碳纖維增強(qiáng)編織復(fù)合材料圓管制備及其壓縮性能

谷元慧， 張典堂,2， 賈明皓， 錢 坤

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 安徽省高等學(xué)校紡織面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241000)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是一種先進(jìn)的新型材料，因其相比傳統(tǒng)的金屬材料具有更高的強(qiáng)度和模量、耐沖擊等優(yōu)異性能以及滿足人們對(duì)于材料構(gòu)件輕量化的需求而被廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、輪船、汽車等領(lǐng)域[1-3]。管件是實(shí)際工程應(yīng)用中較為常見的構(gòu)件之一，利用編織結(jié)構(gòu)制作的復(fù)合材料管件不但具有高的損傷容限，其能量吸收能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同尺寸規(guī)格普通金屬吸能裝置[4-6]。這些構(gòu)件在應(yīng)用過程中不可避免地受到壓縮載荷的作用，國內(nèi)外研究人員也從編織工藝參數(shù)及構(gòu)件應(yīng)用環(huán)境等方面對(duì)復(fù)合材料管件的壓縮性能進(jìn)行了大量的研究，但是針對(duì)圓形管件力學(xué)性能方面的研究仍較少。黃建城[7]探究了含有特殊薄弱環(huán)節(jié)(內(nèi)倒角與花冠和端部開縫)的復(fù)合材料圓管壓縮破壞模式與吸能特性。結(jié)果表明，新式薄弱環(huán)節(jié)可引發(fā)圓管的漸進(jìn)穩(wěn)定失效模式，可較高程度地提升其吸能效果。Gideon等[8-9]在試驗(yàn)中著重考察了編織角對(duì)三維編織復(fù)合材料圓管的靜態(tài)壓縮疲勞壓縮性能的影響，認(rèn)為編織角的大小對(duì)復(fù)合材料圓管疲勞失效模式有較大影響。Eyer等[10]設(shè)計(jì)了啞鈴形碳纖維復(fù)合材料管以研究其纖維軸向的壓縮性能，結(jié)果顯示：用90°非平衡編織玻璃/環(huán)氧樹脂片(1055 / ES18)增強(qiáng)的11層編織碳/環(huán)氧樹脂(G939 / M18)管壓縮性能較好。Wu等[11-12]研究了三維編織復(fù)合材料圓管在低溫度場(chǎng)以及高應(yīng)變率條件下的軸向壓縮響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明：低溫條件下的材料具有更強(qiáng)的力學(xué)性能，但應(yīng)變率效應(yīng)與常溫下差異不大，壓縮模量和壓縮強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的增加而增加。由于研究成本的限制，目前已有研究中的圓管多為薄壁，且鮮有對(duì)不同編織結(jié)構(gòu)及構(gòu)件長度對(duì)復(fù)合材料圓管壓縮性能影響的報(bào)道。而應(yīng)用環(huán)境下，尺寸效應(yīng)是材料結(jié)構(gòu)失效的重要影響因素，尤其在壓縮性能下，尺寸(長度)嚴(yán)重影響屈曲失效。

基于此，本文以樹脂為基體，與碳纖維編織預(yù)制件采用樹脂傳遞模塑成型工藝(RTM)復(fù)合，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗(yàn)，采用高速攝影儀記錄壓縮過程，深入研究6 mm壁厚的復(fù)合材料圓管的長度(40、50、60 mm)、編織結(jié)構(gòu)(三維四向簡稱3D)與二維編織鋪層(簡稱OB)對(duì)其壓縮性能的影響及其失效機(jī)制，以期對(duì)復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)過程

1.1 復(fù)合材料圓管的制備

采用四步法編織的三維(3D)四向圓管預(yù)成型件與Over-braiding技術(shù)(OB)編織的二維鋪層圓管預(yù)成型件，分別由陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司和浙江天科復(fù)合材料有限公司提供。

采用RTM工藝進(jìn)行復(fù)合。RTM工藝可有效降低復(fù)合材料制作成本，且經(jīng)該工藝復(fù)合的制品具有孔隙率低、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。采用南通星辰合成材料公司提供的WSR618(E-51)環(huán)氧樹脂，無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司提供的5023固化劑，按環(huán)氧樹脂與固化劑質(zhì)量比為3∶1配制。根據(jù)該樹脂的熱學(xué)特性及多次固化試驗(yàn)，為保證固化完全，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后設(shè)定固化工藝為：70 ℃、3 h；80 ℃、2 h；90 ℃、4 h。模具為實(shí)驗(yàn)室自制，具體復(fù)合工藝流程見文獻(xiàn)[15]，所有復(fù)合材料圓管的外徑為55 mm，內(nèi)徑為43 mm。

試樣編號(hào)以圓管編織方式+圓管長度表示，即3D-40、OB-40、OB-50、OB-60。表1示出試樣的基本規(guī)格參數(shù)，試樣外觀如圖1所示。

表1 碳纖維編織圓管試樣規(guī)格參數(shù)

Tab.1 Sample specifications of carbon fiberbraided circular tubes

試樣名稱纖維束種類與型號(hào)長度/mm編織角/(°)纖維體積分?jǐn)?shù)/%3D-40T700-6K404050OB-40T700-12K405353OB-50T700-12K505254OB-60T700-12K605353

圖1 軸向壓縮試驗(yàn)件

Fig.1 Axial compression test piece

表中復(fù)合材料圓管的纖維體積分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算：

式中：VC為復(fù)合材料圓管的纖維體積含量，%；Mp為試樣預(yù)制件質(zhì)量，g；Do為復(fù)合材料圓管外徑，cm；Di為復(fù)合材料圓管內(nèi)徑，cm；L為試樣長度，cm；ρc為碳纖維密度，g/cm3。

1.2 軸向壓縮試驗(yàn)

圖3 3D-40與OB-40壓縮載荷與位移曲線

Fig.3 Compression load-displacement curves of 3D-40 and OB-40

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料圓管軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)參照GB/T 5350—2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗(yàn)方法》在Instron 3385H型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度設(shè)置為2 mm/min，每種規(guī)格的試樣個(gè)數(shù)均為3件，結(jié)果取平均值。采用Photon Focus高速攝影儀記錄3D-40與OB-40的壓縮破壞過程，其中萬能試驗(yàn)機(jī)與高速攝影儀分別由相配套的電腦控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓縮應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)

40 mm的3D編織復(fù)合材料圓管以及長度分別為40、50、60 mm長的OB復(fù)合材料圓管在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 4種試樣壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線

Fig.2 Compressive stress-strain curves of four specimens

由圖2可知，從整體來看，4種試樣均表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征，且試樣的結(jié)構(gòu)與長度尺寸對(duì)壓縮模量產(chǎn)生較大的影響。在初始階段(復(fù)合材料圓管未發(fā)生破壞)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性，材料發(fā)生線彈性變形。3D復(fù)合材料圓管的壓縮彈性模量達(dá)到5.91 GPa，略大于OB復(fù)合材料圓管。應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而迅速增至最大值，材料產(chǎn)生破壞后，又迅速下降，但是3D編織結(jié)構(gòu)材料下降較為緩慢，說明3D編織復(fù)合材料圓管的壓縮彈性性能較好，OB編織鋪層復(fù)合材料圓管更容易產(chǎn)生突發(fā)的脆性破壞。3D編織圓管產(chǎn)生壓縮破壞后應(yīng)力不再上升，而OB編織鋪層圓管在壓縮破壞后應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)波浪形波動(dòng)。這是因?yàn)槎S編織從圓管一端逐漸產(chǎn)生破壞，從彈性到塑性階段，其他完好部分重新進(jìn)行載荷分配，纖維束之間以及纖維與上下壓盤之間產(chǎn)生摩擦；進(jìn)入到彈性階段，幾次循環(huán)后試樣完全破壞，但整體漸進(jìn)破壞模式明顯。OB結(jié)構(gòu)的圓管，隨著試樣長度的增加，其壓縮彈性模量逐漸增加，OB-40、OB-50和OB-60的壓縮模量分別為4.91、5.19和5.66 GPa。同時(shí)，試樣越長，波動(dòng)越大，破壞形式越不穩(wěn)定。

3D編織復(fù)合材料圓管的初始應(yīng)力峰值比OB編織試樣要大許多，這主要是因?yàn)镺B編織圓管的編織角較大，在圓管受到軸向壓縮載荷的作用時(shí)，越大的編織角，纖維束與壓縮加載力的方向的夾角就越大，這種情況下，樹脂與纖維產(chǎn)生脫黏以及發(fā)生屈曲剪切破壞的概率越大，纖維增強(qiáng)相容易產(chǎn)生破壞，從而大大降低了軸向壓縮力學(xué)性能。

2.2 壓縮破壞模式及失效機(jī)制分析

為更好地揭示編織復(fù)合材料圓管的失效機(jī)制，選取代表性的3D-40與OB-40 2種管件試樣，并對(duì)其載荷位移曲線圖(見圖3)以及相對(duì)應(yīng)的特征關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)刻的損傷形貌高速攝影圖片(見圖4)進(jìn)行分析。需要說明的是，由于2種結(jié)構(gòu)在載荷位移線性彈性階段的曲線重合度較高，為便于清晰地分析特征點(diǎn)，對(duì)該階段曲線進(jìn)行了局部放大。

圖4 3D-40和OB-40的壓縮損傷裂紋擴(kuò)展高速攝影圖片

Fig.4 Compression damage crack propagation high-speed photography pictures of 3D-40(a) and OB-40(b)

圖5示出3D-40編織復(fù)合材料圓管在常溫軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的最終破壞形態(tài)?？梢钥闯?，3D編織復(fù)合材料圓管主要失效模式為纖維斷裂、基體開裂以及纖維與基體產(chǎn)生脫黏。試樣在壓縮初始o(jì)-h階段，管壁上出現(xiàn)了少量樹脂基體碎裂的點(diǎn)(見圖4(a)中h)，且位置基本為管壁上的氣泡處，這是因?yàn)橹谱鬟^程中不可避免地產(chǎn)生氣泡，對(duì)性能有所影響，導(dǎo)致這一階段壓縮模量偏小。隨著加載的繼續(xù)，因圓管整體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，增強(qiáng)相發(fā)揮抗壓作用，模量有所上升，但到達(dá)圖3中i點(diǎn)處，已出現(xiàn)較為明顯的剪切裂紋，對(duì)結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞。如圖5(a)中的A、B和C 3個(gè)矩形框所示，材料局部產(chǎn)生明顯的脆性剪切失效，裂紋與編織軸向形成的角度為45°。初始剪切破壞是突發(fā)的，破壞位置隨機(jī)。

從圖4(a)可以看出，在開始產(chǎn)生剪切破壞后，后續(xù)為漸進(jìn)破壞，剪切裂紋基本沿著編織角方向朝著另一端擴(kuò)展且破壞加重，同時(shí)在載荷的作用下出現(xiàn)新的剪切裂紋和基體碎裂。加載到k點(diǎn)時(shí)，剪切裂紋處的纖維束已發(fā)生較為嚴(yán)重的斷裂，載荷達(dá)到峰值。在壓縮過程中后期，非加載端(即圓管底部)首先沿圓周方向以較均勻距離分散產(chǎn)生裂紋，樹脂與纖維產(chǎn)生脫黏，甚至部分脫落，材料呈向外發(fā)射的分瓣?duì)?，并且隨著加載繼續(xù)，脫黏現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，分瓣特征越發(fā)明顯(見圖5(c))。這是由于3D編織結(jié)構(gòu)的整體性能優(yōu)異，底部無向下自由度形成。圖3中n點(diǎn)后載荷值基本穩(wěn)定。

圖5 3D-40壓縮最終破壞形態(tài)

Fig.5 3D-40 compression final failure form. (a) 3-D view; (b) Top view; (c) Bottom view; (d) Ring view

從圖5可清楚地看到整齊的斷口。纖維束斷裂、基體開裂以及脫黏、脫落等使得剪切裂紋處產(chǎn)生明顯的錯(cuò)位變形，但整體結(jié)構(gòu)完整性較好。

圖6～8分別示出4種試樣的破壞形態(tài)?？煽闯霾煌L度的OB編織圓管的破壞形態(tài)不盡相同。與3D編織復(fù)合材料圓管相比，OB編織復(fù)合材料圓管的壓縮破壞較為嚴(yán)重，該結(jié)構(gòu)圓管均產(chǎn)生分層現(xiàn)象，這是由于Over-braiding編織圓管的層與層之間僅僅是嵌套關(guān)系，層間性能較差；而3D編織是紗線在空間相互交織，紗線在厚度方向進(jìn)行增強(qiáng)，因而無分層現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖6 OB-40壓縮最終破壞形態(tài)

Fig.6 OB-40 compression final failure form. (a) 3-D view; (b) Top view; (c) Bottom view; (d) Side view

圖7 OB-50壓縮最終破壞形態(tài)

Fig.7 OB-50 compression final failure form. (a) 3-D view; (b) Top view; (c) Bottom view; (d) Side view

圖8 OB-60壓縮最終破壞形態(tài)

Fig.8 OB-60 compression final failure form. (a) 3-D view; (b) Top view; (c) Bottom view; (d) Side view

OB圓管試樣主要失效模式除了分層破壞(外層比內(nèi)層損傷嚴(yán)重)以外，還包括纖維束與基體之間擠壓屈曲和細(xì)觀層面上的纖維抽拔、纖維束斷裂、剪切破壞。其中屈曲失效與金屬材質(zhì)的圓管受壓縮時(shí)類似，在持續(xù)的壓縮載荷作用下，纖維束在局部區(qū)域發(fā)生擠壓屈曲，并伴有剪切現(xiàn)象，形成塑性變形。如OB-40圓管的壓縮位移載荷曲線及壓縮損傷過程圖所示，由于結(jié)構(gòu)整體性較差，在壓縮載荷的作用下，加載端出現(xiàn)了擠壓屈曲，到達(dá)初始峰值a點(diǎn)。繼續(xù)加載后，原先擠壓密實(shí)部位多了1條橫向擠壓線，下方出現(xiàn)斜向方向擠壓和微裂紋，這對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，承載能力到達(dá)最低點(diǎn)b。而后經(jīng)過幾個(gè)周期的載荷分配，纖維的屈曲變形也不斷增加，直至最終壓實(shí)，損傷過程高速攝影圖也支撐了2.1節(jié)中應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)分析。纖維束上有裂紋增加并不斷沿著纖維軸向擴(kuò)展，與產(chǎn)生的剪切失效疊加，導(dǎo)致纖維產(chǎn)生斷裂，纖維連同基體與整體結(jié)構(gòu)脫落分離，特別是較長長度的試樣更為明顯。整個(gè)過程中，基體在載荷作用下也產(chǎn)生了擠壓和剪切, 并產(chǎn)生碎裂。但是破壞部分含有少量彈性區(qū)域，在卸載后，會(huì)產(chǎn)生少量的回彈，試樣越長，回彈特征越明顯。這是由于試樣長度的增加，使其在壓縮過程中形成了更多的屈曲圈。試樣越短，壓潰過程中的大變形越少，抵抗壓縮載荷的完整纖維較多, 破壞后的結(jié)構(gòu)仍然保持較為完整的狀態(tài)。

以上幾種試樣還有一個(gè)共同的特點(diǎn)：圓管外側(cè)比內(nèi)側(cè)破壞嚴(yán)重。這是由于試樣內(nèi)側(cè)和外側(cè)的編織角不同，且內(nèi)側(cè)要小于外側(cè)，在壓縮過程中，應(yīng)力分布不均，越靠近外側(cè)的位置承擔(dān)的載荷越大，所以外側(cè)發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞。

2.3 能量吸收特性

能量吸收效果是判斷材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)[16]，其中比吸能(SEA)和載荷比(LR)是常被用來衡量結(jié)構(gòu)材料吸能特性的2個(gè)重要參數(shù)。比吸能指的是單位質(zhì)量的材料所吸收的能量值，數(shù)值越大，吸能效果越好，采用此參數(shù)可比較不同結(jié)構(gòu)的材料吸能效果。載荷比的含義是試驗(yàn)過程中所測(cè)定的初始載荷峰值(Pmax)與載荷平均值(Pmean)之比，其值越小，材料的吸能效率越好[17]。二者的計(jì)算方法分別如下：

式中：Etotal為吸收總能量，kJ；M為材料總質(zhì)量，kg；ρ為復(fù)合材料密度kg/m3；P為瞬時(shí)載荷值，kN；Pmean為載荷平均值，kN；Lc為壓縮圓管的長度，m；A為圓管的截面積m2。

經(jīng)試驗(yàn)及按公式計(jì)算得到幾種試樣的能量吸收情況，如表2所示。

表2 試樣的能量吸收參數(shù)

Tab.2 Energy absorption parameters of samples

試樣名稱Pmax/kNPmean/kNSEA/(kJ·kg-1)LR3D-4014.2394.5568.701.50OB-4012.0181.4458.491.47OB-5012.02100.0271.571.20OB-6012.4396.5069.311.29

由比較可知，3D編織結(jié)構(gòu)的圓管具有較大的載荷峰值、平均載荷值，主要是因?yàn)?D編織結(jié)構(gòu)整體性能強(qiáng)，抗損傷容限較強(qiáng)；但是3D編織圓管的載荷比值最大，說明其吸收能量的效率不如二維OB結(jié)構(gòu)的圓管，這是因?yàn)镺B圓管在后期壓縮過程中依靠摩擦作用以及整體結(jié)構(gòu)壓實(shí)增密耗散大量能量，同時(shí)增強(qiáng)體有著較高階的屈曲，復(fù)合材料圓管整體仍然維持在高的應(yīng)力水平，導(dǎo)致能量吸收效率較高。相同結(jié)構(gòu)的二維OB圓管隨著長度的增加，比吸能值及載荷比并沒有呈線性增加，其中長度為50 mm的二維OB復(fù)合材料圓管的比吸能值最大，載荷比最小，吸能特性最好，這說明要想提升二維編織鋪層復(fù)合材料圓管的壓縮吸能特性，需將其長度控制在一定范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文采用RTM工藝制備了壁厚為6 mm的三維四向和二維鋪層編織碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料圓管。從壓縮過程中的應(yīng)力與應(yīng)變情況、壓縮破壞失效機(jī)制和整個(gè)壓縮過程的材料吸能特性幾個(gè)方面綜合研究了三維四向(3D)編織復(fù)合材料圓管以及不同長度的二維OB復(fù)合材料圓管的軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能，著重討論了結(jié)構(gòu)以及試樣長度等參數(shù)對(duì)壓縮性能的影響，得到以下結(jié)論。

1)3D編織與OB結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料圓管在壓縮條件下均有彈塑性特征，但是相比之下，3D編織圓管壓縮彈性性能更優(yōu)異。OB結(jié)構(gòu)的圓管試樣越長，壓縮彈性模量有所增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動(dòng)也增大，同時(shí)也增加了屈曲圈數(shù)量，但從應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映出OB圓管后期表現(xiàn)為較穩(wěn)定的漸進(jìn)失效模式。

2)幾種試樣損傷形態(tài)不盡相同，都不是單一的破壞失效模式，3D-40與OB-40圓管最終結(jié)構(gòu)較為完整。除OB-40試樣，其余所有材料宏觀破壞特征均同時(shí)含有瓣?duì)钇茐暮痛嘈约羟惺В琌B編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料圓管還有明顯的分層失效與擠壓屈曲；細(xì)觀層面的失效特征包括基體開裂與脫黏、纖維斷裂與抽拔。

3)3D編織結(jié)構(gòu)與OB編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料圓管的吸能特性有所差異。3D編織圓管載荷峰值最大，數(shù)值為14.23 kN，抗損傷容限高；OB圓管載荷比較小，長度為50 mm的試樣吸能最高為71.57 kJ/kg，載荷比最小，僅為1.20，吸能效果最好。為提升吸能效果，應(yīng)合理有效地進(jìn)行編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及試樣長度設(shè)計(jì)。