三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能分析

王偉杰，李倩倩，李 煒，2，3

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201620；3.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620)

0 研究背景

蜂窩結(jié)構(gòu)重量輕、強度高、剛度大，多用作結(jié)構(gòu)尺寸大、強度要求高的結(jié)構(gòu)件。而且蜂窩結(jié)構(gòu)由于孔洞的存在，其吸聲性能優(yōu)良，保溫、隔熱性能好，所以被廣泛地用于建筑、包裝工程、軌道交通等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的蜂窩狀復(fù)合材料大多是分層復(fù)合而成，但這種生產(chǎn)工藝會造成材料在外力作用下產(chǎn)生分層現(xiàn)象，大大降低了材料的承力能力和使用周期。而蜂窩狀紡織復(fù)合材料因在Z向有纖維增強，不存在層間界面，從而消除了分層現(xiàn)象，并且它的壓縮強度、彎曲強度、彎曲模量都超過了二維編織物和層壓板[1－3]，因此值得深入研究。

針對蜂窩狀紡織復(fù)合材料，呂麗華[4]對蜂窩狀三維機織復(fù)合材料的彎曲性能做了有限元分析，其結(jié)果與實驗一致。崔婧蕊[5]研究了蜂窩狀三維機織復(fù)合材料不同截面形狀的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)六邊形的蜂窩復(fù)合材料性能最佳。Santosh Kumar Sahu[6]等人開發(fā)了一種一體化三維間隔緯編針織復(fù)合材料，并且研究不同形狀(三角形和矩形)的中空復(fù)合材料的壓縮性能，結(jié)果表明截面為三角形的中空復(fù)合材料的最大壓縮強力要小于截面為矩形的中空復(fù)合材料。Sanaz Hassanzadeh[7]使用ANSYS14軟件模擬了不同壁厚的尼龍蜂窩芯的平面外準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明1.5mm厚的蜂窩芯的吸能能力最好，抗壓能力最強。盧士艷[8]探討了不同規(guī)格孔徑的蜂窩狀三維機織復(fù)合材料的隔熱性能，發(fā)現(xiàn)蜂窩孔徑的復(fù)合材料的隔熱性能最佳。Tochukwu[9]利用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)技術(shù)制備了纖維增強蜂窩芯，并建立了失效機理圖，對復(fù)合材料夾層板的失效進行了預(yù)測。荊云娟[10]將碳纖維編織網(wǎng)、三維編織面板和聚合物泡沫組裝，形成蜂窩夾芯復(fù)合材料，并研究了材料的力學(xué)性能、體積分數(shù)與桁架拓撲結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Xiaogang Chen[11－12]通過有限元研究，發(fā)現(xiàn)開口角度對復(fù)合材料的變形和能量吸收有顯著影響。

由于黃麻纖維可降解，可回收，有利于環(huán)保，在力學(xué)性能方面，堿處理過的黃麻纖維的比強度與玻璃纖維相當(dāng)[13－16]，因此本文采用黃麻制備了具有不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并研究了其壓縮性能。

1 實驗

1.1 原料與設(shè)備

實驗原料:編織紗為1250tex的黃麻；上緯(天津)風(fēng)電材料有限公司2511－1A型環(huán)氧樹脂和2511－1BS型固化劑。

實驗設(shè)備:實驗室自制三維編織機、LABSANS LD26電液伺服萬能試驗機和Correlated Solutions公司3D—DIC測量系統(tǒng)。

1.2 織造與制備

1.2.1 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的編織

蜂窩織物采用四步法編織，在編織過程中，利用紗線的回轉(zhuǎn)原理和控制紗線的運動規(guī)律來改變紗線的交織狀態(tài)，實現(xiàn)編織體的分合可控[17]。編織一共分為四個步驟，每個步驟可以通過控制四步法編織的循環(huán)個數(shù)，達到控制各邊邊長的目的。在編織時，控制攜紗器在編織機底盤上的路徑就可以使紗線發(fā)生交織，在打緊作用下編織出蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的預(yù)成型體。下圖1為蜂窩織物的四步編織法示意圖，圖中a、b和c縱條中的紗線在編織時只參加左右運動，不參加上下運動。

圖1 編織過程紗錠移動軌跡圖

按照以上步驟，六邊形蜂窩織物編織完成，結(jié)合不同的芯模形狀，可以獲得開口角度(如圖2所示)為30°、45°和60°的蜂窩狀三維編織物，實物圖如圖3所示，織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 不同開口角度三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 蜂窩織物的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 不同開口角度的三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物

1.2.2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備

采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制作三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，如圖4所示。

圖4 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣

采用密度法測定纖維體積含量[18]，三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纖維體積含量如表2所示。

表2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纖維體積含量

1.3 性能測試

三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能測試參考GB1454－2005(夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能試驗方法)。在LABSANS LD26電液伺服萬能試驗機上進行測試(測試和加載方向如圖5所示)，測試速度為2mm/min，同時利用DIC技術(shù)記錄材料壓縮過程中的全場應(yīng)變。

圖5 萬能試驗機測試示意圖

2 測試與結(jié)果分析

2.1 壓縮實驗結(jié)果

圖6是不同開口角度蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的壓縮位移曲線。從圖6可知，蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的壓縮載荷－位移曲線大致分為三個階段，如試件8所示，第一個階段(OA階段):在加載初期，載荷隨著位移的變化呈線性變化，樹脂與纖維結(jié)合良好，材料處于彈性變形階段，復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的彈性性能。隨著載荷繼續(xù)增加，樹脂基體開始開裂，材料表面出現(xiàn)裂紋，此時可聽到細小的開裂聲。隨著載荷進一步增大，達到材料極限承力峰值狀態(tài)。第二階段(AB階段):當(dāng)載荷增大到峰值時，會出現(xiàn)不同幅度震蕩下降現(xiàn)象，形成無序且不重復(fù)的壓縮峰。從圖中看到，最大載荷并不是由第一個變形峰決定，在實驗中曲線到達每個峰值后都會聽到非常大的斷裂響聲。與采用相同編織工藝的三維編織復(fù)合材料壓縮載荷－位移曲線[19－21]相比，三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在壓縮平臺存在許多壓縮峰，這是由于蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮過程中起到了緩沖作用。第三階段(BC階段):曲線突然下降，復(fù)合材料的主要承力纖維斷裂，伴隨著巨大斷裂聲，材料徹底失效。

從圖6壓縮載荷－位移曲線可知，不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大壓縮載荷不同，開口角度為60°的復(fù)合材料的峰值載荷是13152.28N，在三者當(dāng)中最大，其次是開口角度45°的載荷8411.3NN居中，載荷最小的是30°的蜂窩7807.19N。這是因為材料的開口角度不同，導(dǎo)致材料能承受的載荷不同。從受力層面分析，蜂窩材料在受到垂直于加載平面的壓力作用時，主要的承力結(jié)構(gòu)是與壓縮平面有一定角度的呈傾斜狀態(tài)的傾斜壁，所以本文將垂直于平臺的壓力分解到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁上(如圖7所示)。從圖中可以看出，在施加相同的力的情況下，60°復(fù)合材料的傾斜壁上的分力最大，而30°復(fù)合材料的傾斜壁上的分力最小，而傾斜壁是蜂窩材料的主要承力結(jié)構(gòu)，所以開口角度小的復(fù)合材料的傾斜壁在壓縮過程中沒有發(fā)揮出最大的支撐作用。與之相反的是，指向面內(nèi)的分力，30°復(fù)合材料最大，60°材料最小，分力會使蜂窩復(fù)合材料的孔壁彎曲(如圖8所示)，材料受力越大，彎曲程度越大，變形越大，并且不同開口角度的復(fù)合材料的變形空間(如圖9所示)不同，60°蜂窩結(jié)構(gòu)材料的變形空間最大，30°材料最小，在這兩種因素的作用下，具有較小開口角度的蜂窩復(fù)合材料的孔壁的彎曲阻力較低，所能承受的壓力較低，載荷也就較小。

圖6 壓縮載荷－位移曲線圖

圖7 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力分析圖

圖8 傾斜壁的受力圖

圖9 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力變形圖

2.2 破壞模式分析

不同開口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行壓縮實驗時，利用3D－DIC進行圖像采集，將兩臺高速相機采集的數(shù)字圖像利用VIC－3D軟件進行處理，分析試件應(yīng)變分布情況及變化規(guī)律。

圖10是不同時刻開口角度為60°的三維編織蜂窩復(fù)合材料應(yīng)變圖。13s時，圖10(a)是試樣在線彈性階段的應(yīng)變圖，沒有明顯的高應(yīng)變區(qū)域。隨著載荷的增加，62s時高應(yīng)變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端，此時材料表面的應(yīng)變也突然增加(如圖11所示)。66s時高應(yīng)變擴散到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁，此時復(fù)合材料的載荷達到峰值。80s時非傾斜壁上出現(xiàn)裂紋，應(yīng)變突然增大，復(fù)合材料失效。

圖10 60°試件壓縮過程中應(yīng)變圖

圖11 60°試件應(yīng)變－時間圖

圖12 是不同時刻開口角度為60°的三維編織蜂窩復(fù)合材料應(yīng)變圖。圖12(a)是加載初期試件應(yīng)變圖。14s時圖像顯示，加載初期沒有明顯的高應(yīng)變區(qū)域。如圖12(b)所示，92s時蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)明顯裂紋，此時應(yīng)變突然增大(如圖13所示)。隨著材料變形量的增加，蜂窩結(jié)構(gòu)的非傾斜壁上也出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)域。圖12(d)顯示了151s卸載荷載時的應(yīng)變場。此時，高應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)在試樣的自由端以及加載端的頂部和底部。雖然此時損傷分布較為離散，但試樣頂部出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致復(fù)合材料失效。

圖12 45°試件壓縮過程中應(yīng)變圖

圖13 45°試件應(yīng)變－時間圖

圖14 分別為開口角度為30°試件在不同時刻的應(yīng)變圖，圖14(a)為試件加載前期全場應(yīng)變圖，11s時復(fù)合材料處于線彈性階段。62s時試件表面出現(xiàn)明顯的高應(yīng)變區(qū)域，且在出現(xiàn)高應(yīng)變的地方出現(xiàn)明顯的裂紋(如圖14(b)所示)。在這些裂紋出現(xiàn)的時間段內(nèi)，應(yīng)變也發(fā)生了驟增或驟減(如圖15示)。與前面的材料破壞階段相一致，高應(yīng)變區(qū)集中出現(xiàn)在復(fù)合材料的自由端和傾斜壁處，但與60°和45°的試件不同的是，30°試件的高應(yīng)變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)非傾斜壁處，因為傾斜壁是主要承力結(jié)構(gòu)，而30°的試件在壓縮過程中，其首先斷裂的是非傾斜壁，在后續(xù)的進程中，其傾斜壁并沒有發(fā)揮出最大的承力能力，復(fù)合材料已發(fā)生斷裂失效，這也就是30°試件載荷峰值明顯低于其他兩種試件的原因，與上文在受力層面的分析一致。

圖14 30°試件壓縮過程中應(yīng)變圖

圖15 30°試件應(yīng)變－時間圖

3 結(jié)論

使用VARTM工藝制備了不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在萬能試驗機下進行壓縮試驗，并結(jié)合3D－DIC技術(shù)分析三維編織復(fù)合材料損傷演變過程。

(1)三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮曲線在壓縮平臺區(qū)有大量的不規(guī)則且不重復(fù)的壓縮峰，且最大載荷并不是由第一個變形峰決定，蜂窩結(jié)構(gòu)提供了緩沖作用，使得復(fù)合材料抗壓能力得到提高。

(2)不同開口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮載荷最大值相差較大。60°開口角度載荷明顯高于30°和45°的復(fù)合材料。

(3)不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在壓縮過程中破壞模式大致相同，破壞過程可分為三個階段。

第一階段:隨著載荷的增加，復(fù)合材料表面的樹脂基體開裂，裂紋逐漸向纖維內(nèi)部延伸，且首先出現(xiàn)在材料的自由端。這是因為在壓縮過程中，傾斜壁在材料端部周圍發(fā)生彎曲變形，隨著變形量的增大，表面出現(xiàn)應(yīng)力分布不均現(xiàn)象，接頭處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且材料自由端的長度較短，因此最先受到破壞。

第二階段:蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)裂紋后，傾斜壁隨著載荷的增加也受到了破壞，這些區(qū)域的應(yīng)變也在急劇增加。原因是載荷增大，傾斜壁的彎曲度增加，向內(nèi)收縮，但復(fù)合材料的彈性性能有限，到達收縮極限時，傾斜壁破壞。

第三階段:載荷繼續(xù)增大，復(fù)合材料整體的彎曲度增大，六角形蜂窩的傾斜壁向內(nèi)收縮，在連接點處產(chǎn)生拉力。拉力通過連接點傳遞到蜂窩的非傾斜壁上，導(dǎo)致非傾斜壁向內(nèi)彎曲運動，產(chǎn)生裂紋。