具有三維編織結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料管件的能量吸收機(jī)理*

李少東 閻建華 陽玉球馬 巖 孟憲明 黃亞烽

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海201620；3. 東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心，上海201620；4. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通226019；5. 南通大學(xué)安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南通226019；6. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津300300

隨著生活水平的不斷提高，越來越多的人們開始使用交通工具，引發(fā)的事故也隨之增多。因此，人們對(duì)汽車安全性的要求逐漸提高[1-2]。不少學(xué)者對(duì)汽車縱梁能量吸收裝置進(jìn)行了一定的探究。目前，能量吸收的研究主要集中在二維編織管件[3-4]，然而二維編織管件由于在厚度方向上存在不連續(xù)的纖維，壓縮過程中易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。三維編織管件的內(nèi)部是由連續(xù)纖維束形成的整體結(jié)構(gòu)，且三維編織結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于制造結(jié)構(gòu)性和高功能性的管件。三維編織結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度較高、斷裂韌性良好，可用于飛機(jī)和汽車零部件的加工[5-7]。本文制備了三維四向編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料管件，通過軸向壓縮試驗(yàn)探究復(fù)合材料管件的能量吸收機(jī)理。

1 能量吸收

1.1 能量吸收性能的研究現(xiàn)狀

陳永剛等[8]利用碳纖維絲束和兩種環(huán)氧樹脂體系，采用二維編織機(jī)和RTM 成型工藝制備得到復(fù)合材料管件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)證明了復(fù)合材料管件的能量吸收性能不僅同材料本身的性能密切相關(guān)，還受復(fù)合材料中纖維排列方式的影響。馬小菲等[9]采用二維編織工藝將玻璃纖維和芳綸纖維制造成復(fù)合材料管件，并通過試驗(yàn)研究了編織角(30°、45°、60°)和不同混合比的纖維對(duì)復(fù)合材料管件壓縮強(qiáng)度的影響。 研究結(jié)果顯示，當(dāng)玻璃纖維和芳綸纖維的混合比為1∶1時(shí)，復(fù)合材料管件的抗彎強(qiáng)度最?。粚?duì)于由芳綸纖維和玻璃纖維混合編織的管件，隨著編織角的減小，復(fù)合材料管件的抗彎強(qiáng)度增大。張平等[10]利用玻璃纖維制備了復(fù)合材料管件，并在軸向壓縮的條件下，研究了編織角(30°、45°、60°)對(duì)復(fù)合材料管件能量吸收的影響。結(jié)果顯示，編織層數(shù)(2、3)相同時(shí)，隨著編織角的減小，復(fù)合材料管件的能量吸收增加。杜剛等[11]利用碳纖維和環(huán)氧樹脂，通過二維編織機(jī)，采用熱膨脹軟膜成型工藝制備了復(fù)合材料圓管，并在圓管的頂端加上碳纖維，探究了這一碳纖維對(duì)圓管軸向壓縮性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)向管件施加軸向載荷時(shí)，經(jīng)碳纖維加強(qiáng)的管件頂端可有效降低管件徑向的變形，管件的抗壓縮性能顯著提高。馬巖等[12]采用二維編織技術(shù)，利用碳纖維和環(huán)氧樹脂，通過RTM成型工藝制備了管件物，通過軸向壓縮試驗(yàn)研究了當(dāng)管件的編織角為60°時(shí)，復(fù)合材料管件吸收的能量較小。管件沿圓周方向排列的纖維能進(jìn)一步阻止其內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)纖維出現(xiàn)大量斷裂時(shí)，管件能量吸收增加。目前，復(fù)合材料管件主要采用二維編織法制備，但二維編織管件在壓縮過程中極易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，為解決這一問題，學(xué)者們開始對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行研究。

周海麗[13]利用碳纖維制備了三維編織復(fù)材管件，在沖擊試驗(yàn)條件下，探究了編織角(15°、30°、45°)和編織層數(shù)(2、3、4)對(duì)管件抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著編織角和編織層數(shù)的增加，管件抗沖擊載荷的最大值增加，位移相應(yīng)減小。黃雄[14]采用三維四向編織技術(shù)制備了碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料管件，并對(duì)三種編織角(20°、30°、45°)的復(fù)材管件進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，證明了當(dāng)應(yīng)變率變大時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量增加；管件編織角的增加可提高其厚度方向的力學(xué)性能。曹海建等人[15]采用三維編織機(jī)利用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制備了編織角為42°和45°的三維四向管件編織物，通過軸向壓縮試驗(yàn)研究了編織角的變化會(huì)引起管件壓縮性能的改變，管件受壓縮后表現(xiàn)為脆性斷裂，出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象主要有復(fù)材管件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、纖維被拉斷等；當(dāng)編織角增大時(shí)，三維四向復(fù)材管件的軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮模量也增大。三維編織技術(shù)可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形多樣化的管件，因此可利用這一成型技術(shù)制備要求較高的零部件。目前，對(duì)于三維四向編織碳纖維復(fù)合材料管件能量吸收的研究還處于基礎(chǔ)階段，本文將制備三維四向編織結(jié)構(gòu)的復(fù)材管件，探究這一復(fù)合材料管件的能量吸收機(jī)理。

1.2 能量吸收的計(jì)算

復(fù)材管件軸向壓縮條件下的理想載荷-位移曲線如圖1所示。x軸和曲線之間圍成的陰影部分面積大小等于復(fù)材管件軸向壓縮時(shí)吸收的總能量UT。

圖1 管件載荷-位移曲線

復(fù)材管件軸向壓縮能量吸收的計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：P——壓縮過程中產(chǎn)生的載荷，kN；

s——壓縮過程中產(chǎn)生的位移，mm。

比能量吸收Es[式(2)]表示軸向壓縮后的復(fù)材管件，其單位質(zhì)量吸收能量的大小：

(2)

式中：l——管件軸向壓縮的位移, mm；

A——管件底面的截面積, mm2；

p——管件的密度，g/cm3。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料

本試驗(yàn)采用中復(fù)神鷹SYT 49S-12K(T700級(jí))型碳纖維束和常熟佳發(fā)化學(xué)有限公司生產(chǎn)的樹脂和固化劑(JC-02A型環(huán)氧樹脂體系)作為原材料，材料規(guī)格參數(shù)列于表1和表2。

表1 碳纖維束規(guī)格參數(shù)

表2 JC-02A型環(huán)氧樹脂體系規(guī)格參數(shù)

2.2 三維編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的制備

首先根據(jù)所需碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的大小安排紗線在三維編織機(jī)上的分布。然后將碳纖維束的一端掛在編織機(jī)機(jī)床上的攜紗器中，另一端掛在準(zhǔn)備好的架子上，接著按照設(shè)定的排紗方式進(jìn)行編織。攜紗器在編織機(jī)上沿著不同的方向運(yùn)動(dòng)，編織紗在此過程中產(chǎn)生位移并不斷地進(jìn)行交織，最終形成不分層的三維網(wǎng)狀編織預(yù)制件[16]。以2層16列的三維四向碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的掛紗(圖2)為例：θ是編織角，m和n分別為編織層數(shù)和編織列數(shù)，編織層m的方向與機(jī)床邊平行，編織列數(shù)n的方向與機(jī)床邊垂直。其中，m為攜紗器沿徑向排列的數(shù)目(2層)，n為攜紗器沿圓周方向上排列的數(shù)目(16列)。本試驗(yàn)根據(jù)三維編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的厚度和內(nèi)徑，設(shè)定為3、4、5層/32列(θ=30°)，以及30°、45°和60°編織角(3層) 掛紗，共制備出5種三維編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件試樣(表3)。其中，T3-30代表編織層數(shù)為3層， 編織角為30°的試樣，依此類推。

圖2 2層16列的三維編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的掛紗分布

2.3 固化工藝

固化工藝[圖3a)]采用VARTM成型技術(shù)先對(duì)三維編織預(yù)制管件試樣密封，預(yù)抽真空，排除模具內(nèi)空氣，檢查真空袋的氣密性；然后將JC-02A型環(huán)氧樹脂體系在大氣壓力下注入模具，直到樹脂完全浸潤試樣；最后放入烘箱固化成型。制備出的三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管參數(shù)匯總于表3。

圖3 三維編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的制備工藝

表3 三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 試樣前處理

將三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣切割成長度為50 mm的試樣，將其一端打磨出具有45°傾角的倒角(圖4)。在軸向壓縮試驗(yàn)初期，該倒角有利于穩(wěn)定壓縮模式的產(chǎn)生。

圖4 軸向壓縮試樣

2.5 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試

采用INSTRON萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同編織參數(shù)的三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。儀器的壓縮速度設(shè)置為5 mm/min，壓縮距離為25 mm。

2.6 光學(xué)觀察

對(duì)壓縮試驗(yàn)后的三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣進(jìn)行包埋、固化處理，沿軸向切割樣品后取合適的圓筒的破壞截面進(jìn)行表面拋光，制成易于觀察的試樣片。利用光學(xué)顯微鏡觀察各試樣的截面，繪制模式圖并進(jìn)行壓縮破壞機(jī)理的分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試

由圖5三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣壓縮載荷-位移曲線可以看出，在達(dá)到初始峰值前，試樣的壓縮載荷-位移曲線基本為直線，達(dá)到初始峰值后，壓縮載荷迅速下降并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著編織層數(shù)的增加，試樣的可承受載荷逐漸增大。由圖5a)知，當(dāng)θ=30°時(shí)，隨著編織層數(shù)的增加，三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管的最大載荷呈增加趨勢，當(dāng)編織層數(shù)為5層時(shí)，試樣所承受的載荷達(dá)最大。這是因?yàn)橄鄬?duì)于3層、4層試樣而言，5層的三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管厚度最大，軸向可承受的載荷增加。由圖5b)可知，當(dāng)三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管的編織層數(shù)均為3層時(shí)，試樣的最大載荷隨編織角增加呈先減小后增加的趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)編織角從30°增加到45°時(shí)，纖維在軸向所承受的力減小。當(dāng)編織角從45°增加到60°時(shí)，纖維從軸向逐漸變?yōu)橹芟蚺帕?，壓縮過程中周向排列的纖維通過纖維的內(nèi)部彎曲承受載荷，從而提高試樣中纖維所能承受的載荷。

圖5 三維編織碳纖維復(fù)材管件的壓縮載荷-位移曲線

3.2 軸向壓縮的破壞模式

軸向壓縮的破壞模式分為在軸向壓縮過程中, 三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管表面呈層狀向下折疊,即漸進(jìn)式折疊失效模式[圖6 a)和圖6c)]，和壓縮初始階段，管件外表面出現(xiàn)許多小裂紋，碳纖維沒有從主體上剝落或者折斷，而是以彎曲的形式保留在主體中的開花狀態(tài)的破壞模式[圖6 b)]。結(jié)合表4三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管軸向壓縮的破壞測試結(jié)果可知，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料管件來說，在軸向壓縮過程中，不同的破壞模式對(duì)能量吸收有較大的影響。試樣T3-30的比能量比試驗(yàn) T3-45提升了18.73%，而試樣T3-60比能量吸收比試樣T3-45提升了29.64%，說明試樣漸進(jìn)式折疊失效模式的能量吸收優(yōu)于開花失效模式。當(dāng)編織角均為30°時(shí)， 3層、4層還是5層試樣都呈現(xiàn)出類似的折疊壓潰破壞現(xiàn)象，且比能量吸收變化不大。因此，對(duì)于三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管的能量吸收特性，編織角的作用對(duì)破壞模式和吸能效果有一定的影響，而編織層數(shù)影響較小。

表4 三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管試樣的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 各試樣壓縮測試前后的截面對(duì)比(左圖為壓縮前，右圖為壓縮后)

3.3 能量吸收機(jī)理分析

觀察圖7三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗(yàn)后的試樣截面圖發(fā)現(xiàn)，圖7a)和圖7b)試樣的破壞模式為漸進(jìn)式折疊破壞模式，該破壞模式中筒壁具有明顯的折疊狀態(tài)，外觀呈現(xiàn)S形變形。圖7a)壓縮試樣的上半部分出現(xiàn)較多纖維束裂紋，部分纖維出現(xiàn)少量斷裂，試樣內(nèi)部纖維束之間較為整齊，三維編織結(jié)構(gòu)基本上沒有受到破壞。對(duì)于圖7b) 而言，壓縮試樣的上半部分纖維束出現(xiàn)少量裂紋和斷裂，部分纖維束出現(xiàn)碎片化狀態(tài)，圓管內(nèi)部纖維束之間的三維編織結(jié)構(gòu)基本未受到破壞。對(duì)于圖7c) 而言，圓管內(nèi)部出現(xiàn)了大量纖維斷裂，當(dāng)編織角增大時(shí)，纖維從沿管件的平行方向變?yōu)檠貓A周方向分布，沿圓周方向的纖維束受到軸向剪切破壞嚴(yán)重。從圖7截面觀察圖可知，軸向壓縮測試過程中，各試樣在其厚度方向都沒有產(chǎn)生裂紋，因此，三維編織結(jié)構(gòu)可以阻止碳纖維復(fù)合材料圓管厚度方向上裂紋的擴(kuò)展。

圖7 各試樣軸向壓縮后的截面

由圖8a)和圖8b)模式圖可知，T3-45試樣的破壞模式為開花破壞模式，該破壞模式下試樣中間會(huì)產(chǎn)生中央裂紋，試樣兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生明顯的分支即側(cè)葉，纖維斷裂較少，因此吸收能量較少。由圖8c)和圖8d)可知，T3-30試樣的破壞模式為折疊破壞模式，在壓縮過程中，試樣兩側(cè)發(fā)生較大角度的彎曲，此過程中碳纖維束內(nèi)部出現(xiàn)大量的斷裂，并且此破壞模式會(huì)吸收大量的能量。

圖8 各試樣軸向壓縮后的破壞截面和破壞模式

4 結(jié)論

(1)三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管T3-30和T3-60為漸進(jìn)式折疊破壞模式，而T3-45在壓縮過程中發(fā)生開花破壞模式，復(fù)材管件吸收能量特性與壓縮時(shí)的破壞模式有較大的關(guān)系。

(2)對(duì)于三維編織碳纖維復(fù)合材料管件來說，在軸向壓縮過程中，三維編織結(jié)構(gòu)可以阻止其厚度方向上裂紋的擴(kuò)展。

(3)三維編織碳纖維復(fù)合材料圓管編織角對(duì)壓縮模式和能量吸收有較大影響，而編織層數(shù)的影響沒有體現(xiàn)出來。