半厚度Z-pin植入對(duì)層合板彎曲性能的影響研究

嚴(yán) 斌，陳漢元，周 舉，代 悅，劉維偉

（1. 西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2. 中國(guó)航發(fā)貴陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，貴陽(yáng) 550081；3. 西安理工大學(xué)，西安 710048）

復(fù)合材料層合板是由性能不同或相同的單層板黏合而成的一種多層層合結(jié)構(gòu)，在載荷作用下各單層板的變形情況不同，但通過(guò)黏結(jié)構(gòu)成一整體協(xié)調(diào)變形，各層之間由于必須相互變形協(xié)調(diào)而存在層間應(yīng)力分布[1]，因此分層破壞是復(fù)合材料層合板主要的破壞形式之一。目前，Z-pin層間增強(qiáng)技術(shù)是一種相對(duì)較為成熟、可靠的復(fù)合材料層間增強(qiáng)方式，可顯著提高層合板的層間強(qiáng)度，抗分層性能及抗沖擊損傷容限[2]?，F(xiàn)階段Z-pin技術(shù)已獲得一定的實(shí)際工程應(yīng)用。在國(guó)外，洛克希德·馬丁公司將Z-pin技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)翼盒段試驗(yàn)[3]；F-35戰(zhàn)斗機(jī)和C17重型運(yùn)輸機(jī)上也使用了Z-pin技術(shù)[4]。在國(guó)內(nèi)，一些新型號(hào)的航空航天飛行器也在積極應(yīng)用Zpin技術(shù)。

Chang等[5]研究了Z-pin直徑與體積植入密度對(duì)試件彎曲性能的影響，研究表明試件彎曲強(qiáng)度隨直徑、體積植入密度的增加而線(xiàn)性降低，其原因?yàn)閆-pin植入后造成試件增厚，增厚導(dǎo)致面內(nèi)纖維體積含量降低，進(jìn)而造成彎曲強(qiáng)度下降。而試件彎曲模量并不受直徑和體積植入密度影響，部分試件的模量甚至略微提升。Knopp等[6]研究了濕熱環(huán)境變化對(duì)Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的彎曲性能的影響，研究表明濕熱環(huán)境的變化會(huì)顯著降低試件彎曲強(qiáng)度，但濕熱環(huán)境的變化對(duì)試件彎曲模量的影響一般。Grassi 等[7]研究表明Z-pin增強(qiáng)層合板面內(nèi)強(qiáng)度、模量的損失也與其鋪層順序有關(guān)，單向鋪層順序?qū)γ鎯?nèi)性能的降低最大。此外，層合板鋪層中減少0°鋪層的使用，面內(nèi)性能的降低也會(huì)隨之減少。Yasaee等[8]通過(guò)研究植入長(zhǎng)度分別為2mm、4mm和8mm的Z-pin對(duì)層合板抗疲勞性能的影響發(fā)現(xiàn)，層合板的Ⅰ型疲勞強(qiáng)度隨著Z-pin長(zhǎng)度的增加會(huì)先增大到某一閾值，后續(xù)再增加Z-pin長(zhǎng)度，疲勞強(qiáng)度不會(huì)有增加。相比未增強(qiáng)試件，植入深度為2mm的Z-pin增強(qiáng)試件的Ⅰ型疲勞強(qiáng)度增加了約3倍；相比未增強(qiáng)試件，植入深度為4mm的Z-pin增強(qiáng)試件的Ⅰ型疲勞強(qiáng)度增加了約8倍。Yasaee等[9]研究了不同長(zhǎng)度的Z-pin植入到多種鋪層順序的層合板中的性能表現(xiàn)，研究表明，長(zhǎng)Z-pin對(duì)層合板層間性能提升效果更好。此外，Z-pin長(zhǎng)度對(duì)其橋聯(lián)機(jī)理、失效形式及耗能機(jī)制等有著重要影響。

目前，在Z-pin植入變厚度的復(fù)雜曲面構(gòu)件時(shí)，由于構(gòu)件厚度存在變化，故多采用依據(jù)構(gòu)件厚度梯度簡(jiǎn)單分區(qū)進(jìn)行Z-pin植入。構(gòu)件厚度的變化是連續(xù)的，但分區(qū)的變化是不連續(xù)的，這會(huì)造成在各分區(qū)的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)極易出現(xiàn)Z-pin長(zhǎng)度小于構(gòu)件厚度，難以達(dá)到全厚度植入的要求。此外，構(gòu)件在固化后會(huì)由于Z-pin的植入而發(fā)生增厚現(xiàn)象，各分區(qū)間的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)Z-pin多為半厚度植入，因此有必要開(kāi)展Z-pin半厚度植入對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響研究。

針對(duì)Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板彎曲性能的研究，大多集中在全厚度Z-pin植入條件下層合板的性能表現(xiàn)，對(duì)半厚度Z-pin植入條件下層合板的彎曲性能少有研究。本研究通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了在半厚度Z-pin植入條件下Z-pin材質(zhì)、直徑和加捻狀態(tài)對(duì)層合板彎曲強(qiáng)度、模量以及屈服行為的影響。此外，還記錄和分析了Z-pin增強(qiáng)組試件的失效模式，對(duì)Z-pin植入工藝的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)工作有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)與試件制備

1.1 材料與試驗(yàn)件

參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7264/D7264M-15三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[10]，設(shè)計(jì)了圖1所示的彎曲試驗(yàn)件，空心圓代表Z-pin，含空心圓的區(qū)域?yàn)閆-pin待植入?yún)^(qū)域。層合板使用T800碳纖維/Epoxy預(yù)浸料(Hexcel公司)，鋪層順序[0/45/0/-45]3s，層數(shù)為24。

圖1 三點(diǎn)彎曲試件尺寸（mm）Fig. 1 Size of three point flexural specimen(mm)

Z-pin由纖維和環(huán)氧樹(shù)脂共膠接（Co-bond）制成，纖維的材質(zhì)為T(mén)300碳纖維（山東光威公司）和聚酰亞胺纖維（江蘇奧神公司），環(huán)氧樹(shù)脂為WSR6101（無(wú)錫樹(shù)脂廠(chǎng)）。依據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究對(duì)部分聚酰亞胺纖維Z-pin進(jìn)行了80捻/m加捻處理。Z-pin間距取2.5mm×2.5mm，以矩形排布的方式進(jìn)行Z-pin半厚度植入（簡(jiǎn)稱(chēng)短Z-pin），并規(guī)定0°纖維方向?yàn)檠貙雍习彘L(zhǎng)度方向，試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)件Z-pin規(guī)劃Table 1 Programming of Z-pin for specimen

表1中CRF為碳纖維（Carbon fiber），PIF為聚酰亞胺纖維（Polyimide fiber）；TW為加捻（Twisted）；UTW為不加捻（Untwisted）；聚酰亞胺纖維Z-pin規(guī)格有200D和400D兩種，對(duì)應(yīng)直徑分別為0.18mm（簡(jiǎn)稱(chēng)小直徑，下同）和0.28mm（簡(jiǎn)稱(chēng)大直徑，下同），BLANK為未增強(qiáng)對(duì)照組試件。

1.2 試驗(yàn)件制備

“半厚度”Z-pin植入的概念來(lái)源于Yasaee等[12]的研究中，目前針對(duì)半厚度Z-pin植入工藝分為三大層分別鋪疊，如圖2所示。中心C層為要植入Z-pin的層合板子層，上、下子層A和B無(wú)需植入Z-pin，待C層植入完Z-pin后和A、B層拼合成一個(gè)整體層合板，形成半厚度植入Z-pin層合板，此時(shí)會(huì)形成兩個(gè)結(jié)合界面X和Y。半厚度植入Z-pin后，要求Z-pin所處的位置應(yīng)對(duì)稱(chēng)于復(fù)合材料層合板中性面，即Z-pin上端至復(fù)合材料層合板上表面的距離等于其下端至下表面的距離，都為1/4個(gè)層合板總厚度。所有試件按照?qǐng)D3所示的固化工藝路線(xiàn)進(jìn)行固化成型，采用二次升溫、升壓以便讓樹(shù)脂充分流動(dòng)，填充在鋪疊工序中引入的氣泡排出后留下的孔隙，以及有足夠的時(shí)間發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)。

圖2 短Z-pin增強(qiáng)層合板試件制備示意圖Fig.2 Sketch of manufacturing specimen with short Z-pinned laminates

圖3 試驗(yàn)件固化工藝路線(xiàn)Fig.3 Curing process route of laminates

1.3 彎曲性能試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置及試件預(yù)處理嚴(yán)格按照三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行操作。所有試件側(cè)面統(tǒng)一涂白，側(cè)面中軸線(xiàn)處劃線(xiàn)標(biāo)記，方便后續(xù)目視觀(guān)察。試驗(yàn)機(jī)支座為梯形固定支座，使用半圓形固定加載頭，采用位移控制方式進(jìn)行加載，加載速度為2mm/min，當(dāng)彎曲載荷驟降超過(guò)20%即認(rèn)為試件發(fā)生失效，試驗(yàn)中止、卸載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件失效模式

對(duì)照組試件的失效模式主要是分層破壞，分層破壞沿層合板面內(nèi)方向和厚度方向廣泛存在，從加載壓頭處開(kāi)始，分層擴(kuò)展長(zhǎng)度隨著分層位置的下移而變短。試件下表面的子層板內(nèi)的纖維發(fā)生了拉伸斷裂，子層板的拉伸斷裂會(huì)加重分層破壞的發(fā)生。但Z-pin增強(qiáng)試件的失效模式與對(duì)照組試件有所不同，如圖4所示?？芍w上增強(qiáng)試件也出現(xiàn)了分層破壞，但分層裂紋主要集中在中心增強(qiáng)層和上、下子層的界面結(jié)合處（界面X、Y處）。此外，小直徑Z-pin增強(qiáng)組試件分層裂紋擴(kuò)展較為嚴(yán)重，但萌生裂紋數(shù)量較少。大直徑Z-pin增強(qiáng)組試件裂紋擴(kuò)展相對(duì)一般，但萌生裂紋數(shù)量較多，表現(xiàn)出明顯的多條裂紋萌生擴(kuò)展。

圖4 試件的典型失效模式Fig.4 Typical failure modes of specimens

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

挑選出各組組內(nèi)的典型破壞試件，繪制載荷-位移曲線(xiàn)，如圖5所示?？芍?，短Z-pin增強(qiáng)試件與空白試件在失效之前均未表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，各增強(qiáng)組試件間的峰值載荷、失效撓度值基本無(wú)差異，這說(shuō)明短Z-pin的直徑、材質(zhì)以及加捻狀態(tài)對(duì)試件彎曲強(qiáng)度、模量的影響甚微。試件界面X、Y處存在初始缺陷，界面X、Y分層后會(huì)誘發(fā)其他子層間發(fā)生分層，分層損傷主導(dǎo)了彎曲過(guò)程中試件的損傷失效，但中心層內(nèi)的Z-pin通過(guò)發(fā)揮橋聯(lián)作用，在一定程度上延緩了試件的分層損傷，故增強(qiáng)組試件的峰值載荷與失效前容傷位移均高于空白試件。部分試件載荷-位移曲線(xiàn)起始段出現(xiàn)了明顯的趾尖區(qū)域（表現(xiàn)為曲線(xiàn)下凹），這是由于橡膠墊是超彈性變形材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)起始段就是非線(xiàn)性的。此外，由于試件裝夾松弛等因素也會(huì)造成趾尖區(qū)域的出現(xiàn)，趾尖區(qū)域的出現(xiàn)是添加橡膠墊和試件裝夾綜合作用的結(jié)果。為獲得正確的彎曲模量和失效時(shí)的撓度，要對(duì)趾尖區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⑶€(xiàn)線(xiàn)性段過(guò)曲線(xiàn)拐點(diǎn)延長(zhǎng)找到在X軸上的正確零點(diǎn)，后文中相關(guān)計(jì)算結(jié)果均已考慮了上述趾尖區(qū)的補(bǔ)償。

圖5 各組試件載荷-位移曲線(xiàn)Fig.5 Load-displacement curve of each group of specimens

2.3 彎曲性能計(jì)算

依據(jù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[10]中的計(jì)算公式，對(duì)各組試驗(yàn)件的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中表示組內(nèi)平均彎曲強(qiáng)度表示組內(nèi)平均彎曲模量，Cv為組內(nèi)指標(biāo)計(jì)算值的離散系數(shù)。由計(jì)算結(jié)果可知，Z-pin增強(qiáng)組試件的彎曲強(qiáng)度、模量都有所提升。

表2 各組試件平均彎曲強(qiáng)度和平均彎曲模量Table 2 Average flexural strength and modulus of each group of specimens

2.4 彎曲應(yīng)變能分析

據(jù)以往Z-pin增強(qiáng)機(jī)理的研究[13,6]可知，Z-pin增強(qiáng)試件在彎曲失效前的彎曲應(yīng)變能越大，試件抵抗彎曲破壞的能力就越強(qiáng)。Z-pin受載破壞所耗散的能量是Z-pin增強(qiáng)試件彎曲應(yīng)變能的重要組成部分。Z-pin被破壞所耗散的能量包括Z-pin發(fā)生彈性變形的應(yīng)變能，Z-pin與眼狀區(qū)樹(shù)脂間的脫黏形成新表面的表面能及Z-pin或劈裂、或剪斷、或發(fā)生摩擦所耗散的能量，上述的能量耗散釋放了本應(yīng)積聚在裂紋尖端驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變儲(chǔ)能，從而延緩了試件損傷擴(kuò)展的發(fā)展進(jìn)程[14]。彎曲試驗(yàn)過(guò)程中存在以下功能關(guān)系[15]：

式中，W為外力做的功；U為彎曲應(yīng)變能；Uk為試件的動(dòng)能，在靜態(tài)試驗(yàn)中加載速率一般較低，故Uk較小可忽略；Uir為功能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不可避免的能量耗散（如壓頭與試件間的摩擦內(nèi)能損耗等），Uir較小也可忽略。各組試件的彎曲應(yīng)變能可通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)載荷-位移曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸所圍成的面積得到，計(jì)算結(jié)果如圖6所示（Y軸對(duì)應(yīng)直方圖表征彎曲應(yīng)變能，Y軸對(duì)應(yīng)折線(xiàn)圖表征彎曲應(yīng)變能增量），由圖6可知，各Z-pin增強(qiáng)組相比于空白對(duì)照組而言，增強(qiáng)試件的彎曲應(yīng)變能明顯更高，但從彎曲應(yīng)變能增量折線(xiàn)圖可看出各增強(qiáng)組間的提升效果沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性變化，各組間的差異也不明顯。這說(shuō)明在Z-pin半厚度植入條件下，試件的彎曲應(yīng)變能對(duì)Zpin直徑、材質(zhì)以及加捻狀態(tài)并不敏感。由于試件界面X、Y處存在初始缺陷，界面X、Y分層后會(huì)誘發(fā)其他子層間發(fā)生分層，分層損傷主導(dǎo)了彎曲過(guò)程中試件的損傷失效，致使各增強(qiáng)組試件的彎曲應(yīng)變能未表現(xiàn)出顯著差異。

圖6 各組試件彎曲應(yīng)變能Fig.6 Flexural strain energy of each group of specimens

Z-pin增強(qiáng)組試件的分層裂紋主要集中在試件中心增強(qiáng)層和上、下子層的界面結(jié)合處（界面X、Y處）的原因?yàn)閆-pin半植入時(shí)采用三大層分層鋪疊，這種鋪疊方式簡(jiǎn)單高效，也保證了在不損傷上、下兩個(gè)子層的情況下精確控制“半厚度”的植入精度，但上、下兩個(gè)子層和中心增強(qiáng)層之間會(huì)引入更多的初始缺陷。產(chǎn)生初始缺陷的原因?yàn)椋褐踩隯-pin后中心增強(qiáng)層的俯視圖如圖7（a）所示（亮點(diǎn)為Z-pin），觀(guān)察植入點(diǎn)處的局部放大圖圖7（b）可發(fā)現(xiàn)Z-pin端部被壓裂鈍化，造成其中心區(qū)下陷，邊緣區(qū)上翹，中心增強(qiáng)層與子層拼接時(shí)無(wú)法緊密貼合導(dǎo)致形成空隙。在固化階段由于Z-pin與層合板的熱膨脹系數(shù)不同，Z-pin上子層會(huì)加劇空隙擴(kuò)展形成初始缺陷，且Z-pin直徑越大缺陷越嚴(yán)重。因此，層合板靠近壓頭附近的鋪層受壓后極易發(fā)生初始缺陷擴(kuò)展演化。

圖7 植入Z-pin后的復(fù)合材料層合板Fig.7 Composite laminates after Z-pin implantation

大、小直徑Z-pin增強(qiáng)試件的裂紋演化情況不同的原因?yàn)閆-pin作為異物植入中心增強(qiáng)層后會(huì)在面內(nèi)引入更多的起始損傷，這些損傷包括纖維的斷裂損傷、位置波動(dòng)、繞流卷曲及以Z-pin為中心形成的眼狀富樹(shù)脂區(qū)等[2]。這些面內(nèi)的起始損傷受Z-pin直徑的影響，即小直徑Z-pin植入所引發(fā)的面內(nèi)起始損傷比大直徑組小。由于裂紋的擴(kuò)展總是涉及到能量的耗散，能量的變化總是遵循著能量守恒的原則。由前文可知，各增強(qiáng)組試件的彎曲應(yīng)變能并無(wú)顯著差異，但大直徑Z-pin引入的初始缺陷較多，故大直徑Z-pin增強(qiáng)試件沿厚度方向萌生的分層裂紋數(shù)量往往較多，但裂紋擴(kuò)展相對(duì)一般，試件多表現(xiàn)為多重裂紋的損傷；而小直徑Z-pin引入的初始缺陷相對(duì)較少，故小直徑Z-pin增強(qiáng)試件沿厚度方向萌生裂紋數(shù)量較少，但分層裂紋擴(kuò)展較為嚴(yán)重，試件損傷多表現(xiàn)為受單一裂紋控制。

3 結(jié)論

（1）半厚度Z-pin植入條件下，增強(qiáng)組試件也出現(xiàn)了分層破壞，且分層裂紋主要集中在中心增強(qiáng)層和上、下子層的界面結(jié)合處。

（2）Z-pin通過(guò)發(fā)揮橋聯(lián)作用提高了試件的彎曲強(qiáng)度、模量和彎曲應(yīng)變能，但增強(qiáng)組試件中心增強(qiáng)層和上、下子層的界面結(jié)合處的分層損傷主導(dǎo)了彎曲過(guò)程中試件的破壞，導(dǎo)致各增強(qiáng)組間的增益效果并無(wú)顯著差異。

（3）Z-pin的半厚度植入會(huì)在試件中心增強(qiáng)層和上、下子層的界面結(jié)合處引入更多、更大的初始缺陷，使試件存在更大的失效風(fēng)險(xiǎn)。