縫合鋪層碳/環氧復合材料動態壓縮性能實驗研究

李春昀，孫 穎，張典堂，王國軍，潘 寧，吳智磊

（1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.華銳風電科技（集團）股份有限公司，

北京 100000；3.美國加州大學 戴維斯分校，美國戴維斯市 95616）

縫合鋪層碳/環氧復合材料動態壓縮性能實驗研究

李春昀1，孫 穎1，張典堂1，王國軍2，潘 寧3，吳智磊1

（1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.華銳風電科技（集團）股份有限公司，

北京 100000；3.美國加州大學 戴維斯分校，美國戴維斯市 95616）

采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）動態測試系統對環氧樹脂E-51和縫合鋪層復合材料厚度方向的壓縮性能進行實驗研究，得到了不同應變率下的壓縮應力-應變關系和壓縮強度，并通過沖擊破壞形貌來探討材料的動態壓縮破壞模式.結果表明：環氧樹脂E-51是應變率相關材料，但其應變率敏感程度并不高；縫合鋪層碳/環氧復合材料厚度方向的應力-應變曲線對應變率是敏感的，隨著應變率的增加，最大應力增大，應變率在900 s-1比應變率在350 s-1的壓縮強度增加120%；破壞的主要原因是纖維和樹脂的分離以及纖維之間產生相對位移形成微裂紋，隨著載荷的增加和應力集中的作用，促使裂紋擴展導致材料破壞.

縫合；復合材料；動態壓縮性能；分離式霍普金森壓桿

碳纖維增強復合材料已被大量應用于航空、航天、國防軍工以及交通運輸、化工和建筑等領域.在這些應用領域中，該材料常經受高應變率加載載荷，因此，研究其在不同應變率載荷下的性能對結構設計就顯得尤為重要，尤其是在不同應變率的力學性能與試樣的幾何尺寸和織物結構密切相關.然而，常用的層合板復合材料具有各向異性、層間強度低、層間斷裂韌性差、沖擊損傷容限低等缺陷，許多輕質結構在應用中受到限制，但縫合技術的發展有效地提高了復合材料層間的性能[1].研究表明：在高應變率加載條件下，碳纖維增強復合材料的響應明顯區別于靜態.目前，對于碳纖維增強復合材料層合板厚度方向承受壓縮載荷的應變率效應是研究材料抗沖擊性能的基礎問題之一.在研究復合材料承載應變率效應方面，沿厚度方向引入縫合線是提高碳纖維復合材料層合板厚度方向動態性能的一種典型方式.譚柱華等[2]利用SHPB對碳/環氧三維四向編織復合材料進行動態壓縮實驗，得到了在應變率為900～1 500 s-1下的應力應變曲線，結果表明：該材料的壓縮強度和模量具有一定的應變率強化效應，表現出明顯的脆性.曹茂盛等[3]對鋪層方式為 [45/0/-45/0/-45/90/0]s的新型碳纖維/環氧樹脂復合材料在動態沖擊載荷作用下的動態壓縮力學性能研究，加載方向是層合板平面縱向和厚度方向，實驗結果表明：在高應變率范圍內，層合板的厚度方向失效應變以及動態壓縮強度要高于平面內的加載方向；在高應變率下的損傷及破壞模式表現出基體分層、開裂及剪切斷裂.Ochola等[4]研究了鋪層方式為[0/90]的碳纖維/環氧樹脂鋪層復合材料在應變率為10-4～103s-1之間的靜態、動態壓縮實驗，實驗結果表明：碳纖維/環氧樹脂鋪層復合材料的斷裂強度、失效模式和彈性模量都是應變率敏感的，說明該材料是應變率相關材料，低應變率加載時的失效模式是剪切失效和扭結，高應變率加載時的失效模式是試樣完全破壞.為了了解鋪層縫合碳纖維復合材料在中高應變率下的力學響應特性，本次實驗應用SHPB實驗技術分別對基體材料和碳纖維增強復合材料進行動態壓縮性能研究，探討其應變率的敏感性.

1 實驗部分

1.1 材料與試樣

本次實驗采用12 k碳纖維平紋布，見圖1.將裁好的平紋布鋪層，然后采用鎖式縫合將鋪層織物進行縫合，縫線采用3KT300碳纖維.鋪層織物結構參數如表1所示.

圖1 平紋布Fig.1 Plain weave cloth

表1 鋪層織物結構參數Tab.1 Ply fabric structure parameters

樹脂采用江蘇常熟佳發化學有限公司生產的環氧樹脂，牌號為JL237；使用改性酯環胺JH-0320作為環氧樹脂固化劑，實驗所用樹脂為環氧樹脂+固化劑以一定比例配制而成；采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝復合固化350 mm×250 mm×15 mm復合材料平板，纖維體積分數為57.1%；采用高壓（磨料）水射流切割加工方法制柱形動態壓縮試樣和20 mm×20 mm×15 mm長方體壓縮試樣，如圖2所示.

圖2 水切割試樣Fig.2 Water cutting sample

澆注體試樣的制備是將環氧樹脂E51加593固化劑按一定比例混合，將混合液攪拌均勻，然后在35℃的烘箱中預熱，繼續加熱3 h，冷卻后取出試樣，如圖3所示.

圖3 澆注體試樣Fig.3 Casting sample

1.2 實驗儀器及原理

Kolsky[5]發明的SHPB實驗裝置已成為研究各類材料動態力學性能的主要手段，典型的SHPB裝置簡圖如圖4所示.

SHPB實驗原理建立在2個基本假定基礎上：①壓桿的一維應力波假定；②試樣中的應力、應變沿其長度均勻分布假定.通過輸入桿和輸出桿記錄波形，利用一維應力波理論計算試樣的應變率、應變εs和應力σs：

式中：εr和εs分別是壓桿反射應變和透射應變；C0為波在彈性桿中的波速；ls是試樣初始長度；t為時間；E是壓桿的初始模量；A是壓桿橫截面積；As是試樣初始橫截面積.

采用中國科技大學研制的SHPB測試系統，通過改變氣炮壓力閥值控制撞擊桿的沖擊速度，進行不同應變率下的壓縮實驗，所有實驗重復進行3次.

圖4 分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置示意圖Fig.4 Device of split Hopkinson pressure bar

2 實驗結果

2.1 環氧樹脂E-51的動態壓縮性能

基體對于復合材料起到很重要的作用，它與增強材料組合成一個統一的整體，它的作用是均布載荷、傳遞載荷，決定著復合材料的許多重要性能[6].圖5所示為入射桿和透射桿上應變片記錄的典型波形圖.

圖5 應變片記錄的動態反應信號Fig.5 Record of dynamic response signal from strain gauge

由圖5可見，在0.5 MPa下，反射波在達到波峰后突然下降，這是由于材料發生嚴重破壞，入射桿與試樣分離，入射桿端面相當于自由面，后續的入射波被全部反射，反射波在“失效點”處被拉伸增大.同時，由透射波也可以看到材料的破壞，透射波的峰值表示材料承受的最大載荷.然后，材料在沖擊載荷作用下被破壞，從而失去承載能力，載荷急劇下降.觀察表明：入射波還在加載，反射波提前卸載，表明材料開始破壞失穩；在反射波的拐點處，沖擊載荷使材料達到其屈服強度.

圖6為環氧樹脂澆注體試樣在不同應變率下的應力-應變曲線.

圖6 在0.3 MPa、0.5 MPa下的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of 0.3 MPa and 0.5 MPa

由圖6可見，應變率從435 s-1增加到934 s-1，最大應力僅增加了9.6 MPa，而最大應力處所對應的應變卻降低了66.7%.圖7所示為在0.3 MPa和0.5 MPa下沖擊后的試樣.

圖7 SHPB實驗在0.3 MPa、0.5 MPa時沖擊后的試樣Fig.7 Sample of impact test under 0.3 MPa and 0.5 MPa in SHPB experiment

由圖7可見，在0.3 MPa的沖擊載荷下，試樣雖完整但產生裂紋；在0.5 MPa下應力集中在試樣中心，達到屈服強度后破壞成多個碎塊.

以上實驗結果表明：環氧樹脂是應變率相關材料，盡管其最大應力隨著應變率的增加而增加，但增幅并不大，因此可知環氧樹脂E-51澆注體的應變率敏感程度并不高.

2.2 縫合鋪層復合材料動態壓縮性能

圖8所示為0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的氣壓下的應力-應變曲線.

圖8 在0.5、0.8、1.0 MPa的荷載時的應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa

由圖8可見，復合材料在不同應變率下所對應的最大破壞強度分別為 313.4 MPa、584.5 MPa、689.9 MPa，在動態載荷下，復合材料的動態壓縮強度有著很明顯變化，壓縮強度從313.4 MPa提高到689.9 MPa，增加了120%，表明碳纖維鋪層復合材料的壓縮強度具有明顯的應變率效應，且最大應力隨著應變率的增大而增大.由此說明碳纖維層合復合材料的動態壓縮是應變率敏感的.

圖9所示為在0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的沖擊荷載下，試樣在動態壓縮下的表觀形態.

圖9 SHPB實驗在0.5MPa、0.8MPa、1.0MPa時沖擊后的試樣Fig.9 Sample of impact test under 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa in SHPB experiment

由圖9可見：在0.5 MPa的沖擊荷載下，試樣沒有發生破壞，由應力波形圖中的沒有出現拐點也可得出以上結論；在0.8 MPa的沖擊荷載下，發現試樣加載面表層發生破壞，但整體并沒有破裂，僅在試樣表層出現基體開裂，表層纖維嚴重損傷，碳纖維束和樹脂基體粉碎成大小不等的碎片形狀，長短不等的碳纖維束清晰可見；在1.0 MPa下的沖擊載荷下，材料完全破壞成大小不等的碎塊，碎塊的尺寸大小不等，較大的碎塊斷面呈現明顯的階梯狀，具有明顯的劈裂特性，較小的碎片由基體碳纖維束和復合材料碎片組成，在斷裂面上還可以看到基體碎屑和碳纖維束.

3 結論

利用分離式霍普金森壓桿動態測試系統裝置在不同應變率下進行壓縮力學性能測試，可以得出以下結論：

（1）環氧樹脂E-51是應變率相關材料，然而本身的敏感程度不高.

（2）鋪層縫合碳/環氧復合材料的應力-應變曲線對應變率是敏感的，隨著應變率的增加，最大應力也增大，應變率在900 s-1比應變率在350 s-1的壓縮強度增加120%左右.

（3）從破壞模式上進行分析，縫合鋪層復合材料只產生微裂紋、樹脂裂紋等，而隨著載荷的增加、應力作用的集中，試樣材料破壞成大小不等的碎塊.破壞的主要原因是纖維和樹脂的分離以及纖維之間產生相對位移形成微裂紋，隨著載荷的增加，應力作用的集中，促使裂紋擴展導致材料破壞.在動態載荷下破壞產生的碎片斷面有明顯的劈裂臺階，表示它在損傷過程中有更多的微裂紋形成，這減輕了局部的應力集中，消耗了更多的能量，從而使復合材料的承載能力得以改善，提高了復合材料在動態載荷下的壓縮強度.

[1] 矯桂瓊，寧榮昌，盧智先.層間增韌復合材料研究[J].宇航材料工藝，2001（4）：36-39.

[2] 譚柱華，龐寶君，賈斌，等.三維四向編織復合材料動態壓縮性能實驗研究[J].工程力學，2008，25（9）：209-213.

[3] 曹茂盛，周偉，雷義龍，等.壓縮載荷下碳/環氧復合材料的動力學響應行為[J].材料工程，2008（4）：15-18.

[4]OCHOLA R O，MARCUS K，NURICK G N，et al.Mechanical behaviour of glass and carbon fiber reinforced composites at varying strain rates[J].Composite Structures，2004，63（3/4）：455-467.

[5] KOLSKY H.An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading[J].Proceedings of the Physical Society of Section B，1949，62（11）：676-700.

[6] 孫曼靈，周希真.高分子材料學[M].西安：西北工業大學出版社，1988.

Study on dynamic compressive behavior of stitched carbon/epoxy composite laminates

LI Chun-yun1，SUN Ying1，ZHANG Dian-tang1，WANG Guo-jun2，PAN Ning3，WU Zhi-lei1
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Sinovel Wind Group Co Ltd，Beijing 100000，China；3.University of California，Davis，California，95616，USA）

The compressive behavior of the epoxy E-51 and stitched carbon/epoxy composite laminates were studied in the thickness direction by adopting the split Hopkinson pressure bar(SHPB)dynamic testing system,and the stressstrain relationship and compressive strength under different strain rates were obtained.And the dynamic compression destroy mode of the materials was discussed on the basis of impact damage morphology.The results show that the epoxy E-51 is strain rate related materials,but the sensitivity to strain rate is not high.The stress-strain curves of the carbon/epoxy composite materials in the thickness direction are sensitive to strain rate.The maximum stress increases with strain rate,and the compressive strength corresponding to strain rate at 900 s-1increases by 120%,comparing with strain rate at 350 s-1.The separation between fiber and resin,fiber and fiber is the main reason that leads to the microscopic cracks,which propagated due to the increase of load and stress concentration,and eventually leading to the damage of the composite materials.

stitch；composite materials；dynamic compressive behavior；split Hopkinson pressure bar

TB332

：A

：1671-024X（2013）01-0001-04

2012-08-24

：國家自然基金青年基金項目（11102133）

李春昀（1988—），男，碩士研究生.

孫 穎（1974—），女，教授，碩士生導師.E-mail：sunying@tjpu.edu.cn