螺旋式z－pin的制備及力學(xué)性能研究

陳 磊，謝軍波，方 靜，陳 利

(1.天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究院 紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

0 引言

復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但層合板容易發(fā)生分層破壞，往往需要各種層間增韌工藝來提高材料的抗分層性能。常見的層間增強(qiáng)技術(shù)包括針刺、縫合、植絨和z－pin等[1－3]。其中，z－pin增強(qiáng)技術(shù)操作靈活、工藝簡(jiǎn)單，只需要向復(fù)合材料層合板厚度方向上直接植入z－pin即可，具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)和生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。Z－pin是一種高強(qiáng)度、高模量的微細(xì)桿狀結(jié)構(gòu)，可由復(fù)合材料、鈦合金或鋼制備成，其直徑較小，通常在0.2mm~1mm范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的z－pin表面光滑，外形為圓截面桿狀，通過植入體積分?jǐn)?shù)為0.5%~4%的z－pin，可以使z－pin與層合板之間產(chǎn)生較強(qiáng)的粘附力和摩擦力，有效提高層合板的層間韌性。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)異型z－pin的設(shè)計(jì)也展開了大量工作，其目的一是為了提高z－pin的層間增韌效果，二是希望減小z－pin植入對(duì)層合板造成的面內(nèi)損傷。Julian Hoffman[4－7]設(shè)計(jì)了矩形橫截面的z－pin，通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，矩形截面z－pin植入層合板所造成的面內(nèi)纖維偏轉(zhuǎn)程度明顯小于圓形截面z－pin。此外，Hoffman還設(shè)計(jì)了表面帶凹槽的圓形截面z－pin，增加了z－pin與層合板之間的接觸面積，顯著提高了層合板的層間韌性。Andr′e Knopp[8－10]在z－pin表面刻槽，并設(shè)計(jì)了不同的凹槽開口形狀，包括矩形、三角形、圓弧形和正弦函數(shù)曲線形等，作者以此為基礎(chǔ)探究了z－pin表面凹槽開口形狀、切口深度及切口間距對(duì)z－pin增強(qiáng)層合板壓縮性能的影響。王曉旭[11]對(duì)浸膠碳纖維束施加捻度，然后加熱固化，制備了5種不同捻度的zpin，通過開展z－pin拔出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):加捻會(huì)增大zpin的最大拔出力，并且隨著捻度的增加，z－pin的最大拔出力的增幅也逐漸變大。

由于z－pin直徑很小，通過對(duì)表面進(jìn)行二次加工、改變其幾何結(jié)構(gòu)具有一定的難度，本文設(shè)計(jì)了一種拉擠成型模具，可實(shí)現(xiàn)螺旋式z－pin的一次性連續(xù)拉擠成型加工，制備出了4種不同螺旋度的z－pin樣品。開展z－pin拔出試驗(yàn)和z－pin拉伸試驗(yàn)分別表征了螺旋式z－pin的層間增韌性能和拉伸性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過引入螺旋度可以顯著提高z－pin的層間增韌效果，但同時(shí)也會(huì)降低z－pin的拉伸強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 螺旋式z－pin的制備

本文采用拉擠成型的方法實(shí)現(xiàn)螺旋式z－pin的成型制備，選用日本東麗T－300－3K碳纖維及TDE－86環(huán)氧樹脂作為z－pin的制備原材料，成型工藝流程如圖1所示。首先將浸漬樹脂之后的碳纖維束放入烘箱，低溫加熱使樹脂的流動(dòng)性降低，以便對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工。然后通過拉擠模具對(duì)浸漬樹脂的纖維束進(jìn)行兩次拉擠:第一次從上到下拉擠纖維束，得到矩形截面的半固化纖維束，如圖2(a)所示；第二次由下到上再次拉擠纖維束，并同時(shí)勻速旋轉(zhuǎn)模具，最終得到如圖2(b)所示的螺旋式z－pin。最后將其置于烘箱中進(jìn)行高溫固化，在兩次烘箱加熱過程中，在纖維束底端系有小鐵塊給其施加10N的張力。

圖1 螺旋式z－pin制備流程示意圖

圖2 拉擠模具示意圖

Z－pin拉擠模具由兩個(gè)如圖3(c)所示的耳狀不銹鋼結(jié)構(gòu)組成，兩個(gè)耳狀模具可以相互貼合組成整體模具，如圖3(a)所示。模具中心留有截面帶倒角的正方形開孔，開孔邊緣設(shè)計(jì)成喇叭形以便于纖維通過，模具及開孔結(jié)構(gòu)各部分詳細(xì)尺寸分別如圖2(a)和圖4所示。

圖3 拉擠模具實(shí)物圖

圖4 耳狀模具結(jié)構(gòu)示意圖

假定模具每P厘米繞z－pin表面旋轉(zhuǎn)一周，那么稱P為螺旋式z－pin的“螺旋導(dǎo)程”，因此P越小，z－pin的螺旋度就越高，以此就可以通過螺旋導(dǎo)程p表征z－pin的螺旋結(jié)構(gòu)密集程度(螺旋度)。本文制作了四組不同螺旋度(無螺旋結(jié)構(gòu)、P＝0.5cm、P＝1cm、P＝1.5cm)的z－pin，并在3D輪廓測(cè)量?jī)x上分別對(duì)其表面輪廓進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖5所示。顯然，z－pin表面的螺旋度隨著螺旋導(dǎo)程P的減小而逐漸增加，當(dāng)P＝0.5cm時(shí)，z－pin表面的螺旋結(jié)構(gòu)就已經(jīng)十分密集。

圖5 不同螺旋度下的z－pin輪廓

1.2 Z－pin拉伸試驗(yàn)

GB/T 3362－2005?碳纖維復(fù)絲拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法?，如圖6所示。z－pin拉伸試樣測(cè)量標(biāo)距為150mm，兩端加強(qiáng)片為0.3mm的硬紙板，試驗(yàn)設(shè)備為上海力試LE5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，拉伸加載的速度為2mm/min。分別對(duì)四組不同螺旋度z－pin進(jìn)行拉伸測(cè)試，每組試樣數(shù)目為10，記錄試驗(yàn)過程中的載荷—位移曲線。

圖6 Z－pin拉伸實(shí)驗(yàn)

1.3 Z－pin拔出試驗(yàn)

本文的z－pin拔出實(shí)驗(yàn)參考了Julian Hoffman[4]的多根z－pin拔出實(shí)驗(yàn)。拔出試樣層合板如圖7(a)所示，由24層碳纖維平紋布鋪層而成，鋪層角度為[0/90]12，在第12層與第13層之間放置一層聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。將z－pin植入至層合板中心10mm×10mm區(qū)域范圍，植入點(diǎn)呈3×3方形點(diǎn)陣排布，植入間距為5mm，如圖7(b)所示。用砂紙將試樣的上下表面分別打磨，使用刀片尖端將層合板第12層與第13層之間連接縫隙處劃開，除去縫隙處溢出的固化樹脂。使用環(huán)氧樹脂膠將拔出試樣的上下表面分別與上下T型接頭粘連，施加載荷將z－pin拔出。

圖7 z－pin拔出實(shí)驗(yàn)示意圖

Z－pin拔出試驗(yàn)設(shè)備為日本島津AGS－J型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，如圖8(a)所示，加載速度為1mm/min。Z－pin拔出過程如圖8(b)和圖8(c)所示，可以觀察到上下層合板逐漸出現(xiàn)分層，直至z－pin被拔出。分別對(duì)四組不同螺旋度z－pin進(jìn)行拔出試驗(yàn)測(cè)試，每組試樣數(shù)目為3個(gè)，記錄試驗(yàn)過程中的載荷—位移曲線。

圖8 Z－pin拔出實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 Z－pin拉伸載荷位移曲線

Z－pin拉伸的載荷—位移曲線如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，無論z－pin是否經(jīng)過螺旋加工，z－pin在拉伸過程中的載荷位移曲線都呈線彈性規(guī)律，拉伸載荷隨著位移線性上升。Z－pin的拉伸強(qiáng)度σt和拉伸模量Et分別可由式(1)~(3)計(jì)算得到:

圖9 Z－pin拉伸載荷位移曲線

其中，F(xiàn)t為z－pin的最大拉伸載荷，dt為z－pin的最大拉伸位移，Spin為z－pin橫截面面積，Lpin為z－pin試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，ε為z－pin斷裂應(yīng)變。計(jì)算結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示隨著螺旋導(dǎo)程P的減小，z－pin的最大拉伸載荷、軸向拉伸強(qiáng)度和z－pin的拉伸模量都有著不同程度的下降。

表1 不同螺旋度z－pin拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值

螺旋結(jié)構(gòu)加工會(huì)造成z－pin的軸向抗拉性能產(chǎn)生一定程度的下降，與無螺旋結(jié)構(gòu)z－pin相比，P＝1.5cm、P＝1cm和P＝0.5cm的z－pin拉伸載荷分別下降了30%、41%和47%。這是由于碳纖維本身就具有脆性大、斷裂伸長(zhǎng)率低的特點(diǎn)，再加上碳纖維結(jié)構(gòu)受到模具的作用在其結(jié)構(gòu)上發(fā)生了扭曲，使得其承力在z－pin軸向的分力減小。而z－pin在受拉過程中，碳纖維又起著主要承載的作用，發(fā)生扭曲變形的碳纖維在受拉時(shí)受到的軸向拉伸力各不相同，使得z－pin整體拉伸性能下降。并且zpin螺旋結(jié)構(gòu)越密集，z－pin內(nèi)部的碳纖維扭曲越嚴(yán)重，纖維在受拉方向上的抗拉性能越差。

2.2 Z－pin拔出載荷位移曲線

四組z－pin的拔出最大載荷值及其平均值詳見表2，載荷位移曲線如圖10所示。曲線開始部分存在小部分彎曲，這是由于T型接頭與實(shí)驗(yàn)夾具之間連接的螺栓和孔洞之間存在空隙導(dǎo)致。在曲線初始階段，z－pin拔出載荷隨著位移上升，直至z－pin與層合板之間開始發(fā)生脫膠，載荷突然急劇下降，隨之z－pin與層合板之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)z－pin與層合板間僅存在摩擦作用，載荷隨著位移緩慢下降直至為0。四種不同螺旋度z－pin拔出的載荷位移曲線趨勢(shì)相近，但最大拔出載荷存在差異?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著螺旋導(dǎo)程P的縮小，z－pin表面螺旋度加大，從層合板中拔出z－pin所需要的最大載荷也隨之增加。Z－pin上的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了z－pin與層合板之間的接觸面積，使得z－pin拔出力上升。

表2 不同螺旋度z－pin的拔出載荷

圖10 Z－pin拔出載荷位移曲線

3 結(jié)論

本文使用一種拉擠模具對(duì)浸漬樹脂的半固化碳纖維束進(jìn)行了螺旋結(jié)構(gòu)加工，制備出四種不同螺旋度的z－pin(包括一種無螺旋結(jié)構(gòu)z－pin)。分別通過拉伸實(shí)驗(yàn)和拔出實(shí)驗(yàn)對(duì)z－pin軸向抗拉性能以及z－pin在層合板中的層間拔出力進(jìn)行了測(cè)試，主要得出以下結(jié)論:

(1)螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)使得碳纖維產(chǎn)生扭曲和損傷，造成z－pin軸向拉伸性能的下降。隨著螺旋度的上升，拉伸性能下降程度越大。當(dāng)螺旋導(dǎo)程P＝0.5cm時(shí)，z－pin拉伸斷裂載荷和斷裂強(qiáng)度下降了50%左右，拉伸模量大約下降了20%。

(2)螺旋結(jié)構(gòu)增加了z－pin/層合板界面連接面積，有效提高了z－pin/層合板界面連接性能。隨著螺旋度的上升，z－pin的層間拔出載荷也隨之提高，當(dāng)螺旋導(dǎo)程P＝0.5cm時(shí)，z－pin拔出力提高了一倍左右。