三維編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料的高速?zèng)_擊響應(yīng)

朱丹 張青菊 劉勝凱

摘要：為了探究三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高速?zèng)_擊下應(yīng)變率效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，制備了碳纖維增強(qiáng)三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料，采用霍普金森壓桿（SHPB）系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)記錄了三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料在高速?zèng)_擊過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和漸進(jìn)損傷過(guò)程。結(jié)果表明：編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料在高速?zèng)_擊下都具有一定的應(yīng)變率效應(yīng)，并且都呈現(xiàn)剪切損傷，但編織復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯延性損傷而角聯(lián)鎖復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯脆性損傷。由于編織復(fù)合材料內(nèi)部纖維束交織緊密，損傷后仍能承受一定載荷并且結(jié)構(gòu)也能保持完整性，因此相較于三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料，三維編織復(fù)合材料具有更好的抗沖擊性能。

關(guān)鍵詞：三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；高速?zèng)_擊；結(jié)構(gòu)效應(yīng)；應(yīng)變率效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2023）02-0101-06

三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同于將纖維束按一定角度及順序鋪層后固化形成的層合板復(fù)合材料，它以三維織物作為增強(qiáng)相、在厚度方向上存在增強(qiáng)紗［1-3］。這種結(jié)構(gòu)能很好地克服層合板復(fù)合材料層間結(jié)合力差、容易出現(xiàn)分層破壞的缺陷，使三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性得到改善，抗面內(nèi)分層能力和斷裂韌性得到提高，且在動(dòng)態(tài)沖擊加載下具備較好的抗沖擊性能。三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在航空航天和軌道交通等沖擊防護(hù)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注［4］。

由于三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)不同，沖擊載荷下應(yīng)力波在復(fù)合材料中的傳播速率也會(huì)不同，這使得復(fù)合材料沖擊過(guò)程中的應(yīng)力分布在短時(shí)間內(nèi)不平衡，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料出現(xiàn)截然不同的沖擊響應(yīng)。Hu等［5］研究了不同結(jié)構(gòu)的三維編織復(fù)合材料沖擊行為發(fā)現(xiàn)小編織角復(fù)合材料相比大編織角復(fù)合材料有更高的面內(nèi)和橫向沖擊剛度，而大編織角復(fù)合材料有更高的抗橫向沖擊斷裂強(qiáng)度和沖擊剛度。Shi等［6］研究發(fā)現(xiàn)由于軸紗的存在，熱氧老化后三維五向編織復(fù)合材料比三維四向編織復(fù)合材料具有更強(qiáng)的抗沖擊性能。Baucom等［7］對(duì)比了二維平紋層壓結(jié)構(gòu)、三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu)和雙軸向經(jīng)編結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的低速?zèng)_擊性能，發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比于二維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的徑向傳播破壞程度要高，三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比另外兩種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具備更高的穿透阻力和沖擊能量吸收能力。Tang等［8］發(fā)現(xiàn)纖維與樹(shù)脂基體之間的脫粘及樹(shù)脂基體的裂紋擴(kuò)展是導(dǎo)致三維編織復(fù)合材料在爆炸沖擊下失效的主要因素，并且編織角對(duì)三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量影響顯著。

雖然碳纖維的力學(xué)行為不具備應(yīng)變率效應(yīng)，但由于復(fù)合材料的聚合物基體對(duì)應(yīng)變率敏感，使得碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料也會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)。眾多學(xué)者［9-12］對(duì)三維正交機(jī)織、角聯(lián)鎖機(jī)織、編織、多層多軸向經(jīng)編等三維織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，尤其在應(yīng)變率效應(yīng)這一方面，借助霍普金森桿（SHPB）試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊壓縮測(cè)試，系統(tǒng)地研究了多種織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)響應(yīng)。大量的研究結(jié)果表明，三維紡織復(fù)合材料具有應(yīng)變率效應(yīng)，甚至同種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在面內(nèi)方向和面外方向壓縮中也表現(xiàn)出

不同的應(yīng)變率敏感性。

盡管如此，三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高速?zèng)_擊加載中的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和破壞過(guò)程的實(shí)時(shí)表征研究［13］尚待深入。本文制備了三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料，在分離式霍普金森壓桿上對(duì)其進(jìn)行不同應(yīng)變率的高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，借助高速攝影相機(jī)實(shí)時(shí)記錄兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中的漸進(jìn)損

傷破壞過(guò)程，并結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，分析了三維紡織結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊響應(yīng)的應(yīng)變率效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料采用的碳纖維型號(hào)規(guī)格為日本東麗的T700-12K，樹(shù)脂基體和固化劑是產(chǎn)自常熟佳發(fā)公司，具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

采用四步法編織工藝來(lái)制備三維編織復(fù)合材料預(yù)成型體，采用的排紗數(shù)為11×11，制成的預(yù)成型體示意如圖1（a）所示。本實(shí)驗(yàn)使用的三維角聯(lián)鎖機(jī)織預(yù)成型體來(lái)自供應(yīng)商，結(jié)構(gòu)示意如圖1（b）所示，三維編織和角聯(lián)鎖預(yù)制體的基本參數(shù)如表2所示。

本文采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）來(lái)制備三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料。在0.1 MPa壓力下樹(shù)脂注入模具直至完全浸潤(rùn)預(yù)成型體，經(jīng)過(guò)固化后自然冷卻至室溫后取出切割備用，固化工藝如下：90℃下2 h；150℃下1 h；130℃下4 h。將固化好的三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料切割打磨成10 mm×10 mm大小試樣，試樣如圖1（c）和圖1（d）所示，圖中箭頭所指方向?yàn)樵嚇痈咚贈(zèng)_擊方向。此外，復(fù)合材料纖維體積含量是影響其性能的重要因素，為排除碳纖維含量的影響，選取的三維編織和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)都為33%。

本文采用改進(jìn)的分離式霍普金森壓桿（SHPB）系統(tǒng)作為材料高速?zèng)_擊性能測(cè)試裝置，SHPB包含高壓氮?dú)馄?、氣槍、撞擊桿、入射桿、透射桿、阻尼器以及信號(hào)采集裝置和處理系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓大小達(dá)到控制撞擊桿速度的目的，進(jìn)而得到不同的應(yīng)變率。撞擊桿、入射桿和透射桿均是由具有高屈服強(qiáng)度（1830 MPa）的馬氏體不銹鋼制造，以保證桿在沖擊過(guò)程中不發(fā)生塑性變形，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在進(jìn)行復(fù)合材料沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)輔以高速成像系統(tǒng)來(lái)記錄沖擊過(guò)程中復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷過(guò)程。高速成像系統(tǒng)包含一個(gè)高速攝像機(jī)（ispeed 716，iX公司）和兩個(gè)高亮光源，使用的幀率為100kHz，即每幀之間間隔為10 μs。

2結(jié)果與討論

2.1應(yīng)變率效應(yīng)

通過(guò)SHPB和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得三維編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料的面外方向在0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa沖擊氣壓（對(duì)應(yīng)應(yīng)變率為800 s-1、1 000 s-1、1 200 s-1）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。通過(guò)圖2（a）可以看出隨著應(yīng)變率增加，三維編織復(fù)合材料的沖擊模量逐漸增大，但復(fù)合材料的失效應(yīng)力（曲線(xiàn)峰值）相差不大。三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2（b）所示，隨著應(yīng)變率的增大，角聯(lián)鎖復(fù)合材料的模量幾乎沒(méi)有變化，但失效應(yīng)力隨著應(yīng)變率增大而增大。綜上三維編織復(fù)合材料和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)都具有一定的應(yīng)變率敏感性，但都不明顯，可能是應(yīng)變率相差不大導(dǎo)致應(yīng)變率效應(yīng)不明顯。

2.2結(jié)構(gòu)效應(yīng)

圖3分別是在不同應(yīng)變率下兩種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。在相同應(yīng)變率下，角聯(lián)鎖增強(qiáng)復(fù)合材料的最大壓縮應(yīng)力明顯都要高于三維編織增強(qiáng)復(fù)合材料；在相同的應(yīng)變下，角聯(lián)鎖機(jī)織的壓縮模量和應(yīng)力都高于編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這是由于在沖擊方向上，角聯(lián)鎖有垂直于沖擊方向排列的碳纖維束，導(dǎo)致相同應(yīng)變下復(fù)合材料的沖擊應(yīng)力明顯高于三維編織復(fù)合材料，并且也呈現(xiàn)明顯的脆性損傷。

對(duì)比三維編織復(fù)合材料和三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料失效后應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可知，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后，兩種復(fù)合材料的應(yīng)力曲線(xiàn)都出現(xiàn)了下降，表明試樣發(fā)生損傷。但三維編織復(fù)合材料未見(jiàn)明顯下降，試樣還可承受一定應(yīng)力，表現(xiàn)為塑性損傷，而三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料應(yīng)力迅速下降到零，表明試樣完全失效。因此相較于三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料，三維編織復(fù)合材料具有更好的抗沖擊損傷性能，并且三維編織復(fù)合材料比角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的形變程度要大。

2.3漸進(jìn)損傷過(guò)程

圖4是三維編織復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的漸進(jìn)損傷過(guò)程，其中40、100、140 μs和180 μs分別對(duì)應(yīng)彈性階段、損傷起始、損傷階段以及沖擊結(jié)束?？梢钥闯鲈诓煌瑧?yīng)變率下編織復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中都出現(xiàn)明顯的剪切帶，并且呈現(xiàn)明顯剪切損傷。隨著應(yīng)變率增加，編織復(fù)合材料的損傷也越嚴(yán)重，但所有應(yīng)變率下編織復(fù)合材料的沖擊損傷模式主要為樹(shù)脂基體的斷裂，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在一次沖擊結(jié)束時(shí)仍能保持完整性。

圖5是角聯(lián)鎖復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的漸進(jìn)損傷過(guò)程。與編織復(fù)合材料相似，在不同應(yīng)變率下角聯(lián)鎖復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中都出現(xiàn)明顯的剪切

帶，呈現(xiàn)明顯剪切損傷，并且隨著應(yīng)變率提高，角聯(lián)鎖復(fù)合材料的沖擊損傷越來(lái)越嚴(yán)重，但都無(wú)法保持結(jié)構(gòu)完整性，所有應(yīng)變率下角聯(lián)鎖復(fù)合材料的沖擊損傷模式主要為樹(shù)脂基體和纖維束斷裂。

通過(guò)對(duì)比三維機(jī)織和編織復(fù)合材料的破壞過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，在面外沖擊壓縮過(guò)程中，兩種復(fù)合材料都是發(fā)生剪切損傷。但由于三維編織結(jié)構(gòu)中紗線(xiàn)交織緊密，在受到?jīng)_擊時(shí)，紗線(xiàn)能夠承受較大沖擊應(yīng)力而保證結(jié)構(gòu)的完整性，所以三維編織復(fù)合材料損傷后仍有一定承載能力，而三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料在紗線(xiàn)斷裂后失去承載能力，應(yīng)力迅速下降。因此綜合損傷形貌和承載應(yīng)力而言，三維編織復(fù)合材料比三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料具有更好的抗沖擊性能。

3結(jié)論

本文采用分離式霍普金森壓桿分別測(cè)試了三維編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的面外沖擊性能，研究了兩種復(fù)合材料在沖擊過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)、損傷演化和失效模式，研究結(jié)論如下：

a）三維編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料的高速?zèng)_擊模量或失效應(yīng)力隨著應(yīng)變率增大而增大，都具有一定應(yīng)變率效應(yīng)，但由于應(yīng)變率變化較小，應(yīng)變率效應(yīng)表現(xiàn)不明顯。

b）三維編織和角聯(lián)鎖復(fù)合材料在高速?zèng)_擊下都呈現(xiàn)剪切失效，并且隨著應(yīng)變率提高，復(fù)合材料的剪切失效越來(lái)越嚴(yán)重。編織復(fù)合材料失效模式主要為基體斷裂，而角聯(lián)鎖復(fù)合材料失效模式為纖維束和基體斷裂。

c）三維編織復(fù)合材料由于內(nèi)部紗線(xiàn)緊密交織，使其呈現(xiàn)明顯延性損傷，而角聯(lián)鎖復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯脆性損傷特征，編織復(fù)合材料相較角聯(lián)鎖復(fù)合材料具有更好的抗沖擊性能。

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The high-speed impact response of three-dimensional braided and angle-interlock composites

ZHU Dan 1， ZHANG Qingju1， LIU Shengkai2

（1.Henan Institute of Product Quality Supervision and Inspection， Zhengzhou， 450042， China;

2.School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： Three-dimensional （3D） textile composites with three-dimensional fabrics as the reinforcing phase and the presence of reinforcing yarn in the thickness direction overcome the shortcomings of traditional laminated composites with poor interlaminar bonding and easy delamination damage， and have unique advantages such as high specific strength， high specific independence， excellent designability， impact resistance and fatigue fracture resistance. These materials are currently receiving increasing attention in the field of impact protection such as aerospace and rail transportation. However， the study of structural effects， strain rate effects and characterization of damage processes during high speed impact loading of 3D textile structural composites is still immature and needs to be further explored so as to design 3D textile structural composites with better impact resistance.

In order to investigate the strain rate effect and structural effect of three-dimensional textile structural composites under high-speed impact， we prepared the 3D braided and 3D angle-interlock carbon fiber-reinforced epoxy composites using vacuum-assisted resin transfer molding process. The stress-strain curves and progressive damage processes of 3D braided and 3D angle-interlock composites during high-speed impact were recorded by a modified separated Hopkinson compression bar system and high-speed photography system. On this basis， the article investigates the structural and strain rate effects of the high-speed impact performance the progressive damage process of 3D structural composites. The results show that both braided and angle-interlock composites have strain rate effect under high-speed impact， and both show shear damage， but the braided composites show obvious ductile damage while the angle-interlock composites show obvious brittle damage. Because of the tightly interwoven fiber bundles inside the braided composites， they can still withstand certain loads and maintain structural integrity after damage， so the 3D woven composites have better impact resistance than the 3D angle-interlock composites.

During high speed impact， there are obvious structural and strain rate effects on the high speed impact performance and the progressive damage behavior of 3D textile structure reinforced composites. Exploring the high speed impact response of different 3D textile structure composites can provide insight into the design of composite materials for aerospace and rail transportation， expand the application fields of 3D textile structure composites， and promote the development of material design for aerospace and rail transportation protection in China.

Keywords： three-dimensional braided composites; three-dimensional angle-interlock composites; high-speed impact; progressive damage; structural effect; strain-rate effect

收稿日期：20220514

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20220915

作者簡(jiǎn)介：朱丹（1981—），女，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事紡織服裝產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面的研究。

通信作者：劉勝凱，E-mail：liushengkai@tiangong.edu.cn