填經(jīng)紗對(duì)三維角連鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能的影響

李艷清，祝成炎，田 偉，張紅霞

(浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310018)

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，三維紡織增強(qiáng)復(fù)合材料因具有優(yōu)異的力學(xué)性能及可根據(jù)需要自由設(shè)計(jì)［1-3］的結(jié)構(gòu)得到人們的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者就材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的侵徹性能及相應(yīng)力學(xué)響應(yīng)歷程展開了研究。已有文獻(xiàn)顯示，三維紡織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能受到增強(qiáng)體中預(yù)制件結(jié)構(gòu)［4-5］、纖維種類［6］、纖維體積比含量［7］、板材厚度［8-9］等諸多因素的影響。本文以玻璃纖維為原料，設(shè)計(jì)制備了4種經(jīng)緯組合和纖維體積比含量相同、經(jīng)向具有不同填經(jīng)紗分布的三維角連鎖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料，利用集中準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)方法獲得其三維角連鎖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的侵徹位移-載荷曲線，分析填經(jīng)紗對(duì)三維角連鎖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能及其力學(xué)響應(yīng)歷程的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

本文試驗(yàn)選用杭州玻璃纖維廠生產(chǎn)的無堿玻纖作為增強(qiáng)材料，經(jīng)緯紗線密度為2 400 tex×1 200 tex。為防止織造過程中紗線起毛，經(jīng)緯紗線均采用18.7 tex的錦綸長絲進(jìn)行了一步法包纏。經(jīng)織造后織物中錦綸長絲的含量僅1%左右，對(duì)復(fù)合材料成型過程中樹脂的滲透影響甚微［10］，因此對(duì)復(fù)合材料性能的影響可以忽略不計(jì)。

樹脂體系選用江蘇吳江學(xué)聯(lián)樹脂廠生產(chǎn)的6101環(huán)氧樹脂作為基體樹脂，浙江永在化工有限公司生產(chǎn)的650聚酰胺樹脂作為固化劑。為便于樹脂體系在三維織物中的流動(dòng)與滲透，同時(shí)還添加了丙酮作為稀釋劑，用以調(diào)節(jié)樹脂體系的黏度。

1.2 復(fù)合材料試樣制備

1.2.1 機(jī)織增強(qiáng)體經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)

采用文獻(xiàn)［11］所報(bào)道的方法試制了1#～4#具有不同填經(jīng)紗含量的機(jī)織增強(qiáng)體試樣。它們的經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)依次如圖1(a)～(d)所示，即以角連鎖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別在經(jīng)向不添加、添加1層、2層和3層增強(qiáng)填經(jīng)紗。圖中水平直線代表填經(jīng)紗，曲線代表基礎(chǔ)經(jīng)紗，圓點(diǎn)代表緯紗。

圖1 具有不同填經(jīng)紗層數(shù)的角連鎖結(jié)構(gòu)Fig.1 Four different kinds of angular interlocked structures.(a)Without warp filler;(b)With a layer of warp filler;(c)With two layers of warp fillers;(d)With three layers of warp fillers

1.2.2 復(fù)合成型

在室溫條件下，用質(zhì)量配比為1∶1∶0.2的6101環(huán)氧樹脂、650聚酰胺和丙酮混合液作為滲透樹脂，采用真空輔助成形工藝(VARI)制做三維角連鎖結(jié)構(gòu)機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料板材。樹脂液充滿模腔后繼續(xù)在同壓強(qiáng)下灌注、抽真空5 min左右以減少復(fù)合板材中孔隙產(chǎn)生［12-13］。所得實(shí)物如圖2所示。試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 三維角連鎖結(jié)構(gòu)機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料板材實(shí)物圖Fig.2 Photo of 3-D angular interlocked woven composite

表1 板材試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Detail parameters of composites

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能測(cè)試

參照ASTM D 6264—1998《測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)集中準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力的損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測(cè)試方法，裁取尺寸為50 mm×50 mm的試件，在RGM-200A型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用直徑為20 mm的球面剛性壓頭垂直于試件平面方向以4 mm/min的加載速度侵徹試樣直至穿透。試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄下侵徹過程中的載荷-位移曲線及數(shù)據(jù)。每種結(jié)構(gòu)試樣各測(cè)試5塊。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

定義侵徹過程中的載荷峰值為復(fù)合材料板材所能承受的最大侵徹載荷Fmax，對(duì)應(yīng)的位移即為失效位移S。對(duì)試樣的侵徹載荷-位移曲線進(jìn)行積分，得到復(fù)合材料在侵徹過程中吸收的侵徹總能量W。為了更合理地分析填經(jīng)紗對(duì)三維角連鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能的影響，利用公式計(jì)算獲得各試樣在單位纖維體積含量、單位厚度下的吸收能量，簡稱單位吸收能量q，單位為J/(mm·%)。

復(fù)合材料試樣的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值如表2所示。

表2 試樣的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of quasi-static penetration test

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)侵徹破壞形態(tài)

截取4塊經(jīng)向結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示試樣，采用1.3所述方法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)侵徹。當(dāng)侵徹載荷分別達(dá)到如表2所示2#試樣最大侵徹載荷的50%、70%、85%和100%時(shí)停止加載，獲得如圖3(a)、(b)所示的復(fù)合材料板材正、反表面在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹過程中的破壞形貌演變過程。

圖3 試樣經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)侵徹后的破損形貌Fig.3 Damage morphology of sample 2#under quasi-static penetration.(a)Face side;(b)Back side

觀察試樣的破損形貌演變可以發(fā)現(xiàn)，試樣的破壞模式呈典型的彎曲破壞模式：試樣正面受壓，表現(xiàn)為壓縮破壞;背面受拉，表現(xiàn)為拉伸破壞。試件在正面形成凹點(diǎn)的同時(shí)背面逐步開裂形成裂紋，纖維則吸收能量而變形直至斷裂。侵徹穿透后，斷口成犬牙狀，未出現(xiàn)復(fù)合材料分層現(xiàn)象，說明在侵徹過程中材料作為整體承受外部應(yīng)力。

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線分析

圖4 示出1#～4#試樣在侵徹速度為4 mm/min時(shí)的侵徹位移-載荷曲線。在侵徹的初始階段AB段，自侵徹體施加載荷開始就產(chǎn)生了垂直于試件表面的壓縮應(yīng)力，基體通過界面將壓力傳遞給纖維增強(qiáng)體，并沿著試件厚度方向傳播到試件背面形成拉伸應(yīng)力，此時(shí)復(fù)合材料作為整體承受著外界應(yīng)力，侵徹位移-載荷曲線幾乎呈直線上升。當(dāng)載荷超出外層基體的承受極限時(shí)，復(fù)合材料基體發(fā)生損壞并大面積塌陷，曲線中出現(xiàn)第1個(gè)載荷峰值B點(diǎn)。

圖4 試樣的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線Fig.4 Displacement-load curves of samples during quasi-static penetration test

在載荷波動(dòng)階段BC段，越來越多的基體、增強(qiáng)體紗線承受侵徹載荷。復(fù)合材料的基體開裂區(qū)域逐漸變大，大量紗線受力變形，當(dāng)紗線的應(yīng)變量達(dá)到極限時(shí)隨即發(fā)生斷裂、抽拔，同時(shí)復(fù)合材料中未被破壞的基體和纖維仍然起著傳遞載荷的作用。由于紗線斷裂的不同時(shí)性，導(dǎo)致位移-載荷曲線不斷發(fā)生波動(dòng)。復(fù)合材料中基體和纖維逐漸被破壞和斷裂，試件承受載荷的能力也不斷降低;當(dāng)所有紗線均斷裂時(shí)，試樣被侵徹體徹底穿透而破壞，表現(xiàn)為圖中載荷隨位移增加而下降的CD段。由此可見，在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹過程中，復(fù)合材料吸收能量的主要方式是紗線變形和斷裂，并以紗線最大應(yīng)變斷裂為失效準(zhǔn)則。

圖4 顯示，1#～4#試樣的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線總體趨勢(shì)基本一致，差異主要出現(xiàn)在BC段。填經(jīng)紗含量越少，在BC段的載荷波動(dòng)越厲害。

結(jié)合表2可知，在纖維體積分?jǐn)?shù)總量相差不大的情況下，隨經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)中填經(jīng)紗纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料所能承受的最大載荷和單位吸收能量也隨之逐漸增加，與未加填經(jīng)紗的1#試樣相比，2#～4#試樣的單位吸收能量值分別提高16.63%、20.54%和21.27%。由此可知，在角連鎖結(jié)構(gòu)中添加填經(jīng)紗可改善復(fù)合材料板材的損傷阻抗。

圖5 試樣的位移-瞬時(shí)能量吸收量曲線圖Fig.5 Displacement-absorbed energy curves of samples.(a)Sample 1#;(b)Sample 2#;(c)Sample 3#;(d)Sample 4#

盡管經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)中填經(jīng)紗纖維體積分?jǐn)?shù)顯著提高了復(fù)合材料所能承受的最大侵徹載荷和單位能量吸收能力，但復(fù)合材料板材的失效位移S卻相應(yīng)有所減小。這和填經(jīng)紗在三維立體機(jī)織物經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)圖中的分布位置有關(guān)。圖1(b)～(d)所示圖中，隨著填經(jīng)紗層數(shù)的增多，填經(jīng)紗越靠近復(fù)合材料表層，在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹過程中越更早地承受到侵徹載荷而發(fā)生彎曲形變，當(dāng)其應(yīng)變達(dá)到該組紗線的斷裂伸長時(shí)即發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為破壞失效，使得復(fù)合材料的失效位移也相應(yīng)提前，因此可認(rèn)為，在以提高三維機(jī)織復(fù)合材料板材準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能為目的的前提下，角連鎖結(jié)構(gòu)中添加增強(qiáng)填經(jīng)紗時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)填經(jīng)紗在三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中的位置。

2.3 填經(jīng)紗對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)侵徹響應(yīng)歷程的影響

定義侵徹體從位移si-1侵徹前行到si過程中所做的功為板材在侵徹過程中的瞬時(shí)吸收能量△w，可由下式計(jì)算獲得。

式中：si為侵徹位移，mm;F(s)為在侵徹位移Si處的瞬時(shí)侵徹載荷，N。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得如圖5所示試樣在侵徹過程中的侵徹位移-瞬時(shí)能量吸收量關(guān)系曲線。

1#試樣的位移-瞬時(shí)能量吸收量曲線平緩，沿著厚度方向各處的能量吸收峰值小且相對(duì)均衡，最終總吸收能量也較少。這是受角連鎖結(jié)構(gòu)獨(dú)特的層間連接方式所影響。從圖1(a)可知，角連鎖結(jié)構(gòu)中各層基礎(chǔ)經(jīng)紗不僅與緯紗交織，同時(shí)還與相鄰的經(jīng)紗層連接，起接結(jié)紗的作用。當(dāng)材料表面受到外界準(zhǔn)靜態(tài)侵徹載荷后，應(yīng)力便沿著厚度方向逐層先后傳遞到各根紗線。由于各根基礎(chǔ)經(jīng)紗形態(tài)幾乎相同，受力和變形過程也基本一致，因此經(jīng)紗沿材料厚度方向逐層依次達(dá)到形變極限，最終表現(xiàn)為各根紗線不同時(shí)斷裂。這也可用來解釋1#試樣在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線BC段出現(xiàn)的載荷波動(dòng)情況。

圖5 (b)、(c)、(d)顯示，復(fù)合材料經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)中每增加1組填經(jīng)紗，其位移-瞬時(shí)能量吸收量曲線便在圖5(a)所示的位移-瞬時(shí)能量吸收量曲線基礎(chǔ)上增加1個(gè)明顯的能量吸收區(qū)。這是由于填經(jīng)紗在增強(qiáng)機(jī)織物形成過程中未參與交織，沒有屈曲，呈伸直狀態(tài)所致。與形成角連鎖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)經(jīng)紗相比，填經(jīng)紗自受到侵徹應(yīng)力開始變形直至伸長值達(dá)到斷裂極限所需時(shí)間要短一些，因此，在侵徹過程中表現(xiàn)為多根纖維(該層填經(jīng)紗及先于該層填經(jīng)紗受力的基礎(chǔ)經(jīng)紗)同時(shí)斷裂，從而在侵徹位移時(shí)能量吸收量曲線上出現(xiàn)明顯的能量吸收區(qū)。相鄰填經(jīng)紗層在材料中距離越近，同時(shí)受力進(jìn)而同時(shí)斷裂的纖維數(shù)量也越多，這和2#～4#試樣在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線BC段的載荷波動(dòng)情況也一致，也是添加填經(jīng)紗后復(fù)合材料所能承受的最大侵徹載荷及單位能量吸收量增大的原因。

3 結(jié)論

以角連鎖結(jié)構(gòu)為經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)侵徹過程中受力均勻，破損緩和。沿經(jīng)向加入填經(jīng)紗，可在很大程度上改變角連鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能。具體表現(xiàn)為：

1)具有不同填經(jīng)紗含量的復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹位移-載荷曲線總體趨勢(shì)一致，但在纖維斷裂吸能區(qū)差異明顯。各組填經(jīng)紗在侵徹位移-瞬時(shí)能量吸收量曲線中均對(duì)應(yīng)有明顯的能量吸收區(qū)。

2)加入填經(jīng)紗可提高三維角連鎖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料所能承受的最大準(zhǔn)靜態(tài)侵徹載荷和能量吸收能力。當(dāng)填經(jīng)紗纖維體積分?jǐn)?shù)增加到一定值后，復(fù)合材料板材的單位吸收能量增加率并不顯著。

3)隨著填經(jīng)紗的逐層加入，復(fù)合材料破損失效的位置提前。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)復(fù)合材料機(jī)織增強(qiáng)體經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)中的填經(jīng)紗纖維體積分?jǐn)?shù)及其分布位置，以使三維角連鎖結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

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