三維夾芯復合材料沖擊損傷后彎曲性能研究

南通大學紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019

三維機織夾芯織物的中間芯材與上、下表層整體交織聯(lián)結，其結構如圖1所示[1]。三維夾芯復合材料是以三維機織夾芯織物為預制體，由環(huán)氧樹脂和固化劑制成樹脂基體，再在其上覆蓋玻纖織物而形成的新型三維夾芯復合材料[2-3]。此類材料具有高強度、高彈性模量、抗沖擊、耐壓等特點，近年來在航空航天及交通領域廣泛應用[4-5]。

圖1 三維機織夾芯織物結構示意

三維夾芯復合材料是一種輕質的新型夾層材料，在高性能復合材料運用方面具有很大優(yōu)勢[6-7]?，F(xiàn)階段，三維夾芯復合材料已大量應用于軍事、軌道交通、航空、船身、裝甲車身、油管夾層、保溫隔聲材料等領域[9-13]。 HOSUR等[8]在三維夾芯復合材料的復合工藝研究過程中，把三維夾芯復合材料的低速沖擊性能隨其材質不同而變化的規(guī)律作為重點研究內容。三維夾芯復合材料在長期使用過程中由于受到外力作用和環(huán)境變化的影響會發(fā)生損傷和破壞，所以對三維夾芯復合材料沖擊損傷后的彎曲性能進行測定，具有深遠的現(xiàn)實意義[14-17]。

本文以間隔高度為10.0 mm的三維機織夾芯織物作為預制體，采用手糊成型工藝制備三維夾芯復合材料，并以不同沖擊高度進行低速沖擊試驗，以模擬不同能量級別的沖擊作用，主要對三維夾芯復合材料沖擊損傷后的彎曲性能做初步探究，重點分析沖擊高度與彎曲性能的相關性，以期為此類復合材料低速沖擊損傷后的力學性能探究及優(yōu)化提供一定的參考。

1 試驗部分

1.1 原材料及主要設備

(1) 原材料：間隔高度10.0 mm的三維機織夾芯織物(纖維原料為136 tex無堿玻纖紗)；玻纖平紋織物(纖維原料為136 tex無堿玻纖紗，織物經緯密度均為12根/cm)；環(huán)氧樹脂(E-51)；固化劑(H-023)。

(2) 主要設備：101A-4S型電熱鼓風干燥箱；低速沖擊試驗裝置(沖擊頭質量約5 kg)；Instron 5969H型萬能材料試驗機。

1.2 試樣的制備及類型

采用手糊成型工藝，將環(huán)氧樹脂E-51與固化劑H-023按4 ∶1的質量比配置成樹脂基體，其質量為三維機織夾芯織物的1.2倍。然后將三維機織夾芯織物與樹脂基體復合，得到圖2所示的未鋪層試樣。再采用不同的鋪層方式，在未鋪層試樣的單面或雙面復合單層或雙層玻纖平紋織物，得到4種不同類型的三維夾芯復合材料試樣(即鋪層試樣)。試樣編號、鋪層方式和結構示意見表1。其中，4種鋪層試樣的結構示意以試樣1的結構示意為基礎，其上下方的橫線表示玻纖平紋織物。

圖2 未鋪層試樣實物照片

表1 試樣編號、鋪層方式及結構示意

1.3 低速沖擊試驗

1.3.1 試驗原理

1.3.1.1 試樣吸收的能量

① 沖擊頭瞬時最大沖擊動能Ei：

(1)

式中：M——沖擊頭質量，kg；

Vi——最大瞬時沖擊速度，m/s。

② 試樣損傷時吸收的能量ΔE：

(2)

式中：Vf——沖擊頭因試樣反彈所產生的最大瞬時反向速度，m/s。

1.3.1.2 沖擊載荷及沖擊點位移

① 沖擊載荷的計算式：

(3)

② 沖擊點位移的計算式：

(4)

式中：a(t)——加速度，m/s2(取自記錄所得的加速度對時間的曲線)；

V(t)——沖擊頭在t時刻的速度，m/s；

S(t)——沖擊頭在t時刻的位移，m。

1.3.2 試驗方法

試驗采用定量分析方法。通過調整沖擊頭下落高度控制沖擊速度和能量。采用5種間隔相等的沖擊高度(50.0、 100.0、 150.0、 200.0、 250.0 mm)，沿試樣的經、緯向分別進行低速沖擊試驗。試驗用的低速沖擊試驗裝置的沖擊頭為鋼質，呈半球形，質量約5 kg，直徑為12.7 mm；沖擊部分為四周用螺栓緊固、直徑為120.0 mm的圓形夾板。需要注意的是，沖擊頭下落前需處于靜止狀態(tài)并保證其軸線與夾持試樣板平面垂直。

圖3 未鋪層試樣沖擊前后的形貌(沖擊高度為100.0 mm)

將試樣放入直徑為120.0 mm的圓形夾板的中心位置，蓋好上層鋼板并旋緊螺栓，將沖擊頭上升到試驗設定的下落高度，待沖擊頭穩(wěn)定后，瞬時將其放開，沖擊頭便以一定的速度沖擊試樣，完成對試樣的低速沖擊試驗。圖3所示為沖擊高度為100.0 mm時未鋪層試樣沖擊前后的形貌，很顯然，沖擊后試樣的形貌受到損傷。

1.4 彎曲性能測定

按照GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能測試方法》[18]的相關規(guī)定，使用Instron 5969H型萬能材料試驗機(簡稱“試驗機”)對低速沖擊試驗后的試樣的彎曲性能進行測試。試樣尺寸為170.0 mm×60.0 mm，試驗機的彎曲跨度、測試速度、下夾頭跨距依次設定為130.0 mm、 5 mm/min、 60.0 mm。

2 結果與分析

2.1 彎曲性能

以沖擊高度為200.0 mm的雙面鋪單層試樣的經向為例，其彎曲性能由圖4所示的彎曲載荷-壓頭下壓時間曲線可知。

圖4 彎曲載荷-壓頭下壓時間曲線

隨著測試過程的持續(xù)進行，試驗機上的壓頭下壓位移逐漸增加，試樣的彎曲載荷首先呈線性增加，然后增速有所減小，彎曲載荷達到最大值；之后，彎曲載荷-壓頭下壓時間曲線急速下降，彎曲載荷快速減小。整個測試過程伴隨著試樣形貌破壞現(xiàn)象：首先，上表面與壓頭接觸部位發(fā)白，小部分樹脂基體斷裂；然后，發(fā)白部位(即應力集中區(qū)域)的樹脂基體斷裂，上層玻纖平紋織物中的纖維逐步斷裂，中間的三維機織夾芯織物逐步塌陷，下表面的樹脂基體輕微破裂，下層玻纖平紋織物中的纖維逐漸被拉斷；接著，上表面與壓頭接觸部位的樹脂基體全部破裂，下表面的樹脂基體陸續(xù)發(fā)生破壞，三維機織夾芯織物中的纖維逐步斷裂；最終，試樣完全破壞。整個測試過程中，樹脂基體脆斷和纖維斷裂的聲音持續(xù)不斷。

2.2 沖擊高度與彎曲性能的相關性

經測試，5種試樣沖擊損傷后所能承受的最大抗彎曲能力均呈規(guī)律性變化。

以未鋪層試樣為例，其經向剩余彎曲強度-沖擊高度曲線如圖5所示。很顯然，隨著沖擊高度的增大，同種三維夾芯復合材料的經向剩余彎曲強度逐漸減小。

圖5 未鋪層試樣的經向剩余彎曲強度-沖擊高度曲線

圖6 不同類型試樣的經向剩余彎曲強度(沖擊高度為50.0 mm)

當沖擊高度為50.0 mm時，不同類型試樣的經向剩余彎曲強度如圖6所示，其經、緯向剩余彎曲強度對比如圖7所示。由圖6可知，未鋪層、單面鋪單層、雙面鋪單層、單面鋪雙層、雙面鋪雙層試樣的經向剩余彎曲強度逐漸增大。由圖7可知，同種試樣的緯向剩余彎曲強度大于其經向剩余彎曲強度。沖擊高度為50.0 mm時，雙面鋪單層試樣的經向剩余彎曲強度為6.229 MPa，緯向剩余彎曲強度為11.611 MPa，這主要是由三維夾芯復合材料的內部結構決定的。

圖7 不同類型試樣的經、緯向剩余彎曲強度對比(沖擊高度為50.0 mm)

沖擊高度對不同類型試樣的經、緯向剩余彎曲強度的影響如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知：①對于同種試樣，沖擊高度越大，試樣沖擊損傷后的剩余彎曲強度越低。其原因是沖擊高度越大，外力對三維夾芯復合材料內部的纖維造成的損傷越嚴重，導致三維夾芯復合材料的載荷能力越小。②沖擊高度一定時，雙面鋪雙層、單面鋪雙層、雙面鋪單層、單面鋪單層、未鋪層試樣的剩余彎曲強度依次減小。其原因是在三維機織夾芯織物的單面或雙面復合的玻纖平紋織物中的玻纖增強了三維夾芯復合材料的抗沖擊性能。

圖8 沖擊高度-經向剩余彎曲強度曲線

圖9 沖擊高度-緯向剩余彎曲強度曲線

3 結論

(1) 沖擊高度越高，同種三維夾芯復合材料沖擊損傷后的抗彎曲能力越小。

(2) 沖擊高度一定時，同種三維夾芯復合材料的緯向剩余彎曲強度大于經向剩余彎曲強度。

(3) 沖擊高度一定時， 5種不同類型的三維夾芯復合材料沖擊損傷后的抗彎曲能力由大到小依次為雙面鋪雙層、單面鋪雙層、雙面鋪單層、單面鋪單層、未鋪層。

(4) 三維夾芯復合材料的破壞主要表現(xiàn)為樹脂基體的斷裂，上下表層的玻纖平紋織物中的玻纖脆斷，以及內部的三維機織夾芯織物中的纖維滑脫及斷裂導致的芯材塌陷。