織物剪切對盔殼復(fù)合材料彎曲性能的影響研究

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料； 頭盔殼體； 剪切角； 彎曲剛度； 緯編雙軸向織物

頭盔的主體結(jié)構(gòu)是由外部殼體以及襯墊組成，通過彼此間的協(xié)調(diào)作用來保證整體的安全性和舒適性。雖然頭盔殼體在安全性方面發(fā)揮著重要作用，但當(dāng)殼體的剛度和強(qiáng)度足以抵抗過度的變形和斷裂后，殼體剛度和強(qiáng)度的再度提高無法明顯改善頭部在遭受沖擊時(shí)的損傷狀況[1-2]。因此，在滿足安全性的條件下，利用復(fù)合材料各向異性的特征，仍有一定的空間對頭盔殼體進(jìn)行舒適性優(yōu)化。

頭盔殼體屬于復(fù)雜曲面的薄殼結(jié)構(gòu)，由于其應(yīng)用特點(diǎn)及厚度限制，表面需要平整光滑，且難以采用加強(qiáng)筋、格柵及夾芯等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)[3-5]。因此，頭盔殼體的性能主要依賴于薄殼本身。殼體所選用的材料在保證安全性的同時(shí)還需要盡可能地減輕重量（質(zhì)量），因?yàn)閼?zhàn)機(jī)在急轉(zhuǎn)彎或速度急劇提升時(shí)，飛行員身體承受巨大的過載，頭盔所帶來的重量會增加到幾倍之多，重量的小幅度增加都會對飛行員的頸部帶來沉重的負(fù)擔(dān)[6]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高，符合航空航天材料高強(qiáng)度以及輕量化的需求，其中民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量占比已超過50%[7]。在應(yīng)用于頭盔殼體的復(fù)合材料中，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料占據(jù)重要地位，碳纖維和芳綸纖維等高性能纖維常被制作為織物結(jié)構(gòu)，用作制備頭盔殼體復(fù)合材料的預(yù)制件。二維織物結(jié)構(gòu)在頭盔殼體的預(yù)制件中應(yīng)用最為廣泛，其中二維機(jī)織物纖維排列緊密，可提高頭盔殼體的纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)而減少殼體重量。同時(shí)，機(jī)織物在編織過程中對紗線的強(qiáng)力損傷小，可以更大程度地發(fā)揮高性能纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢，方平結(jié)構(gòu)和平紋結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料頭盔殼體預(yù)制件中使用最多的織物結(jié)構(gòu)[8]。但二維機(jī)織物的變形能力較差，通常將織物裁剪后拼接成頭盔殼體的形狀，不僅工藝復(fù)雜而且會造成材料的浪費(fèi)。二維針織物可以實(shí)現(xiàn)一塊織物整體成形，但結(jié)構(gòu)松散，織物密度較小，織造過程對纖維損傷大，制作的頭盔殼體剛度不足。同時(shí)，二維織物制作的頭盔殼體因采用鋪層方式而導(dǎo)致層間結(jié)合強(qiáng)度低，具有一定厚度的三維織物可較好地解決這一問題。三維織物在厚度方向上通過捆綁紗加強(qiáng)了層間連接，減少了經(jīng)緯紗之間的交織，變形時(shí)摩擦力更小，提高了變形能力。三維織物由于出色的成形性，制作頭盔殼體時(shí)多采用一體成形的方式，操作簡單快捷并且具備突出的抗沖擊性能[9-11]。緯編雙軸向多層襯紗（MBWK）織物由綁縛紗和襯紗系統(tǒng)組成，其特點(diǎn)是襯紗處于平直狀態(tài)，可編織柔韌性較差的高性能纖維[12-13]，處于無屈曲狀態(tài)下的纖維束，強(qiáng)力利用率可達(dá)90%以上[14]。同時(shí)，襯紗具有較大的滑動范圍，各個(gè)方向擁有優(yōu)異的延伸性，作為頭盔殼體預(yù)制件成形性突出[15]。但織物在一體成形過程中出現(xiàn)的較大變形，會在殼體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響頭盔殼體尺寸穩(wěn)定性[16-17]。

Mitchell 等[18]研究了不同剪切角的玻璃纖維平紋織物復(fù)合材料板的彎曲剛度，發(fā)現(xiàn)在緯紗方向（纖維被剪切的方向）上的剛度隨著剪切角的增加而增加。然而，在垂直于緯紗的方向上，剛度在較小的剪切角范圍內(nèi)（20°）是下降趨勢，剪切角較大時(shí)剛度回升，并通過數(shù)值研究確定了纖維的重新定向和隨剪切引起的厚度變化是影響板彎曲剛度的重要因素[19]?？椢镆云矫鎯?nèi)剪切變形與剪切收縮的相互作用完成殼體曲面成形[20]，成形效果受織物的剪切剛度與彎曲剛度的影響[21]。由于織物發(fā)生變形，殼體不同位置的纖維分布不一致[22]，導(dǎo)致殼體各部位的性能也存在差異[23-24]。Marouene 等[25-26]通過改變復(fù)合材料板材內(nèi)部的纖維分布狀態(tài)，所制作的兩種變剛度板材在預(yù)屈曲剛度、屈曲載荷和破壞載荷方面分別提高了35%、19%和44%。在圓柱殼體中改變部分的纖維鋪設(shè)角度后能夠降低對初始幾何缺陷的敏感性，并在壓縮過程中破壞區(qū)域較小。同樣，Labans 等[27]對圓柱殼體中的占比50%的纖維層進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)18.5%的屈曲載荷提升。因此，通過改變復(fù)合材料內(nèi)部纖維的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可以在一定范圍內(nèi)優(yōu)化材料力學(xué)性能[28-29]。MBWK織物因其結(jié)構(gòu)特征纖維束有充足的變形空間，其結(jié)構(gòu)存在很大的設(shè)計(jì)潛力。頭盔殼體在彈性范圍內(nèi)形狀發(fā)生變化時(shí)，主要是由殼體不同部位產(chǎn)生彎曲變形后協(xié)同作用的結(jié)果。因此，了解織物作為預(yù)制件成形頭盔殼體時(shí)的變形行為，以及復(fù)合材料內(nèi)部織物狀態(tài)對彎曲性能的影響，可以更好地促進(jìn)頭盔殼體設(shè)計(jì)制造的發(fā)展。

本文為探究織物剪切角對盔殼用復(fù)合材料彎曲性能的影響，采用劃區(qū)域方法研究了緯編雙軸向織物成形頭盔殼體時(shí)的剪切變形行為，并選出了42°、50°、61°、68°、75°、82°和88°共7 個(gè)夾角制作復(fù)合材料板材。通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測定了不同試樣的彎曲性能得到不同剪切角度下復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。利用超景深顯微鏡觀察試樣破壞形貌，比較不同剪切變形下復(fù)合材料損傷狀態(tài)，分析剪切角度對復(fù)合材料彎曲性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 織物在盔殼不同位置的剪切變化

1.1.1 劃區(qū)域分析

采用將整塊織物鋪覆在盔殼模型表面的方法，模擬頭盔殼體內(nèi)部的織物變形狀態(tài)。通過劃區(qū)域方法，將未變形的織物劃分出若干個(gè)方形區(qū)域，織物成形后方形區(qū)域形狀的變化可以反映織物的變形行為。同時(shí)，可以將頭盔殼體劃分出不同的區(qū)域，便于分析盔殼不同位置的織物剪切程度。

織物的區(qū)域劃分和成形如圖1 所示，將緯編雙軸向織物鋪平后劃分為沿緯紗對稱的兩部分，在一側(cè)區(qū)域畫出網(wǎng)格線，為便于觀察網(wǎng)格形狀變化和區(qū)域內(nèi)剪切角測量，將每個(gè)區(qū)域大小設(shè)定為5cm×5cm?？椢锊捎脤ΨQ鋪覆的方式，保證織物對稱線與頭盔中心線重合，成形過程中兩側(cè)變形對稱。在鋪覆完成并確?？椢餆o褶皺之后，采用真空袋法將織物壓實(shí)以更加貼近盔殼的形狀。

1.1.2 代表性角度的選擇

將緯編雙軸向織物經(jīng)緯紗之間夾角的余角作為剪切角，剪切角的大小反映了織物的變形程度。測量織物成形后各個(gè)區(qū)域的紗線夾角，將變形結(jié)果進(jìn)行整理，以5°的剪切角變化范圍將所有測量數(shù)據(jù)分為7 組，分別取每組紗線夾角的平均值作為代表性角度，見表1。選擇出的7 個(gè)角度接近織物在頭盔殼體內(nèi)部最普遍存在的剪切狀態(tài)，接下來將作為復(fù)合材料板材的制備參數(shù)。

1.2 彎曲試驗(yàn)

1.2.1 材料

試驗(yàn)中所選用的芳綸緯編雙軸向織物的面密度為800g/m2，芳綸纖維為Kevlar-49，由美國杜邦公司生產(chǎn)，材料性能見表2；E51 環(huán)氧樹脂AB組分，由南通星辰合成材料有限公司提供，材料性能見表3（表中1kgf≈9.8N）。

1.2.2 樣品制備與測試

緯編雙軸向織物作為預(yù)制件制作復(fù)合材料，其中添加相應(yīng)的剪切變形為制備的關(guān)鍵，織物預(yù)設(shè)的剪切變形程度依照表1 選定的角度。采用真空輔助樹脂傳遞法，制備流程如圖2 所示。在本文試驗(yàn)中依照選定的角度制作出7 組復(fù)合材料板材。

參照GB/T 1449—2005[30《] 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，將板材沿緯紗方向切割為60mm×15mm的長條狀試樣，厚度為1.5mm，每種參數(shù)下準(zhǔn)備5 個(gè)樣品。采用三點(diǎn)彎曲測試方法，使用Instron5969 萬能材料試驗(yàn)機(jī)對材料的彎曲性能進(jìn)行測試，其中彎曲試樣跨厚比為16∶1，壓頭的速率為2mm/min，壓頭半徑為5mm，彎曲試驗(yàn)如圖3 所示。為探究材料經(jīng)過三點(diǎn)彎曲后的損傷狀態(tài)和破壞模式，使用超景深電子顯微鏡（VH-Z500R）觀察試樣表面形貌并作圖像記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 剪切角變化分析

織物在頭盔不同區(qū)域的紗線夾角測出后，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系得出剪切角，并按照表1 中的匯總結(jié)果，將織物剪切角變化在5°范圍內(nèi)的區(qū)域用同一顏色標(biāo)識。頭盔不同區(qū)域的織物剪切角如圖4 所示，可以看到頭盔頂部中心線附近織物變形較小，在中心線方向呈現(xiàn)出中部向邊緣變形逐漸加劇的特點(diǎn)。這與對稱鋪覆的成形方式相對應(yīng)，中心線附近為織物覆合曲面的起始位置，織物剪切變化較小。紅色線為織物剪切方向發(fā)生變化的分界線，可以看到分界線兩邊織物的剪切方向大致是對稱的?？椢镅胤纸缇€方向的變形呈現(xiàn)出由頂部向兩耳處收縮逐漸變大的現(xiàn)象，分界線附近織物的剪切變形相對較小。

根據(jù)織物對稱鋪覆的成形方式，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以推測出織物在整個(gè)頭盔的變形行為?？椢镆灶^盔頂部為中心作為剪切變化的初始區(qū)域，剪切變形從中心向四周增大，在帽檐與臉頰側(cè)相交的區(qū)域以及頭盔后方兩側(cè)的邊緣區(qū)域剪切變形嚴(yán)重，最大剪切角為51°。在頭盔頂部中心線以及剪切方向發(fā)生變化的分界線兩側(cè)，織物的剪切方向呈現(xiàn)出對稱性。因此，在這兩條線附近的區(qū)域剪切變形較小，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域剪切變形較大，在中心線與分界線角對稱線方向的最遠(yuǎn)處，剪切變形最大。這是由于在成形過程中織物的剪切變形有向角對稱線方向匯聚的趨勢，在角對稱線附近的區(qū)域傾向于發(fā)生起皺，因此需要更大的收縮變形來保證鋪覆表面平整。

2.2 彎曲結(jié)果分析

不同參數(shù)試樣經(jīng)三點(diǎn)彎曲后得到如圖5 所示的載荷位移曲線，測試過程中試樣并未發(fā)生脆性斷裂，載荷隨撓度的增加而增加，最終穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)。在彈性范圍內(nèi)，每個(gè)參數(shù)下的曲線保持線性狀態(tài)，斜率基本一致。由于內(nèi)部缺陷的差異，發(fā)生塑性變形后每個(gè)試樣的破壞程度不同，曲線發(fā)生分散，但整體趨勢一致。對比不同剪切角度下的載荷位移曲線，初始斜率和最大載荷產(chǎn)生了變化，為更好地分析剪切角度對復(fù)合材料彎曲性能的影響，通過式（1）和式（2）計(jì)算出不同剪切角度下復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量

式中，ε為應(yīng)變；S為跨距終點(diǎn)處的撓度。

根據(jù)以上分析可知，緯編雙軸向織物可剪切變形的范圍為0°～50°，織物在不同紗線夾角下制作的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量如圖6 和圖7 所示。隨剪切變形的加劇，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢。在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，紗線之間的角度為42°時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量同時(shí)出現(xiàn)最大值。緯編雙軸向織物發(fā)生剪切變形時(shí)，由于捆綁紗的zfX54fybo0COCQVCTckMFZPsxW89Z+GNNeb9GB8WU+4=束縛作用，在達(dá)到一定的剪切角度后，纖維束會收緊，織物在厚度方向上增加，密度變大。因此，當(dāng)剪切變形增大時(shí)，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)上升。同時(shí)，剪切變形發(fā)生時(shí)，纖維束以及捆綁紗的結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變，影響到彎曲變形時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部紗線的受力狀況?？椢锕踩龑右r紗，兩層緯紗的方向平行，中間層的經(jīng)紗與緯紗呈一定角度。彎曲變形時(shí)上層緯紗受到壓縮作用，在變形中心的紗線受到擠壓作用。下層緯紗受到拉伸作用，同樣在變形中心的紗線受到最大拉伸力。受織物結(jié)構(gòu)影響，在與經(jīng)紗垂直的方向上施加彎曲變形需要的力最小。因?yàn)檫@個(gè)方向上中間層的紗線無法很好地抵抗外力，并且樹脂與纖維的界面是最易受損失效區(qū)域。隨著剪切變形的增加，中間層的經(jīng)紗逐漸向緯紗方向靠攏。試樣彎曲時(shí)，一方面經(jīng)紗可以更好地承擔(dān)外力，紗線與樹脂的界面擴(kuò)大，抵抗損傷能力變強(qiáng)。另一方面，隨變形增加受力系統(tǒng)逐漸向垂直于經(jīng)紗的方向偏移，緯紗的受力狀態(tài)發(fā)生變化，承載能力下降。因此，復(fù)合材料彎曲性能的變化是紗線結(jié)構(gòu)與纖維體積分?jǐn)?shù)相互作用的結(jié)果，從圖6 和圖7 中可以看到，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量分別在經(jīng)緯紗夾角為61°和68°時(shí)降到最小值。因此可以推斷出，當(dāng)織物增強(qiáng)體的剪切角為20°～30°時(shí)，會使復(fù)合材料的彎曲性能降至最低。對比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的彎曲模量會對剪切角度的變化更為敏感，織物增強(qiáng)體的剪切角在10°以內(nèi)時(shí)，彎曲模量與剪切變形之間呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)剪切角為10°～20°時(shí)，彎曲模量會迅速降至最小值，在20°～50°的范圍內(nèi)逐步回升。相對而言，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度受剪切變形的影響較小，當(dāng)織物增強(qiáng)體的剪切角為20°～30°時(shí)，會降低復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度；在其他剪切變形范圍內(nèi)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的變化并不顯著。

總的來講，復(fù)合材料的彎曲模量相比彎曲強(qiáng)度而言，受剪切角變化的影響更為顯著，剪切角為20°～30°時(shí)，會降低復(fù)合材料的彎曲性能；織物增強(qiáng)體的剪切角在20°左右時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量降至最低；剪切角在30°左右時(shí)，彎曲強(qiáng)度會降至最低；剪切角在50°左右時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量同時(shí)達(dá)到最高。

2.3 彎曲形貌分析

復(fù)合材料試樣經(jīng)過三點(diǎn)彎曲后在中部區(qū)域產(chǎn)生了明顯的損傷，試樣彎曲破壞形貌如圖8 所示。結(jié)合上表面損傷形貌（見圖8（a））和側(cè)面（見圖8（c）），可以看到試樣上表面局部纖維束產(chǎn)生了凸起，表明復(fù)合材料上表面的緯紗層受到了壓縮，在變形中心的紗線受到擠壓作用。從放大圖中可以看到，纖維束與樹脂之間產(chǎn)生了分層現(xiàn)象，紗線與樹脂連接的界面受損嚴(yán)重。對比不同紗線夾角下的試樣，可以發(fā)現(xiàn)剪切變形較大的試樣破壞范圍從中心向邊緣處擴(kuò)大（見圖9（a）～圖9（g）），說明紗線角度的變化改變了彎曲時(shí)的受力狀態(tài)。在上層受到壓縮時(shí)損傷區(qū)域向試樣邊緣處擴(kuò)散，說明剪切變形較大時(shí)中心處有更大的面積去承擔(dān)載荷。當(dāng)剪切變形較小時(shí)，試樣發(fā)生損傷的區(qū)域較為整齊，并且破壞程度較小，說明剪切變形較小時(shí)織物結(jié)構(gòu)對力的分散作用小。觀察試樣的下表面（見圖8（b））可以發(fā)現(xiàn)，沿捆綁紗產(chǎn)生較為明顯的損傷，從放大圖中可以看到捆綁紗處的樹脂出現(xiàn)了裂紋，并且沿纖維束方向，樹脂出現(xiàn)拉伸損傷的痕跡，說明復(fù)合材料下表面在彎曲過程中受到了拉伸作用。對比不同紗線夾角下的試樣（見圖10（a）～圖10（g）），下表面整體受損情況弱于上表面，易于觀察到的損傷發(fā)生在捆綁紗附近的區(qū)域。隨剪切變形的增加，彎曲變形時(shí)試樣受力系統(tǒng)也逐漸變化，因此上表面受損區(qū)域總是沿最弱的經(jīng)紗方向，體現(xiàn)在下表面受損區(qū)域沿捆綁紗方向。同時(shí)，受力狀態(tài)的變化引起纖維束之間傾向于發(fā)生剪切，捆綁紗起到束縛作用抵抗變形，易于發(fā)生界面受損。因纖維具有很強(qiáng)的抗拉伸性能，并且試樣較薄，只能明顯觀察到樹脂的破壞，而纖維的損傷較小。圖9 和圖10 中都可以觀察到織物隨剪切變形的增大，捆綁紗收緊，纖維束寬度減小，纖維束之間的間距縮短，試樣在同等寬度下纖維束數(shù)量增加，纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸提高。

復(fù)合材料在彎曲過程中，試樣上表面主要的損傷形式為纖維束局部凸起產(chǎn)生分層，下表面主要表現(xiàn)為樹脂的損傷，與捆綁紗結(jié)合的樹脂產(chǎn)生裂痕，與纖維束結(jié)合的樹脂產(chǎn)生拉伸損傷的痕跡；隨剪切變形的增加，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)提高，當(dāng)剪切變形較大時(shí)，受纖維束內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，可在復(fù)合材料上表面受到壓縮作用時(shí)將受力向更大的區(qū)域分散。

3 結(jié)論

本文通過區(qū)域劃分的方法，觀察織物在成形頭盔殼體后的剪切變形，根據(jù)變形結(jié)果制備出不同紗線夾角的復(fù)合材料薄板，結(jié)合彎曲測試結(jié)果與損傷形貌，分析剪切變形對復(fù)合材料彎曲性能的影響。通過研究，得到以下結(jié)論：

（1）芳綸緯編雙軸向復(fù)合材料的彎曲模量受剪切變形的影響較大，織物增強(qiáng)體的剪切角為0°～ 10°時(shí)，彎曲模量呈上升趨勢，在10°～ 20°的范圍內(nèi)迅速降至最低，隨后在20°～ 50°的范圍內(nèi)逐步回升；復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度受剪切變形影響較小，當(dāng)剪切變形為20°～ 30°時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度相對較低，在其他角度范圍內(nèi)強(qiáng)度變化不明顯。

（2）試樣經(jīng)三點(diǎn)彎曲后，上表面受損較為明顯，表現(xiàn)為局部纖維束的凸起，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。在剪切角度較大時(shí)，上表面的損傷區(qū)域從中心向邊緣處擴(kuò)大；在試樣下表面，捆綁紗周圍的樹脂產(chǎn)生裂紋，并且沿纖維束方向出現(xiàn)拉伸損傷的痕跡。