縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料低速?zèng)_擊及損傷檢測(cè)

胡根泉，賴家美*，龔小輝，羅毅杰，黃志超

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聚合物成型研究室，南昌 330031；2.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

0 前言

碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是隨著火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而提出的，在保留原碳纖維復(fù)合材料比重小、剛性好、強(qiáng)度高，比模量突出等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于泡沫的加入增加了其抗沖擊性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-5]。Wang等[6]研究了沖頭直徑、沖擊能量、泡沫芯厚度等影響因素對(duì)未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的沖擊性能和沖擊損傷狀態(tài)的影響，結(jié)果表明，傳統(tǒng)的泡沫夾芯復(fù)合材料存在層間強(qiáng)度低、易分層和沖擊阻抗低的致命弱點(diǎn)。為此Stanley等[7]首先提出了縫合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，極大地提高了泡沫夾芯復(fù)合材料的抗沖擊性能。

目前Xia等[8-9]主要對(duì)縫合玻璃纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的抗沖擊性能在實(shí)驗(yàn)或者模擬方面進(jìn)行了研究，鄒如榮等[10]通過(guò)數(shù)值模擬研究了相同沖擊能量下的縫合與未縫合玻璃纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊響應(yīng)過(guò)程及面板的損傷情況。一些學(xué)者[11-13]對(duì)復(fù)合材料層板和蜂窩夾芯板進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，劉松平等[14]利用超聲波掃描成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，該技術(shù)可以同時(shí)獲得材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度層的損傷圖像。對(duì)于縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，由于縫合會(huì)引起不同程度的纖維損傷及縫合也對(duì)沖擊及沖擊后損傷會(huì)帶來(lái)很大影響，但對(duì)該材料的沖擊性能，尤其是對(duì)其沖擊后損傷檢測(cè)研究少有報(bào)道。

本文用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)未縫合和縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料板進(jìn)行對(duì)比沖擊實(shí)驗(yàn)，再利用水浸超聲波掃描成像系統(tǒng)對(duì)沖擊后的碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料板進(jìn)行檢測(cè)，并分析復(fù)合材料板面板層及泡沫層損傷圖像，為揭示縫合對(duì)纖維的損傷及對(duì)沖擊后損傷的影響具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹脂，R688，廈門宥德材料科技有限公司；

胺類固化劑，H3268，廈門宥德材料科技有限公司；

單軸向碳纖維，CF-L300，廈門維曼材料科技有限公司；

導(dǎo)流網(wǎng)，VI160，上海瀝高科技有限公司；

真空袋膜，Vacfilm 400Y，上海瀝高科技有限公司；

縫線，Kevlar29(1500旦)，美國(guó)DuPont公司；

聚氨酯泡沫，PUR，廈門維曼材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

樹脂收集器，SJQ-10，廈門維曼材料科技有限公司；

模具，鋼化玻璃尺寸為120 cm×180 cm，南昌正川玻璃有限公司；

真空泵，X-25，德國(guó)Busch股份有限公司；

數(shù)控水刀，HSQ3020，南京合展精密技術(shù)有限公司；

落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，DIT123E，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

水浸超聲波特征掃描成像系統(tǒng)、脈沖發(fā)射接收儀以及水浸聚焦探頭，UT-Scan-1，美國(guó)GE公司。

1.3 樣品制備

碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料采用環(huán)氧樹脂作為基體材料，單軸向碳纖維作為增強(qiáng)材料，固化劑作為固化材料，厚度為10 mm的聚氨酯硬質(zhì)泡沫作為中間夾層材料，縫線作為縫線材料，縫線間距為15 mm×15 mm,鋪層方式：采用上下碳纖維面板采用[0/90]4上下對(duì)稱，各為8層。先用改進(jìn)的鎖式縫法將碳纖維與硬質(zhì)泡沫制成預(yù)成型體，環(huán)氧樹脂與固化劑的質(zhì)量比為5∶1，最后在真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)下制備未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料，通過(guò)數(shù)控水刀切割制備沖擊試樣，其尺寸大小為150 mm×100 mm×15 mm，如圖1所示。

(a)未縫合樣品 (b)縫合樣品圖1 沖擊樣品成型體Fig.1 Impact sample forming body

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

沖擊性能按ASTM D7136測(cè)試，在落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行10 J和20 J能量的沖擊實(shí)驗(yàn)，選用了半球形沖頭和2.5 t的傳感器，該沖頭直徑為16 mm，錘體總質(zhì)量為5.5 kg；

復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷無(wú)損檢測(cè)：采用水浸超聲波特征掃描成像系統(tǒng)檢測(cè)復(fù)合材料沖擊面板不同深度層的損傷情況；選擇頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭,掃描速度為30 mm/s，脈沖的重復(fù)頻率為100 Hz,步距為0.2 mm；超聲波在復(fù)合材料的聲速為3 000 m/s，增益值為15 dB。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊實(shí)驗(yàn)分析

在10 J和20 J的沖擊能量下，未縫合和縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料沖頭接觸力隨時(shí)間變化曲線如圖2所示?？梢钥闯?，無(wú)論是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料，在不同沖擊能量下的沖擊力隨時(shí)間的變化規(guī)律相似,近似看成正弦變化。

沖擊能量/J，有無(wú)縫合：1—20，縫合 2—20，未縫合 3—10，縫合4—10，未縫合圖2 不同沖擊能量下的力 - 時(shí)間曲線Fig.2 Force-time curve under different impact energies

由圖2可知，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料在相同能量的沖擊初始階段中，其沖擊載荷趨勢(shì)均隨著時(shí)間的增加而增大，但縫合碳纖維復(fù)合材料的沖擊載荷增長(zhǎng)速度和最大沖擊載荷均比未縫合碳纖維復(fù)合材料的增長(zhǎng)速度和最大沖擊載荷大，但是曲線上升的過(guò)程中，此階段曲線并不光滑，相對(duì)未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合來(lái)說(shuō)具有一定的波動(dòng)性。其原因是：沖頭接觸上層碳纖維面板后，由于環(huán)氧樹脂基體固化后的強(qiáng)度較低，極易造成基體開裂現(xiàn)象，同時(shí)也出現(xiàn)了界面分層損傷。故外力通過(guò)環(huán)氧樹脂基體材料集中傳遞到縫線樹脂柱，使其更好地承受大部分沖擊載荷，這就更好地解釋了縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的抗沖擊性能較未縫合碳纖維夾芯復(fù)合材料抗沖擊性能來(lái)說(shuō)更好。當(dāng)2種復(fù)合材料的沖擊載荷達(dá)到最大值時(shí)，未縫合碳纖維復(fù)合材料的沖擊載荷下降速度明顯要比縫合碳纖維復(fù)合材料下降的速度緩慢，這主要是因?yàn)榭p線的加入會(huì)直接破壞復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)，減弱泡沫吸收與緩沖能量的作用。且曲線下降時(shí)的波動(dòng)性較小，這是由于縫合碳纖維復(fù)合材料的縫線樹脂柱承受較大的沖擊載荷之后發(fā)生了破環(huán)從而部分失去承受了沖擊載荷的能力，導(dǎo)致其沖擊載荷下降的趨勢(shì)與未縫合碳纖維復(fù)合材料下降的趨勢(shì)差別不大。在沖擊能量為10 J和20 J時(shí)，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的時(shí)間-載荷曲線的變化趨勢(shì)及波動(dòng)性類似。

沖擊能量/J，有無(wú)縫合：1—20，未縫合 2—20，縫合 3—10，未縫合4—10，縫合圖3 不同沖擊能量下的位移 - 時(shí)間曲線Fig.3 Displacement-time curve under different impact energies

由圖3可以看出,縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合板受不同能量的沖擊過(guò)程中，沖頭從接觸復(fù)合材料板至到達(dá)最大位移這一階段，位移隨著時(shí)間變化逐漸增大，近似線性關(guān)系,最后趨于平穩(wěn)達(dá)到最大位移，但縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料到達(dá)最大位移所用的時(shí)間要小于未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料所用的時(shí)間。從沖擊能量的對(duì)比可以看出，20 J沖擊能量下的沖頭位移要大于10 J能量下的沖頭位移；從復(fù)合材料板有無(wú)縫合對(duì)比來(lái)看，未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料板的沖頭位移始終大于縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料板的位移。這是由于縫合泡沫夾芯復(fù)合材料板中，由于縫線的加入將復(fù)合材料的上、下纖維面板與中間泡沫層縫合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，既增強(qiáng)了界面層的抗分離能力，同時(shí)也起到類似于螺栓的支撐作用，導(dǎo)致縫合復(fù)合材料剛度要比未縫合復(fù)合材料剛度大。

2.2 水浸超聲波掃描結(jié)果及分析

在20 J的沖擊能量下，由于沖頭與夾具的共同作用，導(dǎo)致縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要承受類似彎曲變形，而泡沫芯層受擠壓破壞吸收一小部分能量，導(dǎo)致復(fù)合材料的沖擊、非沖擊面板發(fā)生變形的程度有所不同，沖擊面板的變形較大，損傷區(qū)域也因此較大；而非沖擊面板變形小，損傷區(qū)域也因此較小。故分析復(fù)合材料沖擊面板的損傷情況具有很大意義。

依據(jù)水浸超聲波掃描儀的回波特性原理：當(dāng)入射聲波向復(fù)合材料內(nèi)部傳播時(shí)，如果材料內(nèi)部存在損傷缺陷時(shí)，材料的聲阻抗變化較大，導(dǎo)致入射聲波發(fā)生強(qiáng)烈反射形成缺陷回波；若材料完好無(wú)損，入射聲波最終到達(dá)該材料底部形成反射回波。再對(duì)比2種回波信息，得到復(fù)合材料內(nèi)部損傷面積及損傷深度位置。對(duì)未縫合和縫合的碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料沖擊纖維面板各個(gè)纖維層進(jìn)行內(nèi)部損傷探究。超聲C掃描檢測(cè)復(fù)合材料的沖擊面，第一層從沖頭接觸層算起，以0.3 mm為每層厚度逐層向內(nèi)檢測(cè)，檢測(cè)到的損傷面積大致與實(shí)際損傷面積相似。未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料沖擊面板各共8層的受損情況如圖4所示。

有無(wú)縫合，層厚度/mm：(a)未縫合，0～0.3 (b)縫合，0～0.3 (c)未縫合，0.3～0.6 (d)縫合，0.3～0.6(e)未縫合，0.6～0.9 (f)縫合，0.6～0.9 (g)未縫合，0.9～1.2 (h)縫合，0.9～1.2 (i)未縫合，1.2～1.5 (g)縫合，1.2～1.5(k)未縫合，1.5～1.8 (l)縫合，1.5～1.8 (m)未縫合，1.8～2.1 (n)縫合，1.8～2.1 (o)未縫合，2.1～2.4 (p)縫合，2.1～2.4圖4 20 J沖擊能量下未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料在不同深度層的損傷Fig.4 Damage of unstitched and stitched carbon fiber foam sandwich composite materials in different depth under the impact energy of 20 J

沖擊受損缺陷是不同的，主要表現(xiàn)為基體開裂、分層和纖維斷裂。在圖4中利用不同顏色來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。對(duì)于2種復(fù)合材料的沖擊面板層而言，根據(jù)探頭接收的能量情況來(lái)設(shè)置其復(fù)合材料的失效模式，紅色區(qū)域標(biāo)定為纖維斷裂，這主要是由于入射波完全被反射回來(lái)；而包覆在紅色區(qū)域的周圍顏色是根據(jù)材料受損程度的不同而標(biāo)定的，主要表現(xiàn)為：此時(shí)的入射波有一部分作為反射回波被探頭接收，一部分是作為缺陷回波被探頭接收，對(duì)比兩者能量的多少來(lái)判定其受損程度，越靠近紅色區(qū)域，受損越嚴(yán)重；黑色區(qū)域標(biāo)定為分層，主要是因?yàn)榉瓷涿媾c超聲探頭沒(méi)有形成垂直，導(dǎo)致探頭無(wú)法接收反射回波；紫色與藍(lán)色分別標(biāo)定為未縫合與縫合復(fù)合材料的無(wú)缺陷部分。

從纖維損傷形狀而言，未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料在1～3層沖擊點(diǎn)位置損傷比較集中，呈現(xiàn)小塊狀；而在4～5層受損部分分散在沖擊點(diǎn)位置周圍，但損傷程度相對(duì)前3層來(lái)說(shuō)較為輕微，這可能是由于泡沫層會(huì)吸收一部分沖擊應(yīng)力，導(dǎo)致其應(yīng)力在復(fù)合材料纖維面板的傳遞呈逐層減弱；在6～8層受損部分呈現(xiàn)粒子狀散亂分布，并且出現(xiàn)沿長(zhǎng)度方向延伸的現(xiàn)象。這可能是與復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中所受應(yīng)力有關(guān)，試件在沖擊過(guò)程中，當(dāng)試件中心點(diǎn)位置受到?jīng)_頭向下的載荷時(shí)，復(fù)合材料四周受到夾具向上的載荷，這類似于彎曲變形。由于該復(fù)合材料并沒(méi)有縫線樹脂柱的支撐作用，導(dǎo)致其纖維斷裂會(huì)由外到內(nèi)逐層不斷向沿沖擊點(diǎn)位置向四周發(fā)散，而試件的長(zhǎng)度方向尺寸比寬度方向尺寸大很多，其更容易受到?jīng)_擊影響，因而纖維斷裂更容易在長(zhǎng)度上產(chǎn)生。

從纖維損傷面積可以看出，縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料在1～8層損傷區(qū)域分布較為集中，呈現(xiàn)小塊狀。這是由于縫線抑制了沖擊載荷下復(fù)合材料板內(nèi)損傷的擴(kuò)散;不管是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷面積都是沿沖擊面向內(nèi)部損傷是逐漸減小的趨勢(shì)?？p合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷是由于縫線的引入造成的。

從分層損傷來(lái)講，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料在6～8層的分層損傷情況要比1～5層明顯，這主要是因?yàn)楦鶕?jù)超聲探頭接收的能量不同，復(fù)合材料發(fā)生纖維斷裂要落后于分層損傷，而且前者也比后者的損傷更嚴(yán)重，故在圖中紅色區(qū)域覆蓋了黑色區(qū)域，所以前5層主要表現(xiàn)出纖維斷裂損傷。而縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的分層損傷情況比未縫合更為嚴(yán)重，這是因?yàn)槠淇p線破壞復(fù)合材料的整體性，受沖擊的影響后容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

通過(guò)Image J數(shù)字圖像處理軟件分析測(cè)量未縫合和縫合碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊上面板各層纖維的損傷面積，其損傷面積對(duì)比情況如圖5所示?？梢钥闯觯纯p合和縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷面積都是逐漸減小的，而前者損傷面積隨著碳纖維層向內(nèi)深入而減少的速度明顯要比后者快很多，可能是由于與沖頭直接接觸的碳纖維面板基體出現(xiàn)開裂，基體裂紋會(huì)在層間界面上的擴(kuò)展導(dǎo)致未縫合碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較差。此外，同一層對(duì)比縫合纖維層的損傷面積比未縫合纖維層的損傷面積要小。這是由于縫線的加入不僅增強(qiáng)了復(fù)合材料法向強(qiáng)度性能，而且縫線固化后所形成的樹脂柱直接通過(guò)環(huán)氧樹脂基體的傳遞承受其大部分沖擊載荷，避免纖維層很大程度上受損。

—未縫合 —縫合圖5 20 J沖擊能量下未縫合與縫合泡沫夾芯復(fù)合材料在不同層的損傷面積對(duì)比Fig.5 Comparison of damage area for unstitched and stitched carbon fiber foam sandwich composite materials under the impact energy of 20 J

圖6表示的是影響因子[(未縫合受損面積 - 縫合受損面積)/未縫合受損面積]與各層間的關(guān)系圖，它表明了縫合對(duì)復(fù)合材料板在不同層下的損傷影響。可以看出，與無(wú)縫合板相比，縫合碳纖維復(fù)合材料的損傷面積有不同程度的減小。在中間層第3～6層的損傷面積大約只減小了5 %；在第2層和第7層的損傷面積幾乎下降了30 %；而在第1層和第8層的損傷面積下降了近50 %。

圖6 縫線對(duì)不同層分層損傷的影響Fig.6 Effect of stitch on different ply delamination damage

3 結(jié)論

(1)無(wú)論是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料，在不同沖擊能量下的沖擊力隨時(shí)間的變化規(guī)律相似,而在相同沖擊能量下，縫合比未縫合碳纖維泡沫夾層復(fù)合材料的最大沖頭載荷要大，但接觸時(shí)間及最大沖頭位移均比未縫合的復(fù)合材料接觸時(shí)間和最大沖頭位移要??；

(2)未縫合泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在1～3層在沖擊點(diǎn)位置附近損傷比較集中呈現(xiàn)小塊狀；而在遠(yuǎn)離沖擊表面4～8層受損部分呈粒子狀散亂分布，并且受損區(qū)域沿著縱向向兩端分化；而縫合泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)1～8層損傷部分比較集中，呈現(xiàn)小塊狀，這是由于縫線抑制了沖擊載荷下復(fù)合材料板內(nèi)損傷的擴(kuò)散；

(3)無(wú)論是未縫合還是縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料，各鋪層損傷面積都是從沖擊表面向內(nèi)部逐漸減小的；同一纖維層損傷對(duì)比，縫合比未縫合碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料的每層損傷面積都要小；此外縫合的抑制損傷效果在表面層和最內(nèi)部層效果顯著，而在中間層縫線的效果一般。