件而言，在压缩方向的纤维分布比例低是其在此方向的承载能力差的主要原因，编织角越大，编织纱沿压缩方向的长度相差也越大，因此在压缩过程中纤维受力不均匀；而且随着编织角的增大，试件的花节长度减小，使得在压缩过程中纤维不容易沿编织纹理方向发生破坏，故当压缩载荷达到一定值时，纤维束界面基体开裂导致剪切破坏从而使材料失效。
3 结论(1) 三维编织复合材料，随着编织角的增大，其抗冲击性能增强，这是由于编织角度增加使得材料空间结构更紧密，提高了材料的抗冲击性能。
(2) 编织角的变化导致三维编织复合材料冲击后压缩性能和破坏模式的不同。随着编织角的增加，CAI强度降低，材料的破坏模式也由横向断裂转变为剪切破坏。
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