碳-芳綸二維編織復(fù)合材料層板的抗低速?zèng)_擊性能

孫 穎，田書全，唐夢(mèng)云，陳 冬

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

目前，聚合物基復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面得到了廣泛的應(yīng)用，許多飛機(jī)引擎制造商已經(jīng)開發(fā)出了新的商業(yè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣將使用二維編織復(fù)合材料鋪層制備.近年來，美國(guó)航空航天局開展了一系列相關(guān)的基礎(chǔ)研究，將二維三軸編織復(fù)合材料應(yīng)用于波音787飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣中，實(shí)現(xiàn)了良好的包容性和減重性能[1-2].由于飛機(jī)一級(jí)結(jié)構(gòu)和機(jī)匣受到?jīng)_擊損傷影響較大，而碳纖維強(qiáng)度高，模量大，芳綸纖維具有較高的斷裂伸長(zhǎng)率和能量吸收能力，兩者混雜的材料被廣泛用于抗沖擊防護(hù)領(lǐng)域[3].

二維編織復(fù)合材料力學(xué)性能引起了眾多學(xué)者的青睞.Shu等[4]研究了二維編織碳/環(huán)氧復(fù)合材料橫向和軸向的壓縮、拉伸破壞形式，主要產(chǎn)生了基體裂紋、纖維與基體界面的損傷.Ivanov等[5]對(duì)二維編織復(fù)合材料拉伸損傷機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)損傷主要有2個(gè)部分：①紗線內(nèi)部裂紋密度和裂紋長(zhǎng)度的增加；②局部紗線間的剝離和紗線內(nèi)裂紋的結(jié)合.Bohm等[6]對(duì)二維編織碳/環(huán)氧復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明應(yīng)變率對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生了較大影響.

馬小菲等[7]通過玻璃/芳綸混雜纖維復(fù)合材料圓管的軸向靜態(tài)壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)，分析了復(fù)合材料圓管的壓縮及彎曲性能，探討了編織角和纖維混雜比對(duì)復(fù)合材料圓管壓縮及彎曲性能的影響，并對(duì)其破壞形式進(jìn)行了分析.朱露露等[8]進(jìn)行了鋪層數(shù)不同和有無開孔試樣二維編織復(fù)合材料的彎曲實(shí)驗(yàn).此外，NASA支持了ALAFS計(jì)劃并在2009—2013年對(duì)二維三軸編織復(fù)合材料進(jìn)行了比較系統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試（拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等）和有限元模擬研究，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為其在航空航天等領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ).與碳纖維進(jìn)行混雜最常見的纖維之一是芳綸纖維，由于碳纖維伸長(zhǎng)率低，而以芳綸為例的Kevlar49纖維伸長(zhǎng)率較高，為2.4%，其具有良好的耐沖擊等性能，兩者進(jìn)行混雜而成的復(fù)合材料，利用碳纖維良好的力學(xué)性能和芳綸纖維抗沖擊性能，可以最大程度地彌補(bǔ)單一纖維的缺點(diǎn)，以及降低生產(chǎn)成本[9].Chiu等[10]制備了6種碳-芳綸混雜二維編織復(fù)合材料管，對(duì)其準(zhǔn)靜態(tài)壓潰性能進(jìn)行研究，結(jié)論為不同的纖維種類和混雜方式，材料壓潰模式不同，壓潰能量吸收大小也不同.Gustin[11]對(duì)7種不同混雜結(jié)構(gòu)的碳-Kevlar49纖維復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn).Wan等[12]制備了含有不同Kevler49-T300混雜比的三維四向束內(nèi)混雜編織復(fù)合材料，進(jìn)行了彎曲、剪切和沖擊實(shí)驗(yàn).王文莎等[13]制備了碳-玻璃纖維混雜二維三軸編織層板，進(jìn)行了低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明編織紗玻纖、軸紗碳纖混編方式結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料有良好的抗沖擊性能.

本文設(shè)計(jì)了層間混雜（IE）、夾芯混雜（SA）、非對(duì)稱混雜（US）和層內(nèi)混雜（IA）4種結(jié)構(gòu)的碳-芳綸混雜二維編織復(fù)合材料，非混雜碳纖維復(fù)合材料用作對(duì)比，進(jìn)行落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，并通過超聲波無損檢測(cè)系統(tǒng)得到超聲C掃描和B掃描圖像，分析內(nèi)部損傷形貌和破壞機(jī)理，評(píng)價(jià)混雜結(jié)構(gòu)對(duì)材料抗沖擊性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

增強(qiáng)纖維采用日本東麗T700碳纖維和藍(lán)星中藍(lán)晨光化工HF200芳綸纖維，環(huán)氧樹脂體系為天津晶東TDE#86.纖維和樹脂性能如表1所示.

表1 纖維和樹脂性能Tab.1 Physical and mechanical properties of fibers and resin

二維編織預(yù)制件在紅旗牌二維編織機(jī)上織造，表2為碳纖維和芳綸纖維二維編織物結(jié)構(gòu)參數(shù).

表2 單層織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of 2D braided fabric

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種混雜結(jié)構(gòu)，如表3所示.設(shè)計(jì)層合板厚度為5 mm，鋪層數(shù)為7層（■代表碳纖維層，□代表芳綸纖維層，□代表碳-芳綸混編層）.

表3 碳-芳綸混雜二維編織復(fù)合材料層板混雜結(jié)構(gòu)Tab.3 Hybrid structure of carbon-aramid/epoxy hybrid 2D braided composites

采用樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）工藝制備復(fù)合材料層板，具體參數(shù)如表4所示.

表4 二維編織復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.4 Structure parameters of 2D braided composites

1.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與方法

試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)為《樹脂基復(fù)合材料落錘沖擊損傷容限試驗(yàn)方法》（ASTM D7136/D7137-07）[14]，試驗(yàn)儀器和設(shè)備如圖1所示.圖1（a）所示的Instron Dynatup 9250HV型落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，沖擊錘頭為半球形，直徑12.7 mm，質(zhì)量6.5 kg，將試樣切割為150 mm×100 mm大小，沖擊能量設(shè)定為33.5 J，每組測(cè)試3次.沖擊試驗(yàn)完成后，采用圖1（b）所示的SN-C3409型水浸超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)觀察分析層板沖擊內(nèi)部損傷，得到超聲C掃描和B掃描圖像.

圖1 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)及水浸超聲掃描檢查測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Drop-weight impact test setup and water immersion ultrasonic scanning testing system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊載荷-時(shí)間曲線

圖2所示為5種典型試樣沖擊載荷-時(shí)間曲線.

由圖2可見，沖頭施加載荷初期，試樣載荷-時(shí)間曲線均出現(xiàn)了載荷突然下降，然后繼續(xù)上升的趨勢(shì).原因是當(dāng)錘頭下降觸碰到試樣時(shí)，兩者相互接觸區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，試樣受到錘頭壓縮作用產(chǎn)生了變形，載荷產(chǎn)生了小幅度降低.隨著錘頭和試樣接觸面積繼續(xù)增加，應(yīng)力在層板內(nèi)部重新分配，曲線出現(xiàn)了小幅度波動(dòng)并繼續(xù)爬升，不同混雜結(jié)構(gòu)試樣曲線產(chǎn)生不同的上升趨勢(shì).

圖2 5種層板典型試樣的沖擊載荷-時(shí)間曲線Fig.2 Impact load-time curves for five kinds of specimens

由圖2還可以觀察到，試樣C的曲線在試驗(yàn)初期產(chǎn)生了較多波動(dòng)且幅度較大，這是由于碳纖維斷裂伸長(zhǎng)率較低，部分纖維在沖擊載荷作用下瞬間產(chǎn)生斷裂及剝離損傷，同時(shí)試樣表面產(chǎn)生輕微裂紋，導(dǎo)致載荷小幅度降低.Dehkordi等[15]的研究也得到過類似的結(jié)論.混雜結(jié)構(gòu)試樣由于斷裂伸長(zhǎng)率較高的芳綸纖維的引入，試樣沖擊損傷擴(kuò)展比試樣C程度緩慢，曲線上升趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈波動(dòng).試樣IA到達(dá)峰值前，曲線出現(xiàn)了上下波動(dòng)，這可能是由于碳和芳綸纖維相互交織排列，沖擊使得其樹脂界面不穩(wěn)定因素增加，載荷分布不均勻.載荷上升到峰值時(shí)，錘頭下降位移最大后又開始遠(yuǎn)離試樣，曲線迅速下降，說明試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的損傷，如基體裂紋、纖維斷裂以及內(nèi)部產(chǎn)生分層等損傷.

試樣US載荷-時(shí)間曲線上升至峰值載荷后，曲線嚴(yán)重下落，產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，這是由于層板結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，剩余載荷再次分配，使得曲線波動(dòng)劇烈.試樣IE、SA和IA曲線下降部分較平緩，沒有出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，初步說明這3種混雜結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)試樣.

峰值載荷表示材料在遭受破壞前可以承受的最大力，可以很好地評(píng)價(jià)材料的承載能力.有文獻(xiàn)指出材料的初始剛度對(duì)峰值載荷影響較大[16].4種層板峰值載荷如圖3所示.

由圖3可以看到，試樣IA有最大的峰值載荷，為4.28 kN，其層板面內(nèi)剛度較高，這是由于碳纖維拉伸模量大，芳綸纖維斷裂伸長(zhǎng)率較高，其相互交織排列在沖擊試樣表面，共同發(fā)揮出各自的性能優(yōu)勢(shì)，承受較高的沖擊載荷.其他3種混雜結(jié)構(gòu)試樣和C相比，由于高斷裂伸長(zhǎng)率芳綸纖維層的引入，峰值載荷小幅度下降.由此可知，層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)承受沖擊能力最強(qiáng)，有最好的沖擊損傷阻抗.

圖3 沖擊峰值載荷對(duì)比圖Fig.3 Maximum impact forces

2.2 沖擊能量-時(shí)間曲線

5種典型試樣的吸收能量-時(shí)間曲線如圖4所示.

圖4 5種典型試樣的吸收能量-時(shí)間曲線Fig.4 Impact energy-time curves for five kinds of specimens

圖4中，曲線包括3個(gè)階段[17-18].階段Ⅰ：該階段曲線緩慢上升，吸收能量較少，這是由于錘頭下降觸碰到試樣時(shí)，試樣厚度方向受到載荷作用產(chǎn)生變形吸收較少的能量；階段Ⅱ：曲線迅速爬升，后又緩慢上升到最大值，因?yàn)殄N頭下降速度較快，能量曲線隨著接觸面積的增加而迅速上升；當(dāng)錘頭下降至最低位置時(shí)，錘頭和試樣開始分離，部分彈性能量被釋放，曲線緩慢增加且出現(xiàn)下降趨勢(shì)；階段Ⅲ：曲線基本平行于時(shí)間軸，此時(shí)錘頭與試樣無接觸區(qū)域.試樣IA在階段Ⅱ表現(xiàn)出和其他試樣不同的曲線形狀，可能是由于層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)的特殊性，使得吸能方式和其他混雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同的形式.

損傷傳播能量EP與峰值載荷能量Em的比值稱為韌性指數(shù)DI值[19]，用來評(píng)價(jià)材料的韌性性能.表5為5種試樣DI值.其中：Et表示總吸收能量；Em為峰值載荷處的能量.

由表5可見，試樣C的DI值最小，這是由于沖擊錘頭作用在斷裂伸長(zhǎng)率低的碳纖維上時(shí)，纖維斷裂吸收較少的能量.3種混雜試樣（IE、SA和US）中，由于試樣層間加入斷裂伸長(zhǎng)率高的芳綸織物層，受到?jīng)_擊時(shí)纖維產(chǎn)生了拉伸彎曲變形，吸收較多的能量，故DI值均高于試樣.層板US的DI值最大，但由于其具有最小的峰值載荷及Em，故抗沖擊性能較差；層板IE的峰值載荷和DI值分別比層板SA高1.95%和31.5%.IA試樣DI值為負(fù)值，說明其一部分未被吸收的能量，轉(zhuǎn)化成了彈性應(yīng)變能量，能量-時(shí)間曲線之間的差異很好的體現(xiàn)出來.

表5 5種試樣沖擊實(shí)驗(yàn)DI值Tab.5 Summary of average ductility index for five kinds of specimens

沖頭對(duì)材料做功過程中，一部分功轉(zhuǎn)化為被材料所消耗的能量，表現(xiàn)形式為材料產(chǎn)生彎曲變形、基體剝離、纖維斷裂抽拔等，材料產(chǎn)生了不可恢復(fù)破壞；另一部分為未被吸收的能量，轉(zhuǎn)化成了彈性應(yīng)變能量.試樣IA彈性應(yīng)變能最大（5.964 J），其他試樣彈性應(yīng)變能遠(yuǎn)小于試樣IA（幾乎為0），表明試樣IA在沖擊過程中產(chǎn)生了較大的彈性變形，表現(xiàn)出優(yōu)良的韌性性能.

2.3 沖擊后損傷形貌

5種典型試樣沖擊后的損傷形貌如圖5所示.圖5中，左圖為沖擊正面，右圖為背面.由圖5可見，試樣正面沖擊損傷破壞均比背面較嚴(yán)重，大部分試樣正面可以清晰看到錘頭作用產(chǎn)生的圓形壓痕，在圓痕邊緣有少量基體裂紋，無纖維剪切損傷產(chǎn)生；纖維產(chǎn)生了垂直于裂紋位置的斷裂，原因是沖擊應(yīng)力波沿編織紗方向進(jìn)行傳播，和其交織的紗線會(huì)阻擋其傳播，應(yīng)力集中導(dǎo)致纖維斷裂.

試樣C背面出現(xiàn)了嚴(yán)重的纖維斷裂和抽拔破壞，混雜層板背面破壞損傷肉眼幾乎觀察不到，但出現(xiàn)了微弱的凸起，這是由于芳綸纖維的加入，混雜層板在受到?jīng)_擊時(shí)產(chǎn)生了塑性變形.層內(nèi)混雜試樣IA中，正面只出現(xiàn)少量裂紋損傷，說明碳纖維和芳綸纖維相互交織排列，兩者良好的協(xié)同作用有效抵抗了落錘沖擊，提高了層板的抗沖擊性能.

2.4 沖擊損傷超聲成像評(píng)估

5種典型試樣的C掃描輸出圖像如圖6所示.

圖6中：X軸表示掃描探頭沿試樣軸向掃描的距離；Y軸表示掃描探頭沿試樣橫向掃描的距離.掃描開始前，將試樣沖擊背面朝上放置進(jìn)行固定，使其在探頭正下方合適的位置.

圖5 5種典型試樣沖擊后損失形貌Fig.5 Impact damage morphology photos for five kinds of specimens

由圖6可以觀察到，5種C掃描圖像表現(xiàn)出明顯的差異，可知沖擊內(nèi)部損傷模式對(duì)混雜結(jié)構(gòu)較敏感.層板C雖然無明顯的表面損傷（圖5），但C掃描圖像顯示試樣內(nèi)部損傷較嚴(yán)重，尤其位于沖擊點(diǎn)附近區(qū)域顯示圓形深藍(lán)色，且無明顯界限，表明其內(nèi)部損傷擴(kuò)展面積較大.

圖6 5種典型試樣超聲C掃描圖像Fig.6 C-scan results after impact of five kinds of specimens

對(duì)于層板SA，其C掃描圖像中含有大量的亮黃色和紅點(diǎn)，雖然其藍(lán)色區(qū)范圍較小，由于其沖擊后試樣側(cè)面產(chǎn)生了分層損傷，故結(jié)構(gòu)受到破壞.C掃描圖像中，試樣US內(nèi)部損傷面積最大.說明夾芯混雜和非對(duì)稱混雜結(jié)構(gòu)對(duì)層合板的沖擊性能沒有產(chǎn)生正混雜效應(yīng).

由試樣IE的C掃描圖像可知，沖擊點(diǎn)處顯示淡藍(lán)色，表明此區(qū)域產(chǎn)生了程度較輕的內(nèi)部損傷，但和試樣IA相比，其藍(lán)色區(qū)域分布范圍較大，表明沖擊應(yīng)力在試樣內(nèi)部發(fā)生了擴(kuò)展，損傷面積增加；試樣IA的C掃描圖像中，損傷邊緣線較清晰且損傷區(qū)域主要分布在沖擊中心附近，藍(lán)色區(qū)域范圍較小，說明碳纖維和芳綸纖維相互交織排列，表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能.

3 結(jié)論

（1）相同沖擊能量下，試樣IA有最大的峰值載荷（4.28 kN）.3種混雜結(jié)構(gòu)試樣（IE、SA 和 US）中，由于高斷裂伸長(zhǎng)率芳綸纖維的引入，峰值載荷發(fā)生小幅度下降，承載能力降低.由此可知，層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)承受沖擊能力最強(qiáng)，有最好的沖擊損傷阻抗.

（2）碳纖維層板的DI值低于混雜層板的DI值，說明層板C沖擊韌性較差.雖然層板US的DI值最大，但其峰值載荷最小，且沖擊損傷較嚴(yán)重，所以其抗沖擊性能也較差.層板IE的DI值比層板SA高31.5%，說明層間混雜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比夾芯混雜結(jié)構(gòu)優(yōu)良的沖擊韌性.IA試樣DI值為負(fù)值，彈性應(yīng)變能最大（5.964 J），其他試樣彈性應(yīng)變能（幾乎為0）遠(yuǎn)小于試樣IA，表明試樣IA在沖擊過程中產(chǎn)生了較大的彈性變形，表現(xiàn)出優(yōu)良的韌性性能.

（3）由C掃描圖像可知，試樣IA損傷區(qū)域面積較小，沖擊損傷區(qū)域分布集中，無明顯擴(kuò)散，表明層內(nèi)混雜結(jié)構(gòu)抗沖擊性能較好.

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