二維三軸向編織混雜層合復合材料的沖擊性能

王文莎， 閻建華， 顧海麟

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201600； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201600；3. 東華大學 研究院， 上海 201600； 4. 上海汽車集團股份有限公司， 上海 201600)

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二維三軸向編織混雜層合復合材料的沖擊性能

王文莎1,2， 閻建華3， 顧海麟4

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201600； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201600；3. 東華大學 研究院， 上海 201600； 4. 上海汽車集團股份有限公司， 上海 201600)

為探討混雜結構與破壞機制關系，本文研究了在鋪層數目相同時，4組二維三軸向編織碳纖維/玻璃纖維混雜層合復合材料受到低速沖擊后的沖擊性能。實驗結果表明：編織混雜層合復合材料受沖擊后表面產生的裂紋均比純碳纖維或純玻璃纖維編織層合復合材料多，且正面裂紋縱向擴展范圍較大，背面裂紋橫向擴展范圍較大；碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織層合復合材料單位厚度吸收的能量比純碳纖維編織層合復合材料提高7.61%；玻璃纖維+碳纖維+玻璃纖維編織層合復合材料單位厚度吸收的能量比純玻璃纖維編織片層合復合材料提高2.21%；混雜層合復合材料受沖擊后在厚度方向產生的損傷擴展較少；層合復合材料在低速沖擊作用下不易分層，通過合適的鋪層方式及纖維組合能夠實現正的混雜效應，并能有效改善材料的抗沖擊性能。

二維三軸向編織； 層合復合材料； 混雜鋪層； 裂紋； 吸收能量； 沖擊性能

復合材料既是材料也是結構[1]，而通過編織技術可制造出先進的復合材料[2-3]。二維編織復合材料具有比強度高、比模量大、可設計性好、抗沖擊、耐疲勞、整體結構性能好等諸多優點，作為一種富有潛力的輕質結構材料，編織復合材料有望在航空航天及工業等領域作為主承力結構件得到更為廣泛的應用。

混雜纖維復合材料是由2種及2種以上的纖維增強同一種基體而制得，是一種新型強韌性結構材料，不僅可降低成本，還可通過混雜效應增強各組分的性能[4]。混雜復合材料可實現結構設計與材料設計的統一性，為復合材料功能化的發展提供了基礎；混雜復合材料可擴大構件設計的自由度與工藝實現的可能性，更易達到設計要求；混雜復合材料能夠提高與改善復合材料的某些性能，如在某復合材料中用15%玻璃纖維與碳纖維進行混雜,則其沖擊韌性可得到改善,沖擊強度可提高2～3倍[5]。

目前關于單向層合復合材料以及三維整體編織復合材料的沖擊性能研究，國內外學者已開展了大量研究，如張宏偉[6]分析探討了沖擊能量、層合板厚度和鋪層順序等因素對復合材料層合板損傷的影響規律，文獻[7]首次提出分層受到厚度方向壓縮性能的制約，楊靈敏等[8]指出不同編織結構對沖擊響應不同，并且未穿透情況下,三維編織復合材料低速沖擊的主要失效模式包括基體開裂和纖維斷裂。

但對于混雜編織層合復合材料的沖擊性能研究較少，混雜后的力學性能研究尚顯不足。混雜編織層合復合材料不僅可實現混雜作用，提高復合材料力學性能，也比一般的層合板復合材料具有更加優異的性能，因此本文主要研究混雜編織層合復合材料的沖擊性能，進而探討混雜結構與破壞機制關系，為其在航空航天等領域的應用力學研究提供一定的設計依據和理論參考。

1 試 驗

1.1 試樣材料和參數

本文所選用的增強纖維為碳纖維和玻璃纖維。碳纖維為東麗公司生產的T700S，纖維束規格為12 K。玻璃纖維為浙江巨石集團生產的398 E6玻璃纖維，纖維束規格為1 200 tex。采用的樹脂是由常熟佳發化學有限責任公司生產的環氧樹脂固化劑，代號為JC-02AB。纖維的具體性能參數如表1所示。

表1 增強纖維的性能參數

表2示出試樣的體積含量和工藝參數。表中：試樣列中字母A、B、C、D分別代表層合結構的種類，數字代表試驗順序；編織角為測量所得編織片的表面編織角,分3種，即沖擊面編織片/中間層編織片/沖擊背面編織片的編織角。

表2 試樣體積含量和工藝參數

本文試驗首先通過四步法編織制得橫截面為矩形的碳纖維或玻璃纖維二維三軸編織片，其次按試驗要求將3層編織片層疊后通過樹脂轉移模塑成型工藝(RTM)固化得到所需的復合材料試樣。試驗中4組層合結構分別為：A組由3層碳纖維編織片層合制得；B組由上下層為碳纖維編織片、中間層為玻璃纖維編織片層合制得；C組由上下層為玻璃纖維編織片、中間層為碳纖維編織片層合制得；D組由3層玻璃纖維編織片層合制得。每組層合結構包含3個重復試樣。由于玻璃纖維和碳纖維相比，其密度大且表面較光滑，故玻璃纖維編織所得預制件的纖維體積含量和編織角較小，即C、D試樣的結構由于玻璃纖維編織片的加入，導致其試樣的纖維體積含量和編織角均有所降低，但基本編織結構與碳纖維編織片一致，另外，玻璃纖維紗的粗細與碳纖維紗有差異，本文選的玻璃纖維紗盡量與碳纖維紗粗細接近，但二者粗細是不同的，因而在織物寬度相同、紗線排數與列數相同時，編織角不同，所以4組結構具有可比性。

1.2 試驗條件

本文試驗參考ASTM D7136—2012《落錘沖擊測量纖維增強樹脂基復合材料的耐損傷性能標準試驗方法》，在InstronDynatup 9250HV型落錘沖擊試驗儀上進行，其中沖擊頭外形為直徑25 mm的半球形球體，初始能量采取15 J，每個試樣均采取一次沖擊作用，且無反彈再沖擊作用，試驗均在室溫環境下進行。

2 試驗結果與分析

由于二維三軸向編織結構的復雜特性，以及層合后復合材料試樣的特殊組成，導致破壞模式復雜多樣，并且具有獨特的破壞損傷機制。二維三軸向編織層合復合材料的沖擊損傷包括基體損傷、界面損傷和纖維損傷，并且各種損傷不是單獨發生的，而是相互作用、相互影響形成一個系統，表現出相當復雜的損傷機制[9]。

2.1 沖擊后的表面形態

圖1示出試樣受沖擊后沖擊正面的表面形態。由圖可看出在試樣受沖擊面產生了不同程度的裂紋。其中玻璃纖維的透光性較強，故從D試樣結構圖可清晰地觀察到表面裂紋，即縱向及橫向的破壞形態。而試樣C的上、下表面為玻璃纖維編織片，因此破壞形態較試樣A、B清晰，但是中間層為黑色碳纖維編織片，表面是玻璃纖維板，由于碳纖維環氧復材為黑色不透明，所以從玻璃纖維板表面往內部看，可看到顏色開始淺色，逐漸發黑，發黑是中間碳纖維板黑色造成的，故整體沖擊正面呈現出黑色狀態。分析試樣A、B的表面裂紋可發現，B的結構在中間層替換為玻璃纖維編織片時，其表面產生較多裂紋，縱向擴展范圍較大而橫向幾乎差異不大，主要為纖維和基體脫黏、基體開裂。由于從D的結構可清晰看出裂紋在縱向擴展，而從C的結構不能清晰看出，故本文只對比試樣C、D結構的主要損傷部位裂紋，可發現C的裂紋主要集中在沖擊中心區域、而D的裂紋則由沖擊中心沿試樣長度方向擴展且擴展范圍較大，即D的裂紋面積是C的3倍左右。

注：方框內為沖擊裂紋。圖1 試樣沖擊正面Fig.1 Impacted surface of samples

綜上，3層編織層合復合材料受沖擊面的編織片為剛性碳纖維編織片時，沖擊后產生的表面裂紋主要沿試樣寬度方向擴展，若是韌性玻璃纖維編織片時，則主要沿試樣長度方向擴展。

圖2示出試樣受沖擊后沖擊背面的表面形態。試樣的裂紋擴展基本呈現放射狀“米”字形，并且沿著沖擊中心向四周擴展。由于軸紗的加入，裂紋主要沿試樣長度方向擴展。對比試樣A、B的結構可發現，純碳纖維編織層合結構的破壞面積較混雜鋪層的面積小，即B結構的裂紋在橫向擴展比較大，這是由于B結構的中間層為玻璃纖維編織片；對比試樣C、D結構也得出編織混雜層合結構的裂紋在橫向擴展范圍較大；A、B結構的裂紋面積均小于C、D結構，這是由于C、D結構中玻璃纖維體積含量較高。但不是玻璃纖維體積含量越高，編織層合復合材料的沖擊裂紋越多，還與編織片的層合順序等因素有關。

注：方框內為沖擊裂紋。圖2 試樣沖擊背面Fig.2 Impacted back surface of samples

綜合圖1和2可發現，無論何種層合結構在沖擊作用下，試樣背面的損傷面積都較正面大，并且背面損傷均呈現“米”字狀擴展[10]。試樣B結構的中間層玻璃纖維編織片可有效降低應力傳遞，即沖擊背面損傷程度較A結構輕。該試驗中4組結構的背面裂紋紋路均比沖擊正面更為清晰，基本沒有纖維斷裂和分層。另外在相同鋪層數目情況下，這4種結構的背面裂紋紋路均比沖擊正面更為清晰，基本沒有纖維斷裂和分層。另外在相同鋪層數目情況下，試樣的上下兩層為剛性碳纖維編織片時，其表面裂紋損傷較為輕微；而試樣的上下兩層為韌性玻璃纖維編織片時，其表面裂紋損傷較為嚴重。但是僅僅從表面裂紋來分析是不能得出結論的，需要做進一步研究。

2.2 沖擊響應

材料的瞬時沖擊響應包括速度、載荷、能量、位移關于時間的響應，落錘沖擊試驗機連接的電腦能夠直接記錄或間接生成沖擊試驗中各個沖擊參數之間相互關系曲線[11]。本文采用每種試樣的3組重復試驗平均值進行綜合分析。

圖3示出試樣受沖擊作用的能量-時間關系曲線。可看出不同的混雜層合結構，沖擊過程中沖擊能量-時間關系曲線形狀非常類似，即在達到沖擊能量后，很快下降為一條平直的直線，該平直直線所對應的能量為吸收能量[12]。試樣A、B、C、D 4組結構最大能量的方差分別是0.003 6、0.000 2、0.008 4、0.002 6，因此每組結構可看作是重復試驗。

圖3 沖擊能量-時間記錄曲線Fig.3 Energy-time curve of impact

由于試樣厚度存在一定差異，為減小分析誤差，故折算到單位厚度吸收能量進行對比分析，結果如圖4所示。對比A、B結構可發現，在鋪層數目相同的情況下，B結構即碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織片層合結構的單位厚度吸收能量較多，比A結構高7.61%。這是由于玻璃纖維編織片對碳纖維編織片有增韌的作用。但C、D結構的幾乎相差不大，C結構比D結構略微高2.21%。說明玻璃纖維編織片和碳纖維編織片的組合形式可提高復合材料的單位厚度吸收能量，但不是隨玻璃纖維體積含量增加而增加，還與層合結構等因素有關。另外，試樣A、B、C、D 4組結構單位厚度吸收能量的方差分別是0.000 1、0.000 1,、0.000 7、0.000 4。

圖4 單位厚度吸收能量Fig.4 Energy absorption per thickness

圖5示出試樣受沖擊作用的載荷-時間關系曲線。這里最大沖擊載荷不是樣片達到沖擊強度的最大載荷，是在所選沖擊能量的條件下，沖擊載荷曲線上的最大載荷。從圖上可看出，與能量-時間關系曲線形狀類似，即在達到載荷最大值后，很快下降為一條平直的直線。這是因為每種樣片所受到的一次沖擊外載荷能量都是相同的，并且這一次沖擊后，各種樣片都沒有完全破壞，該沖擊能量小于樣片達到完全破壞的能量。其中試樣B最先達到最大載荷，其次為A、C、D。

圖5 沖擊載荷-時間記錄曲線Fig.5 Load-time curve of impact

圖6示出各組試樣的最大沖擊載荷。其中試樣A的最大沖擊載荷值最大，但是4組試樣的最大沖擊載荷值差異不是很明顯，主要是與復合材料的組成結構有關。另外，試樣A、B、C、D 的4組結構最大沖擊載荷的方差分別是0.000 06、0.000 08、0.000 11、0.000 10。

圖6 最大沖擊載荷Fig.6 Maximum load of impact

綜合圖3～6得到綜合對比結果，如表3所示。可知，在相同初始沖擊能量作用下，試樣B即碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織片層合復合材料單位厚度吸收能量最多，而最大沖擊載荷相對較小，但不是破壞最嚴重的。

表 3 綜合對比結果

注：表中的數字代表排列順序，1代表最大，依次為2、3、4;“-”代表差異不大。

但是僅憑表面裂紋面積、最大沖擊載荷及沖擊吸收能量不能確定材料的抗沖擊性能，只表明在低速沖擊作用下，編織混雜層合結構有提高抗沖擊性能的趨勢，因此需要進一步研究復合材料試樣內部的破壞損傷情況，根據破壞損傷程度來表征抗沖擊性能。為此，將試樣在沖擊點處沿著橫向進行切割，在體視顯微鏡下觀察橫截面的破壞情況，結果如圖7所示。

注：橫截面為試樣沖擊中心附近的橫截面形態，上表面為沖擊面，下表面為沖擊背面；圈內為沖擊裂紋。圖7 試樣的沖擊中心橫截面破壞形態Fig.7 Failure mode of center of impacted cross section

由圖7可看出，無論是何種鋪層結構，沖擊面的破壞裂紋均少于沖擊背面一側，試樣橫截面的裂紋主要出現在沖擊中心附近靠近背面的部位。試樣的主要破壞位置如圖所示，其中顏色變淺部分是由于樹脂基體受到沖擊后產生的明顯白色裂紋。再看圖2、3的沖擊中心部位的表面裂紋損傷可發現，沖擊正面中心處有樹脂明顯斷裂的現象，而背面樹脂裂紋呈現擴散狀態，并沒有斷裂現象，即在圖7中表現為：靠近沖擊中心的上部有一些“坑洼”現象，而靠近沖擊中心的下部則較為平坦。其中C結構即上下兩層為玻璃纖維、中間層為碳纖維編織片的混雜層合復合材料的橫截面接近背面處損傷較多。在試樣的橫截面照片中可發現，在沖擊作用下試樣內部結構在裂紋處產生可見損傷，即結構承載能力有所下降。

玻璃纖維與碳纖維相比，其抗拉強度和彈性模量均較低，但其延伸率較高，編織片也有此特性[13]。試樣受到沖擊作用時，其沖擊面受到壓縮作用，而沖擊背面受到拉伸作用。B結構相對A結構中間層為玻璃纖維編織片，故沖擊過程中上下表面碳纖維編織片可分別提供高抗拉強度和彈性模量，而玻璃纖維編織片可提供較高沖擊韌性，并且玻璃纖維片和碳纖維片接觸會產生一定的相互影響作用，因此試驗中B結構即碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織層合復合材料，比A結構在厚度方向的損傷范圍較小。C結構的上下表面為玻璃纖維編織片，可提供的彈性模量和抗拉強度較低，而中間層為碳纖維編織片，其斷裂韌性較差而彈性模量和抗拉強度較高，故C結構比D結構的厚度方向破壞損傷范圍較大。

綜合圖2、3、7可看出，試樣靠近沖擊背面的部位損傷較靠近沖擊面損傷嚴重，考慮從沖擊效應來分析，即由于當沖擊物接觸試樣表面時，就會產生垂直于試樣表面的壓縮應力波，這種壓縮應力波沿著試樣厚度方向傳播到試樣背面，經反射后形成拉伸應力波。在該過程中，試樣會發生彎曲變形。造成試樣背面受拉，正面受壓，受壓的部位可將能量向下繼續傳遞，從而減少自己的破壞變形，而下側部位接受上側傳遞來的能量，發生更大的沖擊變形來釋放能量，因此導致靠近背側的部位沖擊損傷較靠近沖擊面損傷嚴重。

綜合以上分析，由于二維編織片結構的特殊性(如圖8所示)，即編織紗進行相互交織將軸紗包圍在其中，而軸紗基本沿試樣長度方向不參與交織，因此具有較強的軸向性能。并且由于編織片表面有凸起和凹陷，表面凹凸不平的織物疊在一起加壓制備的層合板，相鄰板的凹凸表面接觸，有互相咬合的作用，因此在鋪層時層與層相互之間產生抱合、交錯等作用，因而在低速沖擊作用下不易產生分層。純碳纖維編織層合復合材料在沖擊作用下一般會呈現一定的脆性破壞模式，其吸收能量較低但產生的厚度方向損傷較大。對于碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織片的層合復合材料來說，由于延伸率較高的玻璃纖維編織片加入，使得單位厚度吸收能量較高、沖擊正面的表面裂紋在縱向擴展范圍較大、沖擊背面的表面裂紋在橫向擴展范圍較大、而厚度方向損傷較小，因此整體鋪層結構的抗沖擊性有所提高。

圖8 二維三軸向編織片示意圖Fig.8 Diagram for 2-D triaxial braided composite

玻璃纖維相對碳纖維有較高的延伸率，但抗拉強度和彈性模量較低，并且玻璃纖維編織片的編織角較碳纖維的小，故在編織結構和層合數目相同的前提下，純玻璃纖維編織層合復合材料比純碳纖維的抗沖擊性能差一些。但是玻璃纖維+碳纖維+玻璃纖維編織片的層合復合材料與純玻璃纖維編織層合復合材料的抗沖擊性能相差不大，有略微提高。即玻璃纖維中加入碳纖維進行混雜形成的復合材料，其抗沖擊性能提高不明顯。

3 結 論

將二維三軸向編織片進行混雜鋪層得到樹脂基復合材料，對4種編織混雜層合復合材料的沖擊性能進行對比得到以下結論。

1)在鋪層數目相同的情況下，與純碳纖維或純玻璃纖維編織層合復合材料受到沖擊后相比，編織混雜層合復合材料沖擊正面產生裂紋在縱向擴展范圍較大，而試樣沖擊背面在橫向擴展范圍較大。

2)在沖擊能量一定的情況下，層合順序為碳纖維+玻璃纖維+碳纖維編織片的復合材料抗沖擊性能最強，其單位厚度吸收能量比純碳纖維編織層合復合材料提高7.61%，而玻璃纖維+碳纖維+玻璃纖維編織片層合復合材料比純玻璃纖維的僅提高2.21%。

3)在沖擊能量一定的情況下，層合順序為玻璃纖維+碳纖維+玻璃纖維編織片的復合材料受到沖擊作用后，在沖擊中心部位的厚度方向產生的損傷范圍較大。

4)二維編織結構的表面不是平坦平面，故鋪層時相鄰層相互之間會產生抱合、交叉或者交錯等作用，因此編織層合復合材料在低速沖擊作用下不易分層，且混雜不影響層間性能。

5)混雜編織鋪層結構對復合材料的抗沖擊性能有一定的影響，合適的鋪層方式及纖維組合能夠實現正的混雜效應，并能有效改善材料的抗沖擊性能。

FZXB

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2016年《棉紡織技術》征訂啟事

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Investigation on impact properties of 2-D triaxial braided-hybrid laminated composites

WANG Wensha1,2, YAN Jianhua3, GU Hailin4

(1.KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201600,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201600,China; 3.ResearchInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai201600,China; 4.SAICMotorCo.,Ltd.,Shanghai201600,China)

In order to investigate the relationship between the hybrid structure and the failure mechanism, the impact properties of 2-D triaxial braided-hybrid laminated composites with the same layers while being subjected to low speed impact, were investigated. In the case of the same layers, the cracks generated on the surface of braided-hybrid laminated composites were more than the composites composed with 3 same layers. And the extended range of cracks on the impacted surface was larger along the longitudinal direction, while on the back surface, it was larger along the transverse direction. The absorbed energy per thickness of carbon fiber + glass fiber+ carbon fiber braided laminated composite was 7.61% larger than that of the composites composed with same layers, while the glass fiber+ carbon fiber +glass fiber braided laminated composite increased by 2.21%. The composites generated less damage propagation along the thickness direction. The composites are prevented from layering under low speed impact. And the impact properties can effectively improve by suitable layering mode and fiber combination to achieve positive hybrid effect.

2-D triaxial braided-hybrid; laminated composite; hybrid laminate; crack; absorbed energy; impact property

10.13475/j.fzxb.20140803708

2014-08-18

2015-07-10

上海市科技成果轉化和產業化項目(12521102400)；上海市教委上海高校知識服務平臺項目(ZF1215)

王文莎(1988—),女，碩士生。主要研究方向為紡織復合材料。閻建華，通信作者， E-mail：jh_yan@dhu.edu.cn。

V 258.3

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