植物纖維金屬層合板的抗低速?zèng)_擊性能

趙藝橋， 于 濤， 郭逸純， 沈軼鷗

（同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092）

來(lái)源于農(nóng)業(yè)產(chǎn)物的植物纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量、吸音隔熱、環(huán)境友好等特點(diǎn)［1-2］，可用于制造結(jié)構(gòu)功能一體化的綠色內(nèi)飾結(jié)構(gòu).植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民機(jī)、汽車(chē)與建筑等領(lǐng)域均具有良好的發(fā)展前景［3-5］.但相比于人造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，較低的抗沖擊強(qiáng)度限制了其作為主承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用［6-8］.

纖維金屬層合板（FML）是金屬薄板和纖維增強(qiáng)樹(shù)脂預(yù)浸料交替鋪設(shè)后，在一定溫度和壓力下固化成型的層間混雜復(fù)合材料［9-10］.FML 具有密度小、沖擊性能好、疲勞壽命長(zhǎng)和損傷容限高等特征［11-12］.其在低速?zèng)_擊下的塑性變形十分明顯，更易于確定損傷發(fā)生的位置.已有研究表明以金屬為面板，劍麻纖維織物增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂為芯材的纖維金屬層合板的抗沖擊性能相比劍麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料提高了5 倍以上［13］.但是，由于采用了二次膠接的成型方式，其黏結(jié)性能較差［14］.因此，如果對(duì)金屬及纖維表面進(jìn)行改性，改善金屬與纖維層間界面性能，將顯著提升植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能［15-16］.

本研究主要針對(duì)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料韌性較低的問(wèn)題，采用亞麻纖維織物/鋁合金薄板層間混雜的方法，在不損傷亞麻纖維自身結(jié)構(gòu)和犧牲復(fù)合材料面內(nèi)性能的基礎(chǔ)上，從降低損傷面積、提升最大沖擊載荷及吸收能量等方面來(lái)改善復(fù)合材料的抗低速?zèng)_擊性能.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

植物纖維采用比利時(shí)LINEO 公司提供的單向亞麻纖維織物（面密度200 g/m2，厚度0.18 mm）；鋁合金薄板采用日本輕金屬株式會(huì)社生產(chǎn)的鋁合金Al2040-T3 薄板（密度2.7 g/cm3，厚度0.2 mm）；樹(shù)脂基體采用上海眾思實(shí)業(yè)有限公司提供的雙酚A 環(huán)氧樹(shù)脂體系（EP，牌號(hào)E-51，環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100∶80∶1）.

1.2 鋁合金薄板表面處理

首先使用鉆床對(duì)鋁合金薄板進(jìn)行鉆孔以增強(qiáng)樹(shù)脂在制備層合板過(guò)程中的流動(dòng)性，鉆孔孔徑1 mm，相鄰兩孔間隔25 mm.使用250 顆粒度的打磨機(jī)沿金屬軋制方向進(jìn)行打磨拋光；之后將其置于堿性溶液（30 g/L 氫氧化鈉水溶液以及30 g/L 碳酸鈉水溶液）中在60 ℃水浴中加熱1 min 進(jìn)行堿處理，取出后用蒸餾水沖洗并干燥；再將其放入400 g/L 硝酸水溶液中，在室溫下浸泡2～5 min 后取出，用蒸餾水沖洗，隨后浸入m（FeSO4）∶m（H2SO4）∶m（H2O）為15∶37∶48 的硫酸鐵水溶液中，在65 ℃下浸泡8 min后取出，用蒸餾水沖洗［17］；最后將鋁合金薄板浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硅烷偶聯(lián)劑（牌號(hào)為KH550）水溶液中10 min，取出后在100 ℃下干燥1 h 待用［18-19］.

1.3 復(fù)合材料的制備

采用熱壓成型工藝制備亞麻纖維鋁合金層合板（FFML），并在相同工藝下制備亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（FFRP）層合板作為參照組.制備前，將亞麻纖維織物放入烘箱中于100 ℃下烘4 h以去除水分.FFML與FFRP 的 鋪 層 分 別 為［Al/0°/90°/Al/90°/0°/Al］與［0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°］，鋪層后在90 ℃下保溫30 min，120 ℃下保溫2 h，具體鋪層與成型工藝詳見(jiàn)圖1.成型后的復(fù)合材料用銑床切割成70 mm×70 mm的方板，F(xiàn)FML與FFRP層合板的尺寸參數(shù)詳見(jiàn)表1.

表1 FFML 與FFRP 層合板的尺寸參數(shù)Table 1 Dimension parameters of FFML and FFRP laminate

圖1 FFML 與FFRP 層合板的鋪層與成型工藝示意圖Fig.1 Ply diagram and linear diagram of preparation of FFML and FFRP laminate

1.4 測(cè)試與表征

采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（Instron Ceast 9350）對(duì)FFML與FFRP層合板進(jìn)行低速?zèng)_擊測(cè)試.將試樣置于內(nèi)徑為50 mm的圓環(huán)形支撐之上，沖頭直徑為5 mm，沖擊能量為10 J.通過(guò)掃描電子顯微鏡（Zeiss，Ultra55）觀察試樣的表面形貌.

1.5 有限元模型

1.5.1 鋁合金的本構(gòu)模型

采用彈塑性模型對(duì)鋁合金的彈塑性行為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.其中，采用各向同性彈性和各向同性硬化模型分別描述鋁合金的彈性和塑性行為.對(duì)于本研究中使用的鋁合金Al2040-T3 薄板，其楊氏模量E=73.1 GPa，泊松比ν=0.34，其各向同性硬化參數(shù)詳見(jiàn)表2.采用初始損傷、漸進(jìn)損傷和最終破壞模型來(lái)模擬鋁合金的損傷和破壞.通過(guò)Abaqus 軟件提供的剪切破壞模型和拉伸破壞模型以及兩者的組合來(lái)模擬鋁合金的高應(yīng)變率變形.剪切破壞模型采用等效塑性應(yīng)變作為破壞準(zhǔn)則，拉伸破壞模型則采用靜壓作為破壞準(zhǔn)則.

表2 鋁合金Al2040-T3 薄板各向同性硬化參數(shù)Table 2 Isotropic hardening data for the Al2040-T3

1.5.2 FFRP 的本構(gòu)模型

采用能夠模擬各向異性材料初始損傷和損傷演化的Abaqus 模型對(duì)FFRP 的彈脆性行為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，包括張力下的纖維斷裂、壓縮時(shí)的纖維屈曲、橫向拉伸和剪切作用下的基體開(kāi)裂以及橫向壓縮和剪切下的基體破碎這4 種失效模式.FFRP 的線性損傷演化如圖2 所示，F(xiàn)FRP 的正交各向異性彈性參數(shù)詳見(jiàn)表3.表3 中：E表示彈性模量，ν表示泊松比，G表示剪切模量；下標(biāo)1 表示面內(nèi)材料主方向，2 表示面內(nèi)垂直于材料主方向，3 表示面外垂直于平面（1、2）方向.

表3 FFRP 正交各向異性彈性參數(shù)Table 3 Orthotropic elasticity data of FFRP

圖2 FFRP 的線性損傷演化Fig.2 Linear damage evolution of FFRP

1.5.3 有限元分析

采用Hashin 失效判據(jù)來(lái)反映材料損傷失效的過(guò)程.一般采用接觸算法和接觸對(duì)算法來(lái)模擬接觸和交互.為模擬沖擊下FFRP 與鋁合金之間的相互作用，定義了相鄰兩層之間的一般接觸相互作用，以及沖頭表面與各層中心節(jié)點(diǎn)集之間的面-面接觸對(duì)，其接觸均定義為線性函數(shù)的（軟化）接觸關(guān)系.表4 給出了用于沖頭與鋁合金層（pro-Al）、沖頭與亞麻纖維層（pro-FFRP）、鋁合金層與亞麻纖維層（Al-FFRP），以及亞麻纖維層間（FFRP-FFRP）的接觸相互作用特性.為了更精確地模擬沖擊破壞過(guò)程，本模型采用如圖3 所示的典型網(wǎng)格劃分方法.

表4 接觸相互作用特征Table 4 Contact interaction properties

圖3 典型網(wǎng)格劃分方法Fig.3 Typical mesh generation method

2 結(jié)果與討論

2.1 表面處理后鋁合金的表面形貌

圖4為鋁合金表面微觀形貌.由圖4可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一系列表面處理后，鋁合金的表面形貌發(fā)生了明顯改變，劃痕及表面的氧化鋁膜層被去除，酸處理使金屬表面形成了微米尺度的凹坑，這增加了金屬表面的粗糙度和比表面積，而硅烷處理使金屬表面的化學(xué)鍵發(fā)生了重構(gòu)，并與硅烷反應(yīng)形成薄膜包覆在金屬表面［20-21］.

圖4 鋁合金表面微觀形貌Fig.4 Microstructure of the Al alloy

圖5 為FFML 中鋁合金-亞麻纖維層界面形貌.由圖5 可見(jiàn)，鋁合金與環(huán)氧樹(shù)脂基體的界面粘接緊密，經(jīng)表面處理后，鋁合金與亞麻纖維層的界面處呈現(xiàn)出更加凹凸不平的特征，證明上述表面處理可有效增大鋁合金與樹(shù)脂基體的接觸面積，促進(jìn)樹(shù)脂進(jìn)一步浸潤(rùn)和改善層間界面性能.

圖5 FFML 中鋁合金-亞麻纖維層界面形貌Fig.5 Microstructure of Al-FFRP interface of FFML

2.2 FFML 的抗低速?zèng)_擊性能

圖6 為FFRP 層合板、未經(jīng)表面處理及經(jīng)表面處理后的FFML 在10 J沖擊能量下的典型沖擊載荷-位移曲線.沖擊后3 種層合板下表面和橫截面的損傷形貌見(jiàn)圖7.由圖6、7可以發(fā)現(xiàn)：3組試樣均發(fā)生了穿透性破壞，但FFRP 層合板與FFML 卻具有明顯不同的沖擊響應(yīng)；FFML 的剛度和最大沖擊載荷明顯高于FFRP 層合板，且經(jīng)表面處理后FFML 的剛度增大，證明對(duì)鋁合金的表面處理確實(shí)有效提升了層合板的界面性能，經(jīng)表面處理后FFML 最大沖擊載荷比FFRP 層合板最大沖擊載荷提升了136%；FFRP 層合板的沖擊載荷在達(dá)到初始損傷閾值后表現(xiàn)為急劇下降，這是由于在外力沖擊下層合板下表面纖維受到張力而發(fā)生斷裂所致；而FFML 由于引入了韌性較大的鋁合金層，在達(dá)到初始損傷閾值后，其沖擊載荷未有明顯下降，反而呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，直至發(fā)生穿透破壞.通過(guò)計(jì)算沖擊載荷-位移曲線下的面積得到層合板的吸收能量，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)表面處理后的FFML 除了具有最高的沖擊載荷外，其吸收能量也最多.由3 種層合板下表面的損傷形貌（圖7（a）～（c））可以看出，F(xiàn)FRP 層合板發(fā)生了大面積的沖擊損傷，而FFML 的損傷面積明顯小于FFRP 層合板.由3 種層合板沖擊損傷處的橫截面形貌（圖6（d）～（f））可以發(fā)現(xiàn)：FFRP 層合板表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂模式，如纖維斷裂、分層等，其整體變形較?。欢鳩FML 因含有韌性較好的鋁合金層，產(chǎn)生了較大的塑性變形并抑制了層合板的大面積損傷，延長(zhǎng)了沖擊響應(yīng)時(shí)間.另外，由圖7 還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面處理后的FFML 在沖擊損傷后未發(fā)生明顯的分層，而未經(jīng)表面處理的FFML 在沖擊損傷的位置有較大面積的分層現(xiàn)象.

圖6 3 種層合板在10 J 沖擊能量下的典型沖擊載荷-位移曲線Fig.6 Typical impact force-displacement curves of three type of laminates subjected to 10 J impact energy

圖7 沖擊后3 種層合板下表面和橫截面的損傷形貌Fig.7 Damage morphology for bottom and cross section of three type of laminates after impacting

圖8 總結(jié)了3 種層合板在10 J沖擊能量下的損傷面積（拉伸強(qiáng)度）及吸收能量（拉伸模量）.由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面處理后，F(xiàn)FML 的吸收能量明顯提升了58%，同時(shí)沖擊后的損傷面積下降了84%.雖然引入鋁合金會(huì)增加層合板質(zhì)量，但是在去除密度的影響之后（除以密度以得到體積的吸能比），經(jīng)表面處理后的FFML 吸收能量依然比FFRP 層合板高34%.

圖8 3 種層合板在10 J 沖擊能量下的損傷面積及吸收能量Fig.8 Damage area and absorbed energy of three type of laminates subjected to 10 J impact energy

表5 給出了經(jīng)表面處理后FFML 在10 J 沖擊能量下的性能，包括數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試的初始剛度（Ki）、最大沖擊載荷（Pmax）及吸收能量（Ea）.由表5 可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，證明有限元模型所使用的接觸參數(shù)能較為準(zhǔn)確地模擬出纖維金屬層合板的沖擊過(guò)程.

表5 經(jīng)表面處理后FFML 在10 J 沖擊能量下的性能Table 5 Performance of treated FFML subjected to 10 J impact energy

采用有限元模擬經(jīng)表面處理后FFML 在10 J 沖擊能量下的破壞形貌，見(jiàn)圖9.由圖9 可以看出，有限元模擬結(jié)果展現(xiàn)了經(jīng)表面處理后FFML 在10 J 沖擊能量下的破壞模式特征，層合板下表面的沖擊中心區(qū)域發(fā)生了局部塑形變形，其中鋁合金沿裂紋發(fā)生塑性變形，連同亞麻纖維層一起產(chǎn)生斷裂損傷.進(jìn)一步說(shuō)明韌性較高的金屬板夾層和表層能使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形以吸收更大的能量.

圖9 有限元模擬經(jīng)表面處理后FFML 在10 J 沖擊能量下的破壞形貌Fig.9 Simulation results of failure modes for treated FFML subjected to 10 J impact energy

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鋁合金進(jìn)行表面處理，增加了其比表面積，從而顯著提升了鋁合金與樹(shù)脂基體的界面結(jié)合能力，有效改善了其沖擊韌性較差的問(wèn)題.

（2）經(jīng)表面改性后，亞麻纖維鋁合金層合板的沖擊性能比亞麻纖維環(huán)氧樹(shù)脂層合板有明顯提高，最大沖擊載荷和吸收能量分別提升了136%、58%，且損傷面積下降了84%.

（3）亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂與鋁合金的層間混雜能夠大幅提升層合板的初始剛度、最大沖擊載荷及吸收能量，層合板的破壞模式也從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?