縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料損傷阻抗及損傷容限性能

賴家美，莫明智，黃志超，萬(wàn)義標(biāo)，何沛夕

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 聚合物成型研究室，江西 南昌 330031；2.華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

如今，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料被航空航天、船舶等許多行業(yè)廣泛采用[1]，這種復(fù)合材料由如Fig.1(a)所示的上、下面板和泡沫夾芯三部分組成，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)良特點(diǎn)。在復(fù)雜的實(shí)際工程應(yīng)用中，這種材料不可避免地會(huì)受到許多低能量沖擊而產(chǎn)生破壞。低能量沖擊造成的破壞通常由肉眼難以直接觀察，但會(huì)在材料內(nèi)部形成各種形式的損傷，如基體開裂、層間分層、纖維斷裂，以及泡沫夾芯壓潰、面板穿透等[2]?？p合通過(guò)在厚度方向引入縫線進(jìn)而克服層合板易分層的缺點(diǎn)，能夠使復(fù)合材料的抗沖擊性能得到增強(qiáng)[3,4]。縫合泡沫夾芯復(fù)合材料綜合了泡沫夾芯結(jié)構(gòu)與縫合復(fù)合材料的特點(diǎn)，能夠在不需大量增加結(jié)構(gòu)重量的前提下加強(qiáng)面板與芯材的連接，抑制分層，提高結(jié)構(gòu)性能[5]，其結(jié)構(gòu)如Fig.1(b)所示。

復(fù)合材料體系的損傷阻抗性能是指抵抗沖擊事件的能力（或給定沖擊力導(dǎo)致的損傷尺寸）。材料在損傷之后能夠保證其安全性的能力稱為損傷容限性能，常使用低速?zèng)_擊后的剩余壓縮強(qiáng)度來(lái)表征[6,7]。王儉、沈真[8]在對(duì)多種復(fù)合材料體系抵抗沖擊的能力進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其沖擊能量-凹坑深度曲線均存在拐點(diǎn)，且在拐點(diǎn)之后剩余壓縮強(qiáng)度基本不再降低。羅靚等[9]在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)同種材料體系，表征損傷阻抗的沖擊能量-凹坑深度曲線和表征損傷容限的凹坑深度-剩余壓縮強(qiáng)度曲線都具有明顯的拐點(diǎn)現(xiàn)象，拐點(diǎn)前后損傷阻抗和損傷容限性能均出現(xiàn)了明顯的變化。

Fig.1 Composite structure of(a)foam sandwich structure and(b)stitched foam sandwich structure

與泡沫夾芯結(jié)構(gòu)相比，縫合泡沫夾芯復(fù)合材料作為一種新型材料，在受到低速?zèng)_擊時(shí)縫合是否會(huì)對(duì)其損傷阻抗與損傷容限性能產(chǎn)生影響，其損傷阻抗和損傷容限是否也存在拐點(diǎn)現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)外還少有研究。本文對(duì)縫合及未縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊及沖擊后壓縮對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究縫合對(duì)碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷阻抗性能和損傷容限性能的影響，并分析損傷阻抗和損傷容限拐點(diǎn)的物理意義，以期為縫合泡沫夾芯復(fù)合材料的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹脂：R688，廈門宥德材料科技有限公司；固化劑H3268：廈門宥德材料科技有限公司；碳纖維：CF-L300，廈門維曼材料科技有限公司；聚氨酯泡沫（PUR）：廈門維曼材料科技有限公司；縫線Kevlar29：1500旦，美國(guó)DuPont（杜邦）。

1.2 設(shè)備及儀器

數(shù)控水刀：HSQ3020，南京合展精密技術(shù)有限公司；落錘沖擊機(jī)：CEAST 9340，美國(guó)Instron（英斯特朗）；萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)：ETM105D，深圳萬(wàn)測(cè)設(shè)備有限公司；超聲波掃描成像系統(tǒng)：UT-Scan-1，南昌華油航空技術(shù)檢測(cè)工程有限公司。

1.3 樣品制備

本文所需的縫合試樣通過(guò)改進(jìn)的鎖式縫合方法對(duì)碳纖維/泡沫夾芯預(yù)成型體進(jìn)行縫合（如Fig.2 所示），縫合/未縫合試樣均通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行制備，VARTM工藝流程如Fig.3所示。利用數(shù)控水刀切割平臺(tái)將固化后的復(fù)合材料切割成實(shí)驗(yàn)所需要的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如Fig.4 所示,試樣長(zhǎng)度為150 mm、寬度為100 mm。縫合/未縫合夾芯復(fù)合材料上、下面板的纖維鋪層方式分別為[450/-450/00/900]和[900/00/-450/450]。

Fig.2 Improved lock stitching method

Fig.3 Forming process of VARTM

Fig.4 Low-velocity impacted test sample

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷阻抗性能測(cè)試：按照美國(guó)ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)（復(fù)合材料層壓板損傷阻抗評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法），通過(guò)CEAST 9340 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)縫合/未縫合復(fù)合材料引入低速?zèng)_擊損傷并使用精度為0.001 mm 的深度測(cè)量?jī)x檢測(cè)沖擊凹坑深度，并使用超聲C 掃描儀檢測(cè)分層損傷的形狀。出于對(duì)凹坑形狀和深度測(cè)量?jī)x檢測(cè)精度的考慮，忽略小于精度的損傷，并進(jìn)4次反復(fù)檢測(cè)。縫合復(fù)合材料進(jìn)行了4 J，5 J，7～13 J能量下的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)；未縫合復(fù)合材料進(jìn)行了3 J，4 J，5 J，7～12 J 能量下的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，每個(gè)沖擊實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。由于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)4 J，5 J 和7 J 能量沖擊結(jié)果相似，具有隨能量增大損傷小幅度增加的規(guī)律，省去6 J能量對(duì)總體結(jié)果影響不大且試樣數(shù)量有限，故本文不進(jìn)行6 J能量的討論。

1.4.2縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷容限性能測(cè)試：按照美國(guó)ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)（復(fù)合材料層壓板沖擊后壓縮評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法），在萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了縫合及未縫合夾芯板的沖擊后壓縮對(duì)比實(shí)驗(yàn)。除對(duì)所有沖擊后的試樣都進(jìn)行壓縮外，還增加了1組未受沖擊的縫合/未縫合試樣壓縮實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 損傷阻抗性能

Tab.1 Damage impedance data of stitched and unstitched sandwich composites

使用Origin軟件擬合得到縫合與未縫合夾芯板的凹坑深度-沖擊能量曲線，如Fig.5所示。擬合曲線方程為y=a·exp(b+c·x)。

縫合夾芯板的擬合曲線方程為

未縫合夾芯板的擬合曲線方程為

為了分析凹坑深度與沖擊能量的關(guān)系，在此定義凹坑深度-沖擊能量曲線的拐點(diǎn)為，隨著沖擊能量的增大凹坑深度突變的點(diǎn)-即凹坑深度從緩慢增大突變?yōu)榧眲≡龃蟮狞c(diǎn)[10]。與數(shù)學(xué)上對(duì)拐點(diǎn)的定義不同，此次實(shí)驗(yàn)中定義的拐點(diǎn)并非曲線的反曲點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)定義，可以通過(guò)曲線斜率表征拐點(diǎn)：拐點(diǎn)前后曲線斜率差值最大。

Fig.5 Fitting curves of pit depth-impact energy of stitched and unstitched sandwich composites

通過(guò)Fig.5 擬合曲線以及Tab.1 中的數(shù)據(jù)，可以知道縫合曲線損傷阻抗的拐點(diǎn)位置在沖擊能量8 J到9 J之間，然后通過(guò)求曲線斜率差值的方法來(lái)確定拐點(diǎn)的具體位置。首先計(jì)算得到擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)，比較8，9 和中間值8.5 三者對(duì)應(yīng)的斜率及差值，由此可以確定拐點(diǎn)在8.5～9 之間，然后再取中間值8.75，同樣計(jì)算出3 個(gè)數(shù)據(jù)之間的差值，如此不斷縮小取值區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，直到將沖擊能量精確到小數(shù)點(diǎn)后4位。最后確定縫合曲線拐點(diǎn)大約出現(xiàn)在沖擊能量為8.800 J、凹坑深度為1.396 mm 處，在曲線上用標(biāo)出。用同樣的方法計(jì)算得到未縫合曲線的拐點(diǎn)在沖擊能量為7.601 J、凹坑深度為1.582 mm處左右，用在曲線上標(biāo)出。

在Fig.5中可以看到，未縫合夾芯板比縫合夾芯板在更低的沖擊能量下出現(xiàn)拐點(diǎn)，意味著未縫合夾芯板比縫合夾芯板容易產(chǎn)生更為嚴(yán)重的損傷，縫合能延遲損傷阻抗拐點(diǎn)的出現(xiàn)；再?gòu)膬烧吖拯c(diǎn)處的凹坑深度來(lái)看，未縫合夾芯板的凹坑深度大于縫合夾芯板的，即未縫合夾芯板在拐點(diǎn)處的損傷比縫合夾芯板的大，結(jié)合這兩點(diǎn)可以說(shuō)明，縫合能夠增強(qiáng)碳纖維/泡沫夾芯板的損傷阻抗性能。并且2條擬合曲線都是斜率不斷增大的凹曲線，隨著沖擊能量的增大，縫合與未縫合夾芯板2條曲線凹坑深度的差值越來(lái)越大，說(shuō)明縫合對(duì)碳纖維/泡沫夾芯板損傷阻抗性能的提升效果在較高的沖擊能量下更為顯著。

縫合能夠提高碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料損傷阻抗性能可能是因?yàn)榭p線在夾芯板成型過(guò)程中形成了縫線樹脂柱[11]，縫線樹脂柱在纖維面板受沖擊時(shí)分擔(dān)了一部分能量，發(fā)揮著類似于鋼筋混凝土柱的承重作用，并將能量傳遞到下層面板和泡沫夾芯。除此之外，縫線的加入還能夠增強(qiáng)纖維面板和泡沫夾芯之間的結(jié)合力，抑制層間分層損傷的擴(kuò)展，提高夾芯板的層間性能，從而提高結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度，使得縫合夾芯板能夠承受更高的沖擊能量。

2.2 損傷阻抗拐點(diǎn)的物理意義

為了揭示縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料損傷阻抗拐點(diǎn)的物理意義，選取1 組有代表性的未縫合夾芯板損傷阻抗拐點(diǎn)7.601 J 前后的7 J 和8 J、縫合夾芯板損傷阻抗拐點(diǎn)8.800 J前后的8 J和9 J的沖擊時(shí)間-載荷曲線、沖擊表面損傷圖及超聲C掃描圖進(jìn)行對(duì)比分析。

Fig.6 Impacted time-load curves of(a)unstitched-7 J, (b) unstitched-8 J, (c) stitched-8 J and (d) stitched-9 J

在Fig.6 中，2 條未縫合曲線開始的加載階段都近似為線性加載。7 J，8 J未縫合曲線分別在加載時(shí)間約為2 ms 和1.2 ms 時(shí)載荷都發(fā)生了突降，突降點(diǎn)對(duì) 應(yīng) 的 載 荷 即 為 分 層 起 始 載 荷(Delamination initiation load，DIL)，分 層 起 始 載 荷DIL 的出現(xiàn)代表材料內(nèi)部層間分層損傷的產(chǎn)生[12]。在出現(xiàn)分層損傷之后，2條曲線的載荷都有幅度較大的波動(dòng)，這種波動(dòng)可能是因?yàn)榉謱訐p傷導(dǎo)致了材料總體承載能力降低，或是在夾芯板內(nèi)部發(fā)生了基體碎片嵌入現(xiàn)象[13]。此外還可以看到，8J 夾芯板的波動(dòng)幅度稍大于7J 夾芯板，這可能是因?yàn)樵趭A層板的基體和層間都受到了破壞后，沖擊載荷主要由纖維承擔(dān)，隨著能量的增大部分纖維也發(fā)生了斷裂。

縫合8 J，9 J 的2 條曲線在加載時(shí)間分別約為2 ms 和1.2 ms 時(shí)出現(xiàn)分層損傷之后也發(fā)生了劇烈波動(dòng)，并且9 J曲線的波動(dòng)幅度也明顯大于8 J曲線，這說(shuō)明在拐點(diǎn)之后，縫合夾芯板除了產(chǎn)生基體裂紋和層間分層損傷外，同樣產(chǎn)生了纖維斷裂損傷。

Fig.7 Surface damage images of(a)unstitched-7 J,（b）unstitched-8 J,（c）stitched-8 J and（d）stitched-9J

從Fig.7（a）和Fig.7(b）可以看到，7 J，8 J 未縫合夾芯板的沖擊表面都出現(xiàn)了非常明顯的凹坑，但7 J夾芯板的凹坑處除出現(xiàn)基體裂紋及層間分層損傷外，未發(fā)現(xiàn)纖維斷裂損傷，8 J 夾芯板的凹坑則能清晰地看到纖維斷裂損傷。這說(shuō)明拐點(diǎn)前后未縫合夾芯板的損傷形式的確發(fā)生了改變，拐點(diǎn)前由樹脂基體和纖維共同抵抗沖擊，損傷以基體裂紋及層間分層為主[14～16]，拐點(diǎn)之后產(chǎn)生了纖維斷裂損傷，基體破損進(jìn)一步加劇，夾芯板的損傷阻抗能力衰退，凹坑深度變化更加明顯。

與未縫合夾芯板不同的是，從Fig.7（c）和Fig.7（d）可以看到，在8 J沖擊能量下，縫合夾芯板表面的沖擊凹坑不太明顯，用手觸摸能發(fā)現(xiàn)凹坑深度較淺且較為光滑，沖擊僅產(chǎn)生了基體裂紋和層間分層損傷，未見(jiàn)纖維斷裂。但是9 J能量時(shí)縫合夾芯板的沖擊表面依然產(chǎn)生了與未縫合夾芯板一樣的非常明顯的凹坑，凹坑中可見(jiàn)基體裂紋、層間分層，同時(shí)出現(xiàn)了十分清晰的纖維斷裂損傷?？梢?jiàn)，縫合夾芯板拐點(diǎn)前后損傷形式也發(fā)生了改變。比較Fig.8(c)和Fig.8(d)，發(fā)現(xiàn)縫合夾芯板9 J沖擊能量的超聲C掃描得到的損傷面積稍大于8 J的面積，而損傷程度卻嚴(yán)重很多，這可能是因?yàn)楣拯c(diǎn)之后分層損傷沒(méi)有大幅加劇，但是新出現(xiàn)的纖維斷裂卻使夾芯板的損傷加重了。同時(shí)，比較縫合、未縫合夾芯板拐點(diǎn)前后的超聲C 掃描圖還可以發(fā)現(xiàn)，未縫合夾芯板在拐點(diǎn)之后損傷面積和損傷程度均急劇增加，且損傷的區(qū)域比較離散，縫合夾芯板在拐點(diǎn)之后雖然損傷面積也增大了，但是損傷比較集中，損傷的嚴(yán)重程度增加也不大，這反映了縫合能夠減少?zèng)_擊損傷，消減拐點(diǎn)之后出現(xiàn)的損傷加劇帶來(lái)的負(fù)面效果。

Fig.8 Ultrasound C-scan images of(a)unstitched-7 J,(b)unstitched-8 J,(c)stitched-8 J and(d)stitched-9 J

2.3 損傷容限性能

縫合/未縫合夾芯板的損傷容限性能通過(guò)沖擊后壓縮（Compression after impact, CAI）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。表征縫合、未縫合碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料的損傷容限性能數(shù)據(jù)如Tab.2所示。

根據(jù)Tab.2中的數(shù)據(jù)，用Origin軟件擬合出了縫合/未縫合夾芯板的剩余壓縮強(qiáng)度-凹坑深度對(duì)比曲線，如Fig.9所示，擬合函數(shù)為

縫合夾芯板的損傷容限曲線擬合方程為

未縫合夾芯板的損傷容限曲線擬合方程為

Tab.2 Residual compressive strength-pit depth data of stitched/unstitched sandwich panels

根據(jù)前文求損傷阻抗拐點(diǎn)位置的方法同樣確定了損傷容限拐點(diǎn)的位置：縫合/未縫合夾芯板的損傷容限拐點(diǎn)分別在凹坑深度為1.380 mm和1.500 mm處左右，分別用和在曲線上標(biāo)出。

Fig.9 Fitting curves of residual compressive strengthpit depth of stitched and unstitched sandwich panels

在相同沖擊能量下，縫合夾芯板比未縫合夾芯板具有更好的抗沖擊性能，所以其剩余壓縮強(qiáng)度也就更高，這可以從Fig.9得到佐證?？p合曲線總是在未縫合曲線上方，也就是說(shuō)在相同凹坑深度下，縫合夾芯板的剩余壓縮強(qiáng)度總是大于未縫合夾芯板。因?yàn)榘伎由疃仁翘祭w維/泡沫夾芯板內(nèi)部損傷的一個(gè)度量值，直接反映了內(nèi)部損傷的大小[17]，所以縫合在提高夾芯板損傷阻抗能力的同時(shí)，也能夠間接地增強(qiáng)夾芯板的損傷容限性能。此外，隨著凹坑深度的增大，2 條曲線剩余壓縮強(qiáng)度的差值也越大，表明縫合對(duì)碳纖維/泡沫夾芯板損傷容限性能的增益效果在沖擊損傷嚴(yán)重的情況下更能夠凸顯出來(lái)。

從曲線的趨勢(shì)來(lái)看，縫合/未縫合夾芯板的剩余壓縮強(qiáng)度在拐點(diǎn)之前都迅速降低，但在拐點(diǎn)后下降速度大大減緩。這是因?yàn)閵A芯板在損傷阻抗拐點(diǎn)出現(xiàn)后產(chǎn)生了纖維斷裂，損傷狀態(tài)更為嚴(yán)重，在受到壓縮載荷時(shí)，層合板的沖擊損傷會(huì)向兩邊擴(kuò)展直至失效[18,19]，所以在損傷容限拐點(diǎn)之后，沖擊損傷較為嚴(yán)重的夾芯板會(huì)更快失效，其剩余壓縮強(qiáng)度也就更低。

拐點(diǎn)的一致性體現(xiàn)在，縫合/未縫合夾芯板損傷阻抗和損傷容限拐點(diǎn)處的凹坑深度大小一致。另外，損傷阻抗的拐點(diǎn)與損傷容限的拐點(diǎn)具有同一物理意義，即夾芯板在遭受拐點(diǎn)所代表的能量的沖擊之后，夾芯板的損傷形式發(fā)生了改變，這導(dǎo)致了夾芯板的損傷阻抗性能大大下降，從而也間接地降低了其損傷容限。

縫合能夠提高碳纖維/泡沫夾芯復(fù)合材料損傷容限性能的原因可能是：一方面，縫線樹脂柱的加入增強(qiáng)了夾芯板整體的強(qiáng)度和剛度，從而提高了抗沖擊性能，在相同壓縮實(shí)驗(yàn)條件下縫合夾芯板的剩余壓縮強(qiáng)度便會(huì)更大[20]；另一方面，在壓縮過(guò)程中，縫線樹脂柱還可以幫助承受大量的載荷，在發(fā)生基體裂紋、層間分層及纖維斷裂損傷后可以對(duì)整體結(jié)構(gòu)起到一定的支撐作用。

3 結(jié)論

（1）縫合/未縫合夾芯板的損傷阻抗和損傷容限都存在一個(gè)性能突變的拐點(diǎn)，而且二者損傷阻抗與損傷容限的拐點(diǎn)位置具有一致性。

（2）對(duì)比縫合、未縫合夾芯板損傷阻抗的拐點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)縫合能夠推遲夾芯板損傷阻抗拐點(diǎn)的出現(xiàn)，并提高其損傷阻抗與損傷容限性能，這種改善效果在較高沖擊能量下更為明顯。

（3）拐點(diǎn)前后縫合/未縫合夾芯板的損傷形式均發(fā)生了改變：拐點(diǎn)前以基體裂紋、層間分層損傷為主；拐點(diǎn)后出現(xiàn)了纖維斷裂。與未縫合夾芯板拐點(diǎn)后的損傷相比，縫合夾芯板拐點(diǎn)后的損傷區(qū)域較為集中，損傷增幅也較小，表明縫合在能夠提高夾芯板損傷阻抗的同時(shí)還能緩解拐點(diǎn)之后出現(xiàn)的損傷加劇現(xiàn)象。