復(fù)合材料Z-pin的壓縮試驗(yàn)研究

王曉旭， 陳 利

(天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300160）

復(fù)合材料Z-pin的壓縮試驗(yàn)研究

王曉旭， 陳 利

(天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300160）

通過(guò)三種復(fù)合材料Z-pin的軸向壓縮試驗(yàn)，觀察了各Z-pin的壓縮行為，分析了三種復(fù)合材料Z-pin在不同長(zhǎng)度時(shí)的極限應(yīng)力及其失效形式。結(jié)果表明，直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin的壓縮性能最好，其各長(zhǎng)度Z-pin所能承擔(dān)的極限應(yīng)力都較大。直徑0.28mm的碳纖維Z-pin易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，芳綸纖維Z-pin在壓縮力的作用下，接觸端容易受到破壞。兩種碳纖維Z-pin臨界應(yīng)力的理論值與試驗(yàn)值吻合較好，但芳綸纖維Z-pin的臨界應(yīng)力的試驗(yàn)值比理論值偏低。

Z-pin;復(fù)合材料;壓縮試驗(yàn);臨界應(yīng)力

Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是一種能夠提高復(fù)合材料層間性能的新技術(shù)，主要用于層合復(fù)合材料和泡沫夾層復(fù)合材料［1～4］。該技術(shù)是在未固化的預(yù)浸料或泡沫夾層材料的厚度方向植入具有一定剛度的細(xì)棒，這種細(xì)棒稱為Z-pin或pin。Z-pin材料可以用不銹鋼、鋁合金和鈦合金等金屬材料，也可以用高性能纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的復(fù)合材料，直徑為0.50mm和0.28mm的最為常見(jiàn)［1，5～7］。研究表明 Z-pin 能夠顯著提高復(fù)合材料的層間斷裂韌度，損傷容限和搭接強(qiáng)度［5～12］。此外還因其成本較低，能夠制備大型的復(fù)合材料等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)已將此技術(shù)用于制造F/A-18超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)，一級(jí)方程式賽車和聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)［13，14］。Z-pin增強(qiáng)技術(shù)可分為兩大類，一類是單根植入式，就是將一根根Z-pin分別植入未固化的層板里。另外一類是整體植入式，將若干Z-pin同時(shí)植入到層板中，例如美國(guó)Aztex公司的超聲波輔助植入技術(shù)(Ultrasonically Assisted Z-fiber insertion，UAZ）［1～3，15］。在 Z-pin 增強(qiáng)技術(shù)中，無(wú)論是哪種方法都需要對(duì)Z-pin施加一定的壓力才能將其植入層板或泡沫等材料中，壓力過(guò)小不能順利地進(jìn)入材料內(nèi)部，而壓力過(guò)大會(huì)對(duì)Z-pin造成損傷，尤其是單根植入式的方法，需要夾持一定長(zhǎng)度的Z-pin來(lái)完成植入動(dòng)作，若Z-pin的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在較小的壓應(yīng)力下將會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的性能研究較多［8～14，16～19］，而對(duì) Z-pin 增強(qiáng)技術(shù)的工藝及 Z-pin本身的性能還沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)，我國(guó)對(duì)Z-pin增強(qiáng)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)還處于初級(jí)階段，明確Z-pin的壓縮行為是Z-pin增強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本工作對(duì)兩種直徑的碳纖維Z-pin和芳綸纖維Z-pin進(jìn)行了軸向壓縮試驗(yàn)，測(cè)量Z-pin在不同長(zhǎng)度時(shí)所能承擔(dān)的極限應(yīng)力，觀察各種Z-pin在軸向壓縮過(guò)程中的形態(tài)變化及失效形式，表征不同長(zhǎng)度復(fù)合材料Z-pin的壓縮性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

復(fù)合材料Z-pin的制備通過(guò)拉擠工藝實(shí)現(xiàn)，由于Z-pin的直徑與傳統(tǒng)拉擠材料直徑的差別較大，我們對(duì)傳統(tǒng)的拉擠工藝進(jìn)行了改進(jìn)，將成型模具從升溫裝置中獨(dú)立出來(lái)，工藝流程如圖1所示。增強(qiáng)材料分別為T300 3k碳纖維、T300 1k碳纖維和 Kevlar49 158tex的芳綸纖維，樹(shù)脂為TDE-86環(huán)氧樹(shù)脂，制得的三種復(fù)合材料Z-pin的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 復(fù)合材料Z-pin的拉擠流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of improved pultrusion for composite Z-pins

表1 三種復(fù)合材料Z-pin的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of three kinds of composite Z-pins

壓縮試驗(yàn)方法采用試樣軸向下端夾持，另一端壓頭以勻速施加位移載荷。壓縮試驗(yàn)設(shè)備為島津(SHIMADZU）公司的AGS-J型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。為防止Z-pin接觸端滑移，將壓頭中央部位粘貼型號(hào)為CW-600的防滑砂紙。加載速率為1mm/min。試驗(yàn)環(huán)境為室溫。試驗(yàn)夾具如圖2所示，其中L對(duì)應(yīng)值為受壓試樣長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Z-pin的壓縮過(guò)程分析

2 .1 .1 直徑為0.50mm碳纖維Z-pin的壓縮過(guò)程

圖3是直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin各長(zhǎng)度試樣壓縮的載荷位移曲線。可以看出，長(zhǎng)度為15mm，20mm和25mm的Z-pin的三條曲線具有相同的特征，在最大載荷前都呈現(xiàn)出了非線性增長(zhǎng)。當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，隨著位移的增加，載荷緩慢下降，直到試樣破壞。這三種長(zhǎng)度的Z-pin都表現(xiàn)為壓桿失穩(wěn)的現(xiàn)象，當(dāng)載荷達(dá)到其臨界載荷時(shí)，Z-pin突然彎曲，不再保持原有的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)失穩(wěn)失效，接著Z-pin產(chǎn)生彎曲變形，直到發(fā)生劈裂破壞。這三種長(zhǎng)度的Z-pin破壞形式相同，破壞時(shí)的狀態(tài)如圖4a所示。

試樣長(zhǎng)度為10mm和6mm碳纖維Z-pin的壓縮載荷位移曲線，其特點(diǎn)與另外三種長(zhǎng)度的曲線形式存在較大的差異。其中，長(zhǎng)度為6mm的Z-pin載荷呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，?dāng)載荷達(dá)到某一較大值時(shí)，Z-pin接觸端的纖維與樹(shù)脂之間局部黏結(jié)較弱的界面所受應(yīng)力達(dá)到了它的破壞應(yīng)力，接觸端界面發(fā)生局部破壞后應(yīng)力將重新分配，接著又會(huì)造成新的界面破壞現(xiàn)象。曲線的波動(dòng)是界面的破壞與應(yīng)力重新分配持續(xù)并存的結(jié)果，破壞時(shí)的狀態(tài)如圖4b所示。長(zhǎng)度為10mm的Z-pin失效形式比較復(fù)雜，載荷在達(dá)到最大值后迅速下降，Z-pin受到壓縮產(chǎn)生了輕微彎曲變形后，試樣從軸向迅速折斷，體現(xiàn)了材料失穩(wěn)和破壞混合的失效形式，如圖4c所示。

圖4 直徑為0.50mm碳纖維Z-pin各長(zhǎng)度受壓破壞形式(a）長(zhǎng)度為15mm，20mm和25mm;(b）長(zhǎng)度為6mm;(c）長(zhǎng)度為10mmFig.4 Compression failure modes for carbon fiber Z-pins with diameter of 0.50mm(a）L=15mm，20mm or 25mm;(b）L=6mm;(c）L=10mm

2 .1 .2 直徑為0.28mm碳纖維Z-pin的壓縮過(guò)程

直徑為0.28mm，長(zhǎng)度為15mm和10mm碳纖維Z-pin與直徑為0.50mm，長(zhǎng)度為25mm，20mm，15mm的碳纖維Z-pin的曲線形式和受壓破壞過(guò)程相對(duì)應(yīng);直徑為0.28mm，長(zhǎng)度為6mm與直徑為0.50mm，長(zhǎng)度10mm的碳纖維Z-pin曲線形式和破壞過(guò)程相對(duì)應(yīng)，在此不再多做陳述。

2 .1 .3 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin的壓縮過(guò)程

圖5為芳綸纖維Z-pin的壓縮載荷位移曲線，長(zhǎng)為15mm的芳綸Z-pin載荷達(dá)到最大值失穩(wěn)失效后，隨著豎向位移的增加，逐漸彎曲，直到發(fā)生彎曲破壞。與其他長(zhǎng)度相比，長(zhǎng)度為15mm的芳綸Z-pin載荷下降的較為光滑，Z-pin徑向并未發(fā)現(xiàn)明顯的纖維劈裂的現(xiàn)象，破壞時(shí)的狀態(tài)如圖6a所示。長(zhǎng)度為10mm的芳綸Z-pin，載荷在最大值前發(fā)生了波動(dòng)，可見(jiàn)在其明顯的彎曲變形前，芳綸Z-pin與壓頭接觸端纖維與樹(shù)脂的界面已經(jīng)有一定程度的破壞，其破壞形式除彎曲破壞外，也可看到接觸端有明顯的界面破壞現(xiàn)象，如圖6b所示。長(zhǎng)度為6mm的芳綸Z-pin在載荷達(dá)到最大值以后，并不呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，這與直徑0.50mm，長(zhǎng)度為6mm碳纖維Z-pin類似，都是受壓Z-pin的接觸端界面發(fā)生破壞所致，破壞形式如圖6c所示。

圖5 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin壓縮試驗(yàn)的載荷位移曲線Fig.5 Compression experimental load-displacement curve for aramid fiber Z-pins with diameter of 0.50mm

圖6 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin各長(zhǎng)度受壓破壞形式 (a）長(zhǎng)度為15mm;(b）長(zhǎng)度為10mm;(c）長(zhǎng)度為6mmFig.6 Compression failure modes for aramid fiber Z-pins with diameter of 0.50mm(a）L=15mm;(b）L=10mm;(c）L=6mm

2.2 極限應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)狀態(tài)

將Z-pin在壓縮試驗(yàn)中所能承擔(dān)的最大軸向載荷所對(duì)應(yīng)的橫截面上的正應(yīng)力稱為極限應(yīng)力，即載荷位移曲線中載荷最大值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。臨界應(yīng)力是指即將發(fā)生失穩(wěn)的Z-pin的橫截面上的正應(yīng)力。

表3為各長(zhǎng)度復(fù)合材料Z-pin的極限應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)狀態(tài)(表3中用字母D代表破壞，B代表失穩(wěn)）。三種復(fù)合材料Z-pin隨著試樣長(zhǎng)度的增加，極限應(yīng)力都呈現(xiàn)了隨之降低的趨勢(shì)，但是不同長(zhǎng)度Z-pin極限應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)并不一致。試樣長(zhǎng)度較短時(shí)材料易發(fā)生破壞，長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)易出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin各長(zhǎng)度的極限應(yīng)力與另外兩種Z-pin相比都較大，可見(jiàn)，這種Z-pin的抗壓能力最強(qiáng)，因此，其 Z-pin植入工藝的靈活性最好;直徑0.28mm的Z-pin長(zhǎng)于10mm時(shí)在極限應(yīng)力狀態(tài)都出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，Z-pin的植入時(shí)應(yīng)盡量縮短其受壓長(zhǎng)度;長(zhǎng)度為6mm和10mm的芳綸Z-pin的極限應(yīng)力值都比較低，且對(duì)應(yīng)狀態(tài)為破壞，因此在具體工藝中應(yīng)防止植入力度過(guò)大而造成芳綸Z-pin的接觸端界面受到破壞。

表3 復(fù)合材料Z-pin的極限應(yīng)力(UCS）Table 3 The ultimate compressive stress(UCS）of composite Z-pins

2.3 Z-pin的臨界應(yīng)力

本研究的壓縮試驗(yàn)方法為試樣一端夾持固定，另一端受到壓頭壓應(yīng)力的作用，由于壓頭表面防滑紙?zhí)峁┧椒较蛏系哪Σ亮?，限制了試樣接觸端的水平滑移，同時(shí)Z-pin的接觸端又具有可旋轉(zhuǎn)的自由度，因此Z-pin的受壓狀態(tài)近似于一端固定、一端鉸支的壓桿受壓情形。根據(jù)細(xì)長(zhǎng)壓桿理論歐拉公式，壓桿臨界力的計(jì)算公式為:

式中，EI為材料的彎曲剛度，L為壓桿的長(zhǎng)度。壓桿在一端鉸支一端固定的約束情況下:

設(shè)σcr為臨界應(yīng)力，則有:

式中D為Z-pin的直徑。聯(lián)立式(1），(2）和(3）得到:

對(duì)于具體的材料來(lái)說(shuō)K為一常數(shù)，則:

可見(jiàn)，壓桿的臨界應(yīng)力只與長(zhǎng)度的平方呈反比，其比例常數(shù)由材料本身的性能決定。

為得到Z-pin的彎曲剛度，對(duì)Z-pin進(jìn)行的彎曲性能試驗(yàn)，采用了三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)設(shè)備為島津公司AGS-J型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1mm/min，試驗(yàn)環(huán)境為室溫。直徑0.50 mm碳纖維 Z-pin、直徑0.28mm碳纖維 Z-pin和直徑0.50mm芳綸纖維Z-pin的試驗(yàn)試樣，分別用 WT50，WT28，WF50表 示。試 樣 長(zhǎng) 度 為50mm，跨距為30mm。試樣數(shù)量為5件，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

根據(jù)彎曲剛度的計(jì)算公式:

式中，EI為彎曲剛度(N·m2）;ΔP為載荷撓度曲線初始直線段的載荷增量(N）;b為跨距(m）;Δs代表與載荷增量對(duì)應(yīng)的跨距中點(diǎn)處撓度增量(m）。

根據(jù)各試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得每種Z-pin彎曲剛度的平均值，根據(jù)公式(5）計(jì)算相應(yīng)比例常數(shù)K的值，得到每種Z-pin臨界應(yīng)力與長(zhǎng)度之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果及相對(duì)應(yīng)比例常數(shù)K的值見(jiàn)表4。

表4 復(fù)合材料Z-pin的彎曲剛度及K的值Table 4 Bending rigidity and the value of K of composite Z-pins

圖7為發(fā)生失穩(wěn)的Z-pin，其臨界應(yīng)力值與其長(zhǎng)度的平方分之一的關(guān)系，用 TC50，TC28和TA50代表直徑為0.50mm的碳纖維 Z-pin、直徑為0.28mm的碳纖維Z-pin和直徑為0.28mm的芳綸纖維Z-pin。各離散點(diǎn)代表各種Z-pin不同長(zhǎng)度的試驗(yàn)值，直線上的各點(diǎn)為理論值。從圖中可以看出兩種碳纖維Z-pin臨界應(yīng)力的試驗(yàn)值與理論值吻合較好，但芳綸纖維Z-pin的試驗(yàn)值比理論偏小。

圖7 Z-pin臨界應(yīng)力理論值Fig.7 Theoretical solutions for the critical stress of composite Z-pins

3 結(jié)論

(1）直徑0.50mm的碳纖維Z-pin的壓縮性能最好，各長(zhǎng)度能承擔(dān)的極限應(yīng)力都較大。直徑0.28mm的碳纖維Z-pin易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。由于芳綸纖維與樹(shù)脂較弱的界面性能，芳綸Z-pin在壓縮作用下，接觸端界面容易被破壞，其所能承擔(dān)的極限應(yīng)力也較低。因此，在Z-pin增強(qiáng)的植入工藝中，應(yīng)防止碳纖維Z-pin失穩(wěn)后的劈裂破壞，對(duì)于直徑為0.28mm碳纖維Z-pin應(yīng)盡量縮短其受壓長(zhǎng)度。芳綸Z-pin應(yīng)避免施加過(guò)大壓力而造成接觸端的破壞。

(2）產(chǎn)生失穩(wěn)的兩種碳纖維Z-pin臨界應(yīng)力的理論值與試驗(yàn)值吻合，但芳綸Z-pin臨界應(yīng)力的試驗(yàn)值比理論值偏低。

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Experimental Studies on Compressive Properties of Composite Z-pins

WANG Xiao-xu，CHEN Li
(Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials，Ministry of Education，Institute of Textile Composites，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

The axial compressive behavior of three kinds of composite Z-pins was investigated.The ultimate compressive stress and failure modes of composite Z-pins with different length were analyzed.The results show that carbon fiber Z-pins with the diameter of 0.50mm have the best compressive properties.Those with the diameter of 0.28mm are apt to be buckled.And aramid fiber Z-pins are easily failures on the contact point.Theoretical predictions of critical stress of carbon fiber Z-pins agree well with the experimental results，but the experimental value of the critical stress value of aramid fiber Z-pins is lower than the theoretical value.

Z-pins;composite materials;compression experiment;critical stress

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.4.017

TB332

A

1005-5053(2011）04-0090-05

2010-06-28;

2011-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11072175）

王曉旭(1983—）女，博士研究生，主要從事Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料性能研究，(E-mail）xuxu1983@163.com。

陳利(1968—），博士，教授，主要從事復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，(E-mail）chenli@tjpu.edu.cn。