誘導(dǎo)角及鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料薄壁管軸向壓潰吸能特性的影響

馬 巖，王 浩，朱中秋，楊維維，黃曉梅，陽(yáng)玉球，劉光濤，嚴(yán)雪峰*，曹海建

（1.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué) 安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南通 226019；3.南通三榮實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南通 226001；4.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；5.德州卡本梵博復(fù)合材料有限公司，山東 德州 253000）

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、高吸能等特點(diǎn)[1-2]，是理想的防撞吸能材料。與依靠塑性變形吸能的金屬不同，復(fù)合材料通過(guò)自身纖維斷裂，纖維微屈曲，基體開(kāi)裂，基體破碎，纖維/基體間界面、側(cè)葉彎曲、分層、摩擦等多種損傷失效形式[3-5]，獲得漸進(jìn)穩(wěn)定的損傷過(guò)程實(shí)現(xiàn)高吸能。復(fù)合材料的能量吸收機(jī)理非常復(fù)雜，影響因素眾多，如組分[6]、界面[7]、增強(qiáng)形式[8]、纖維含量[9]、成型工藝[10]、構(gòu)件幾何形狀與尺寸[11-12]、測(cè)試條件[6，13-14]及誘導(dǎo)形式[15-16]等。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、漸進(jìn)的壓潰過(guò)程，吸能復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)多以圓形薄壁管為主。圓形薄壁管增強(qiáng)形式多以編織結(jié)構(gòu)、纏繞結(jié)構(gòu)為主，但纖維交織并不利于復(fù)合材料力學(xué)性能的充分發(fā)揮。薄壁管頭端的誘導(dǎo)角實(shí)質(zhì)上是一個(gè)應(yīng)力集中誘發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域漸進(jìn)壓潰。前期研究發(fā)現(xiàn)[15-16]，在薄壁管頭端設(shè)置一定的誘導(dǎo)機(jī)制可誘發(fā)漸進(jìn)穩(wěn)定的壓潰過(guò)程，誘導(dǎo)機(jī)制主要包括倒角、槽、郁金香形等。

本研究利用單向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，通過(guò)預(yù)卷繞及熱壓工藝制備單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管，研究誘導(dǎo)角及卷繞結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)壓潰吸能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用原料為威海光威復(fù)合材料股份有限公司提供的單向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基預(yù)浸料USN20000。單向預(yù)浸料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

1.2 薄壁管成型及誘導(dǎo)角處理

在涂有脫模劑的金屬制圓柱形芯模上，按預(yù)定順序和取向卷繞單向碳纖維預(yù)浸料，達(dá)到指定卷繞厚度后放入外芯模中，進(jìn)行加熱加壓固化處理。本研究卷繞結(jié)構(gòu)有兩種：一種為自內(nèi)到外皆為0°取向（軸向）的單向薄壁管；另一種為內(nèi)部0°、外部90°取向薄壁管。薄壁管壁厚皆為3.5 mm，其中0°/90°卷繞薄壁管的內(nèi)、外層厚度分別2 和1.5 mm。固化溫度、壓強(qiáng)及時(shí)間分別為120 ℃、0.1 MPa 及90 min。如圖1 所示，固化后的試樣通過(guò)切割機(jī)切成長(zhǎng)度為50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)件，并通過(guò)磨拋機(jī)分別對(duì)薄壁管頭端進(jìn)行打磨，獲得外、內(nèi)、雙倒角3 類，各類倒角角度分別取30°、45°及60°。

表1 單向預(yù)浸料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Information of unidirectional prepreg

1.3 壓縮測(cè)試

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試在10 kN 的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（Instron 4206，英斯特朗）上進(jìn)行，試樣在兩平板壓頭之間以20 mm/min 的速度進(jìn)行壓縮，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以50 s-1的頻率記錄載荷和位移數(shù)據(jù)，每組樣品測(cè)試樣本數(shù)為3。此外，壓縮過(guò)程中在試驗(yàn)機(jī)正前方放置攝像機(jī)，以記錄壓潰過(guò)程中的外觀變化。

1.4 金相觀察

向被破壞后的試樣中注入環(huán)氧樹(shù)脂（含固化劑），固化后沿試樣軸向截面切割，利用金相磨拋機(jī)對(duì)切割剖面逐步打磨、拋光，最終通過(guò)光學(xué)顯微鏡（MC190 HD，萊卡）對(duì)剖面進(jìn)行光學(xué)觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓縮載荷-位移曲線

無(wú)誘導(dǎo)角單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷-位移曲線如圖2 所示。壓縮初期，載荷隨位移增大呈線性增加。當(dāng)載荷達(dá)到峰值時(shí)，載荷皆呈斷崖式下降，并隨位移增大而逐步降低。

具有不同誘導(dǎo)角的單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷-位移曲線分別如圖3 和圖4所示。從壓頭與復(fù)合材料薄壁管頭端接觸開(kāi)始，壓縮載荷從0 開(kāi)始隨位移呈近似線性增長(zhǎng)，達(dá)到臨界破壞條件時(shí)載荷達(dá)到初始峰值；達(dá)到最大載荷后，載荷有一定程度下降但仍然維持較高水平；進(jìn)入漸進(jìn)穩(wěn)定壓潰階段后載荷逐漸回升。對(duì)于具有不同誘導(dǎo)角的薄壁管而言，其載荷-位移曲線在趨勢(shì)上大致相似。

與無(wú)誘導(dǎo)角的單向及0°/90°相比，擁有誘導(dǎo)角的薄壁管在壓潰初始階段，載荷上升至最大載荷的速度較慢且最大載荷水平較低；但進(jìn)入漸進(jìn)壓潰階段，其平均載荷水平維持在高載荷水平。

如圖3、圖4 所示，對(duì)具有不同形式誘導(dǎo)角的單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管而言，誘導(dǎo)角越大，初始階段載荷的增長(zhǎng)速率越大，最大載荷越高，但達(dá)到峰值后下降速率亦最大。具體地，誘導(dǎo)角越大，載荷從0 至最大值的距離越短，初始階段載荷的增長(zhǎng)速率越大，復(fù)合材料壓潰過(guò)程中內(nèi)部損傷及裂紋無(wú)足夠時(shí)間充分傳遞，導(dǎo)致載荷水平越高；當(dāng)達(dá)到最大載荷時(shí)，由于高水平載荷的薄壁管頭端局部應(yīng)力更大，裂紋傳播速度相對(duì)于低載荷試樣更快，尺度更大，使得后續(xù)載荷下降速率更大。

2.2 壓潰過(guò)程

壓縮過(guò)程中外觀形貌變化如圖5 所示。初始階段，薄壁管頭端誘導(dǎo)角處因應(yīng)力集中首先發(fā)生破壞，誘導(dǎo)區(qū)逐步壓潰過(guò)程中載荷隨位移呈線性增加；誘導(dǎo)區(qū)壓潰后載荷達(dá)到峰值，管壁壓潰形成楔形區(qū)，下方出現(xiàn)中央裂紋，兩側(cè)葉分別向管內(nèi)、管外彎曲，形成了漸進(jìn)穩(wěn)定的壓潰狀態(tài)，載荷維持較高水平呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，最終其損傷模式呈現(xiàn)“開(kāi)花”失效模式。

2.3 能量吸收性能

典型復(fù)合材料薄壁管壓縮載荷-位移曲線如圖5 所示。壓縮載荷-位移曲線與x 軸所圍成的面積在數(shù)值上等于壓縮總能量吸收值E，

式中：P 為載荷；S 為位移；Sb為壓潰距離。

比能量吸收值ES為單位質(zhì)量復(fù)合材料所吸收的能量值，是衡量材料吸能的重要參數(shù)。計(jì)算公式為

式中：V 為薄壁管壓潰體積；ρ 為密度。

通過(guò)計(jì)算，各復(fù)合材料薄壁管比能量吸收值ES如圖6 所示。

2.3.1 誘導(dǎo)機(jī)制對(duì)薄壁管吸能的影響

由圖6 可知，無(wú)倒角單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管壓潰過(guò)程中比能量吸收值分別約為24 及32 kJ/kg，而有倒角的單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管的平均比能量吸收值范圍分別為84～112 kJ/kg及98～131 kJ/kg，比能量吸收值均提升至3 倍以上。

2.3.2 結(jié)構(gòu)對(duì)薄壁管吸能的影響

由圖6 可知，相同誘導(dǎo)角的0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管的比能量吸收值絕大多數(shù)高于單向薄壁管。0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管中90°環(huán)向碳纖維更有利于控制中央裂紋在軸向的拓展，促使側(cè)葉以小曲率彎曲，吸收更多能量。

2.3.3 誘導(dǎo)角對(duì)薄壁管吸能的影響

由圖6 可知，對(duì)單向復(fù)合材料薄壁管而言，雙倒角30°的薄壁管ES高達(dá)112 kJ/kg，而內(nèi)倒角45°的薄壁管ES僅84 kJ/kg；對(duì)0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管而言，內(nèi)倒角45°的薄壁管ES高達(dá)131 kJ/kg，而內(nèi)倒角30°的薄壁管ES僅98 kJ/kg?？梢?jiàn)，誘導(dǎo)角度及誘導(dǎo)角形式對(duì)薄壁管吸能特性影響顯著。

但對(duì)于不同形式的倒角，其影響規(guī)律差異較大。外倒角單向薄壁管及內(nèi)倒角0°/90°卷繞薄壁管隨著誘導(dǎo)角的增大，能量吸收性能先增后減；內(nèi)倒角及雙倒角單向薄壁管、外倒角0°/90°卷繞薄壁管隨著誘導(dǎo)角的增大，能量吸收性能先減后增；雙倒角0°/90°卷繞薄壁管隨著誘導(dǎo)角的增大，能量吸收性能遞增。

2.4 損傷失效形式

單向和0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管軸向壓潰25 mm 后的外觀分別如圖7 和圖8 所示。所有薄壁管側(cè)葉分別向管內(nèi)及管外彎曲，在中間形成壓碎區(qū)，為典型的“開(kāi)花”破壞模式。

為分析失效機(jī)理，特選具有代表性的45°內(nèi)倒角單向薄壁管、30°及45°內(nèi)倒角0°/90°卷繞薄壁管作為分析對(duì)象。其中，45°內(nèi)倒角單向薄壁管的比能量吸收值最低，其失效微觀觀察結(jié)果如圖9 所示?？梢?jiàn)中央裂紋長(zhǎng)度較大，兩側(cè)葉分別向內(nèi)、外彎曲，側(cè)葉中出現(xiàn)一定程度的分層及纖維斷裂，但側(cè)葉以較大曲率半徑彎曲。對(duì)于能量吸收值較低的30°內(nèi)倒角0°/90°卷繞薄壁管，可見(jiàn)分層的側(cè)葉以較大曲率向管內(nèi)和管外彎曲，側(cè)葉中分層現(xiàn)象相對(duì)較少，同時(shí)側(cè)葉中纖維斷裂較少，側(cè)葉以較小曲率半徑彎曲（如圖10 所示）。對(duì)于能量吸收值最高的45°內(nèi)倒角0°/90°卷繞薄壁管，側(cè)葉以較小曲率半徑向管內(nèi)和管外彎曲，側(cè)葉中出現(xiàn)眾多分層及大量纖維斷裂（如圖11 所示）。

上述光學(xué)觀察結(jié)果表明，復(fù)合材料薄壁管側(cè)葉以較小曲率半徑彎曲，側(cè)葉內(nèi)應(yīng)力大，層間分層及纖維斷裂程度高，有利于復(fù)合材料的能量吸收。

此外，由圖9 和圖11 對(duì)比可知，90°環(huán)向取向的纖維，在壓潰過(guò)程中可以像“緊箍”一樣束縛內(nèi)層纖維向兩側(cè)彎曲，從而提升其吸能特性。

3 結(jié)論

本研究以單向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料為原料，通過(guò)卷繞鋪層、熱壓成型工藝，制備單向及0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管。對(duì)薄壁管試樣頭端進(jìn)行不同形式的倒角處理，研究卷繞結(jié)構(gòu)及誘導(dǎo)角對(duì)復(fù)合材料薄壁管吸能性能的影響。

1）薄壁管誘導(dǎo)角越大，初始階段載荷的增長(zhǎng)速率越大，最大載荷越高，且達(dá)到峰值后下降速率亦最大。

2）具有環(huán)向纖維排列的0°/90°卷繞復(fù)合材料薄壁管，因90°纖維在環(huán)向的“緊箍”作用，其比能量吸收值較單向薄壁管有很大程度的提高。

3）在復(fù)合材料薄壁管壓潰過(guò)程中，側(cè)葉以較小曲率向管內(nèi)和管外彎曲，有利于側(cè)葉的分層及側(cè)葉中纖維的斷裂，對(duì)薄壁管吸能具有積極作用。

4）誘導(dǎo)機(jī)制對(duì)復(fù)合材料薄壁管吸能特性影響顯著，但誘導(dǎo)角對(duì)壓潰吸能及失效行為的作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。