非屈曲織物增強復合材料雙軸壓縮力學行為

李麗英，孟松鶴，王國勇，張 濤，許承海，柯紅軍（.哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所，5000哈爾濱；.航天特種材料及工藝研究所，00074北京）

非屈曲織物增強復合材料雙軸壓縮力學行為

李麗英1，2，孟松鶴1，王國勇2，張 濤2，許承海1，柯紅軍2
（1.哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所，150001哈爾濱；2.航天特種材料及工藝研究所，100074北京）

在實際工程應用中，復合材料與構件往往處于復雜的應力狀態，開展近似真實載荷環境下的力學實驗分析，能夠更準確地認識實際應用中材料的真實承載能力和失效機理.基于非屈曲單向碳纖維織物復合材料層合板的細觀結構特征，設計了雙軸壓縮試樣，開展了材料單軸、雙軸壓縮試驗研究，對比分析了單向織物復合材料在不同壓縮載荷下的力學行為.研究結果表明：非屈曲單向織物復合材料的單軸壓縮行為表現為線性、脆性斷裂；破壞模式整體表現為剪切屈曲破壞，與單軸壓縮相比，雙軸壓縮載荷作用下材料整體表現為線性、脆性斷裂，但其應力－應變曲線表現出一定的非線性特征；雙軸1∶1等比例壓縮對材料抵抗變形能力有一定強化效應，材料壓縮模量增加；雙軸2∶1非等比例壓縮的結果與之相反，材料壓縮模量大幅降低；雙軸壓縮強度均低于其單軸壓縮強度；破壞模式主要表現為分層、基體開裂和纖維斷裂，其中以分層現象尤為明顯.

非屈曲單向碳纖維織物；復合材料；雙軸壓縮；力學行為；破壞機制

非屈曲碳纖維織物（non?crimp fabrics），是20世紀90年代末歐美先進工業國家針對低成本復合材料LCM工藝開發的一種新型碳纖維織物，其采用縫線將多層單向纖維層按指定的角度縫合起來形成的一種碳纖維增強體，與機織物相比，紗線的卷曲程度很小；同時對纖維的約束性好，具有良好的鋪覆性和預成型性.非屈曲碳纖維織物在RTM工藝中作為高纖維體積分數的預制體，具有力學性能優異、制造成本低、工藝性好等優點，現已廣泛地應用于各種高性能復合材料中，如航空航天、造船業、汽車工業、體育用品、建筑、能源和醫療等領域中［1－3］.

盡管國內針對碳纖維織物增強樹脂基復合材料的力學特性進行了系統的研究，并已取得了一定的成果［4－6］，然而多以常規單軸載荷狀態為主，對于復雜應力狀態下的力學行為研究較少，仍處于探索性的研究中［7－9］.在實際工程應用中，復合材料結構大多處于復雜應力狀態，與單軸加載條件相比，此時材料損傷與失效機制更為復雜，強度、模量等性能指標也必然會與單軸應力狀態顯著不同［10－11］.隨著復合材料結構設計要求的進一步提高，傳統單軸載荷試驗測試已難以提供更加準確的性能數據.

本文以一種非屈曲單向碳纖維織物增強環氧樹脂基復合材料為研究對象，對比現行雙軸試驗方法的特點與適用性，設計并完成了單軸與典型雙軸壓縮加載試驗，分析了復合材料在復雜載荷條件下的力學行為特征及破壞機制.

1 材 料

碳纖維織物為T700?3K非屈曲單向織物，面密度為（165±10）g／m2，織物結構如圖1所示.基體選用6808環氧樹脂.采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，注射溫度60℃，固化溫度130℃，固化時間為2.5 h.為防止復合材料板發生翹曲，采用準各向同性對稱鋪層，鋪層方式為［45°／0°／－45°／90°］3s.復合材料層合板厚度4 mm，理論纖維體積分數為60%.

圖1 非屈曲單向碳纖維織物形貌

2 實 驗

2.1 單軸壓縮性能試驗

材料單軸壓縮試驗按照GB／T 5258—2008［12］規范進行，試樣尺寸為：110 mm×10 mm×4 mm.試驗在ZWICK Z050材料雙軸力學性能實驗機上進行，恒定位移加載，加載速率0.5 mm／min，有效試驗數據不少于5個，試驗結果取5個試樣的平均值.

2.2 雙軸壓縮性能試驗

目前，國內外尚未建立針對材料雙軸壓縮試驗的測試標準.在本文中，借鑒國內外相關研究成果與經驗設計了雙軸壓縮試樣.試樣設計均滿足以下條件：1）試樣有足夠大的區域處于均勻應力狀態；2）初始破壞必須發生在均勻應力區域；3）較小的應力集中系數；4）試樣中心對中，避免附加彎曲應力［13］.根據上述試樣設計要求，以應力集中系數、應力離散系數和中心區有效應力系數為目標，進行十字型雙軸壓縮試樣形狀和尺寸的優化設計，如圖2所示為設計的雙軸壓縮試樣形狀、尺寸以及制備的試樣［14］.

圖2 復合材料雙軸壓縮試樣設計

雙軸壓縮試驗在ZWICK Z050材料雙軸力學性能實驗機上進行，該實驗機采用伺服電機驅動，能夠實現載荷、位移和應變3種方式加載控制，可完成雙軸不同載荷形式、任意載荷比例和不同加載路徑的準靜態加載試驗，試驗精度0.5級.采用恒定位移加載，加載軸x軸平行于材料0°纖維方向，加載軸y軸平行于90°纖維方向；當設計載荷比例為1∶1時，x軸加載速率0.5 mm／min，y軸加載速率0.5 mm／min，當設計載荷比例為x∶y＝2∶1時，x軸加載速率0.5 mm／min，y軸加載速率0.25 mm／min.有效試驗數據不少于5個，試驗結果取5個試樣的平均值.

應變采用電阻應變片測試，齊齊哈爾市萬達無線電廠生產的BE120型電阻應變片，電阻值（119.8±0.1），靈敏系數（2.13±1%）.

3 結果與討論

表1為非屈曲單向碳纖維織物復合材料在不同載荷狀態下的壓縮性能試驗參數.從表1中可以看出，雙軸等比例1∶1壓縮時，材料在x軸與y軸方向上的平均壓縮模量分別為170 GPa和178 GPa，與單軸壓縮模量相比，增幅約為62%；兩個方向上的平均壓縮強度基本相等，且均低于單軸壓縮強度，強度降幅約為42%.在雙軸非等比例壓縮時，受到泊松效應的影響，采用2∶1恒定比例位移加載并不能得到預期的2∶1載荷狀態.在2∶1恒定比例位移加載狀態下，x軸方向的平均壓縮強度是y軸方向的2.6倍，x軸方向的平均壓縮模量約為y軸方向的2.3倍.與單軸壓縮相比，雙軸2∶1非等比例壓縮狀態，材料x軸與y軸方向上的平均壓縮模量及壓縮強度均大幅度降低.根據以上結果可知，當兩個方向上的壓縮載荷基本相當時，此時材料的變形相互制約，使材料抵抗變形的能力在一定程度上得到提高，表現為壓縮模量提高；當兩個方向壓縮載荷不同時，除去制約材料相互變形后余下部分的載荷將作為材料變形破壞的催化劑，使得材料加速破壞，抵抗變形的能力下降，表現為模量降低.

表1 非屈曲單向碳纖維織物復合材料壓縮性能

圖3所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料單軸壓縮應力－應變曲線.從圖3可知，材料在單軸壓縮應力－應變曲線近似為線性，表現為典型的線彈性、脆性破壞.

圖3 非屈曲單向碳纖維織物復合材料單軸壓縮應力－應變曲線

圖4所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸1∶1壓縮狀態的載荷－時間曲線和應力－應變曲線.由圖4（a）可以看出，整個試驗過程中x軸和y軸方向上的載荷具有良好的一致性，最終的斷裂載荷也基本相同；在加載初期（0～35 s）載荷－時間曲線表現為非線性，分析認為其為壓頭調整和預壓緊過程；35～65 s之間曲線近似為線性；65 s后曲線斜率下降，呈現非線性，表明此時材料發生損傷；至82 s左右曲線快速下降，材料整體失效.由圖4（b）所示應力－應變曲線同樣看出，在加載初期，曲線呈線性狀態；當應變達到0.15%時曲線出現鋸齒彎折現象，即發生損傷，此時材料仍具有一定承載能力；當應變達到0.20%時，試樣兩個方向同時發生脆性斷裂.在雙軸應力1∶1等比例載荷條件下，雙軸應變存在輕微背離，最大應變背離約為8%.對比圖4（b）與圖3可以發現，在雙軸等比例載荷作用下，隨著應力增大曲線斜率有增大的趨勢，表明材料在雙軸等比例載荷作用下剛度隨著應力增加逐漸增大.

圖4 非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸壓縮1∶1等比例試驗載荷－時間與應力－應變曲線

圖5所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸2∶1非等比例壓縮載荷－時間曲線和應力－應變曲線.由圖5（a）可以看出，初期兩個方向曲線均經歷短暫夾頭調整，此時曲線呈非線性段，在65 s左右時x軸方向的曲線首先出現非線性彎折，80 s左右x軸方向達到了最大載荷，隨后逐漸失去承載能力，曲線下滑；y方向的曲線在90 s左右出現了第1次彎折，之后曲線仍呈上升趨勢，至110 s左右時，曲線出現第2次彎折，之后不再上升直至材料失效.從圖5中可以發現，在雙軸非等比例載荷狀態下，當x軸方向達到極限承載能力時，產生顯著的損傷，承載能力顯著降低；在載荷較小y軸方向仍然具有較好承載能力，受x軸向較大載荷引起的損傷影響，極限承載能力有所降低，充分體現了復合材料的各向異性特性.從圖5（b）所示應力－應變曲線可以看出，x軸方向在加載初期呈現較為顯著的線性狀態，y軸方向在加載初期應變向正方向增大，即此方向上處于拉伸狀態，這是由于x軸方向上的壓縮載荷是y軸方向上的2倍以上，在加載初期，y軸方向引起的壓縮變形較小，由于泊松效應引起材料在y軸方向上出現膨脹及應變增大的現象［15］，當應變達到0.1%時，開始向負方向轉變，當應變達到0.2%左右時，材料達到承載極限，發生斷裂破壞.

圖5 非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸壓縮2∶1非等比例試驗載荷－時間與應力－應變曲線

圖6所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料單軸壓縮試樣斷口破壞形貌.由圖6（a）可以看出，復合材料承受單軸壓縮載荷時，其破壞斷面與加載方向約呈45°，斷口呈現出明顯的階梯式損傷斷面，且包含45°纖維剪切破壞、0°纖維斷裂等；圖6（b）所示為斷口區域放大40倍后的顯微形貌，從圖中可以看出，其單軸壓縮破壞整體表現為剪切失效，這與相關文獻報道結果一致［16］.

圖7所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸1∶1等比例壓縮載荷破壞形貌，其中圖7（a）、（b）為試樣宏觀壓縮破壞照片，圖7（c）、（d）為放大20倍后的顯微形貌.從圖7（b）和圖7（d）可以看出，雙軸壓縮試驗后試樣的失效模式有分層、基體開裂和纖維斷裂.由圖7（b）及圖7（c）可以看出，壓縮試樣的橫截端面纖維分層破壞現象明顯，分析認為在雙軸壓縮載荷作用下，基體、纖維和界面同時承受壓應力作用，兩個方向變形相互制約，而厚度方向的變形相對自由，因此，由壓縮載荷作用導致的纖維屈曲將會相互作用使得厚度方向產生層間應力，當層間應力大于層間剪切強度時，較薄弱的界面先行失效，導致裂紋的產生.之后裂紋沿著平行于纖維束的方向迅速擴展，形成宏觀分層現象.隨著載荷繼續增加，局部應力達到了纖維束的剪切強度，使得試樣表面出現如圖7（d）所示纖維剪斷的裂紋擴展形式.與單軸壓縮相比，雙軸壓縮應力－應變曲線呈現一定的非線性特征，分析認為原因在于雙軸向壓縮載荷作用下單向織物復合材料層間剪切破壞引起分層所致.

圖6 非屈曲單向碳纖維織物復合材料單軸壓縮破壞形貌

圖7 非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸1∶1壓縮破壞形貌

圖8所示為非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸2∶1非等比例壓縮載荷狀態下的破壞形貌，其中圖8（a）、（b）為試樣宏觀壓縮破壞形貌，圖8（c）、（d）為放大20倍后的光學顯微形貌.由圖8可以看出，材料在非等比例壓縮載荷條件下其破壞位置最先出現在載荷較大的加載方向（x軸方向），其破壞機制與等比例載荷狀態相同.

圖8 非屈曲單向碳纖維織物復合材料雙軸2∶1壓縮破壞形貌

4 結 論

1）非屈曲單向碳纖維織物復合材料在單軸壓縮狀態下呈現出線彈性、脆性斷裂；雙軸壓縮載荷作用下仍整體表現為脆性斷裂，與單軸壓縮相比其應力－應變曲線非線性特征顯著，隨著載荷的增加彈性模量表現出增大趨勢.

2）非屈曲單向碳纖維織物復合材料在雙軸壓縮載荷作用下所得到的壓縮強度均低于其單軸壓縮強度，雙軸1∶1等比例壓縮時對材料抵抗變形能力有一定的強化效應，此時材料的壓縮模量較單軸壓縮有較大幅度提高，增幅達62%；雙軸2∶1非等比例壓縮時，結果相反，材料的壓縮模量大幅降低，降幅達42%.

3）非屈曲單向碳纖維織物復合材料單軸壓縮破壞機制整體表現為剪切屈曲破壞；在雙軸1∶1壓縮及2∶1壓縮載荷作用下，材料的破壞失效模式基本一致，主要表現為分層、基體開裂和纖維斷裂，其中以分層現象尤為明顯.

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（編輯 張 紅）

Mechanical behaviors of the composites reinforced by non?crimp unidirectional carbon fiber fabrics under biaxial compression loading

LI Liying1，2，MENG Songhe1，WANG Guoyong2，ZHANG Tao2，XU Chenghai1，KE Hongjun2
（1.Center for Composite Materials and Structure，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China；2.Aerospace Research Institute of Materials＆Processing Technology，100074 Beijing，China）

Composite structures in service are usually subject to complex loading conditions that can induce a stress field with two or even three dynamic principal stresses.The experimental analysis of composite structures could approximate the real loading condition to produce a multiaxial stress field for validating the load carrying capability. Based on the microstructure of the composite laminates reinforced by non?crimp unidirectional carbon fiber fabrics，specimen of biaxial compression was designed and followed by the testing under uniaxial and biaxial compression as well.Comparative analysis was also carried out for the mechanical behavior of the composites reinforced by unidirectional carbon fiber fabrics under different compression loads.The results show that the composites performs linear compression behavior and brittle fracture，and the failure mechanism of composite is overall represented as shear buckling under uniaxial compression.Compared with uniaxial compression，although the composites still performed linear compression behavior and brittle fracture under biaxial compression，its stress?strain curves showed some nonlinear characteristics.The strength of composites under biaxial compression was much lower than that of the uniaxial compression results.Resistance to deformation of the composite was enhanced when the biaxial compression loading was kept at 1∶1，resulting in the increasing of the compression modulus.The result was opposite while the biaxial compression loading was kept at 2∶1.The failure mechanism of the composite was basically the same when the biaxial compression loads were keptat1∶1 and 2∶1，mainly as matrix cracking，fiber breakage and interlaminar debonding.Especially，the phenomenon of interlaminar debonding was obvious.

non?crimp unidirectional carbon fiber fabrics；composite；biaxial compression；mechanical behavior；failure mechanism

TB332

A

0367－6234（2015）10－0020－05

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.004

2014－05－23.

國家重點基礎研究發展計劃（2010CB631100）；國家自然科學基金（91216301）.

李麗英（1983—），女，博士；孟松鶴（1969—），男，教授，博士生導師.

許承海，hit?xuchengai＠163.com.