低溫場下三維編織復合材料的沖擊壓縮性能

蔣　歡， 潘忠祥， 張　威， 錢建華， 孫寶忠

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 華東理工大學 華昌聚合物有限公司， 上海 200237)

低溫場下三維編織復合材料的沖擊壓縮性能

蔣歡1， 潘忠祥1， 張威1， 錢建華2， 孫寶忠1

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 華東理工大學 華昌聚合物有限公司， 上海 200237)

利用搭載低溫裝置的分離式霍普金森壓桿裝置，測試三維碳纖維/環氧樹脂編織復合材料在溫度范圍-100～ 23 ℃內沿面內方向的沖擊壓縮性能，分析三維編織復合材料面內壓縮剛度、失效應力和比能量吸收在低溫環境下隨溫度的變化規律.結果表明，三維編織復合材料壓縮剛度、失效應力以及比能量吸收隨溫度的下降而升高，其脆性隨著溫度的下降而增加，在低溫環境下面內沖擊壓縮破壞模式為基體碎裂和增強結構壓縮變形.

三維編織復合材料； 低溫； 沖擊壓縮性能

紡織結構復合材料由于輕質高強而在飛行器、高速車輛和彈道防護材料等應用上具有較大發展潛力.三維紡織結構復合材料由二維紡織結構復合材料發展而來，具有很好的整體性，因此具有更高的斷裂韌性和沖擊損傷容限，且在沖擊載荷作用下不會發生分層現象[1].三維編織復合材料作為三維紡織結構復合材料的典型代表，被廣泛應用于航天、航空等領域，在實際應用中會受到低溫與沖擊載荷條件的考驗.全面了解三維編織復合材料在低溫下的動態沖擊行為對于結構設計和安全使用非常重要.

關于三維編織復合材料的壓縮性能有很多報道.文獻[2-3]報道了三維編織復合材料的壓縮力學性能，發現編織角是影響材料縱向壓縮性能和壓縮破壞機理的主要參數，編織角較小時，材料表現為脆性破壞，隨著編織角增大，材料更多地表現為屈曲破壞.文獻[4]研究了玻璃纖維/環氧三維編織復合材料動態壓縮性能，發現玻璃纖維/環氧樹脂三維編織復合材料是一種應變率敏感材料.文獻[5]研究了碳纖維酚醛樹脂三維編織復合材料在高應變率下的軸向壓縮應力應變性質，發現復合材料具有很明顯的應變率效應.文獻[6]研究了三維編織復合材料面內和面外壓縮性能，發現材料失效應力、失效應變和壓縮剛度對應變率很敏感，面內和面外壓縮方向主要失效模式分別為基體碎裂和剪切變形.文獻[7]研究了常溫和液氮溫度條件下不同編織參數復合材料的面內和面外壓縮性能，發現在液氮溫度下復合材料相比于常溫下壓縮性能得到顯著提高，低溫環境下材料在壓縮破壞時表現為脆性失效.文獻[8]研究了高溫條件下不同溫度場和不同應變率對復合材料沖擊壓縮性能的影響，發現溫度和應變率對復合材料的壓縮模量、峰值應力、破壞應變和比能量吸收均有不同程度影響，且復合材料破壞模式也受應變率與溫度影響.

上述研究主要集中于不同編織參數和不同加載條件下三維編織復合材料壓縮性能的研究，對于三維編織復合材料在低溫和高應變率條件下的壓縮性能研究未見報道.為此，本文在分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)上搭建低溫裝置，并進行低溫場下三維編織復合材料面內方向沖擊壓縮性能的研究，探討包括材料壓縮剛度、失效應力以及比能量吸收等隨溫度的變化規律.

1　試　驗

1.1試驗材料制備

采用T700S-12K型碳纖維和JA-02型環氧樹脂作為試驗原材料.為保證編織試樣在寬度和厚度上不超出Hopkinson壓桿的直徑尺寸，試樣選用10×10矩形截面的四步法1×1三維編織物，編織后預制件真實結構圖如圖1所示.然后通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，將預制件與樹脂固化成型制備成復合材料試樣，如圖2所示.制成的三維編織增強結構復合材料厚為11.5 mm，寬為11.5 mm，碳纖維體積分數約為45.6%.其中，圖2(a)中箭頭方向表示試驗過程中試樣的壓縮方向，即復合材料面內方向.

圖1　10×10型三維四向碳纖維編織預制件Fig.1　3D 4-direction carbon fiber braided perform in 10×10

(a) 表面　　(b) 橫截面

1.2樹脂的熱力學性質測試

采用Q 800型動態力學分析儀對環氧樹脂基體的熱力學性質進行測試，如圖3所示.測量物質在振動載荷下的動態模量和力學損耗與溫度的關系.本文對環氧樹脂進行-100～25 ℃間的溫度掃描，采用單懸臂梁的加載模式，測試環境升溫速度為3 ℃/min， 樹脂試樣尺寸為28 mm×5.5 mm×2.8 mm.

圖3　環氧樹脂的動態力學分析測試Fig.3　The dynamic mechanical analyse test of epoxy resin

1.3動態壓縮試驗

壓縮試驗在SHPB上完成，分別測試三維編織復合材料在低溫(-100 和-50 ℃)及常溫(23 ℃) 共3個溫度點的面內沖擊壓縮性能.SHPB裝置示意圖如圖4所示，裝置包括氣槍、沖擊桿、輸入桿、輸出桿、吸收桿、阻尼器以及信號采集系統.沖擊桿和吸收桿的長度分別為400和600 mm，輸入桿和輸出桿長度均為2 000 mm，桿的圓截面直徑都為30 mm. 裝置采用高壓氮氣提供沖擊動力，本文采用0.4 MPa氣壓條件進行試驗.為實現-100～23℃試驗環境溫度，特別研制了與SHPB匹配的低溫裝置，其示意圖如圖5所示.當試樣冷卻到指定溫度時，立即進行沖擊壓縮試驗，每個溫度點至少進行3次重復試驗.

圖4　試驗裝置示意圖Fig.4　Schematic of experimental set-up

圖5　低溫裝置示意圖Fig.5　Schematic of low temperature device

2　結果與討論

2.1環氧樹脂的熱力學性質

環氧樹脂基體的動態力學分析(DMA)溫度掃描結果如圖6所示.由圖6可以看出，基體的存儲模量、損耗模量和損耗角正切隨著溫度的降低而升高，存儲模量從2 600 MPa上升到3 600 MPa，反映環氧樹脂的彈性性質在降溫過程中發生了較大變化，表明環氧樹脂的力學性質對溫度敏感.

圖6　環氧樹脂的DMA溫度掃描結果Fig.6　DMA temperature sweep results of epoxy resin

2.2應力-應變曲線

三維編織復合材料在不同溫度條件下的應力-應變曲線如圖7所示.由圖7可以看出，材料在壓縮初始階段呈現彈性變形，隨著應變的增加，應力很快達到最高值并迅速下降.

2.3三維編織復合材料不同溫度下的壓縮性能

不同溫度下三維編織復合材料的面內壓縮性能測試結果如表1所示.由表1可知，三維編織復合材料的壓縮剛度隨著溫度的降低而上升.三維編織復合材料在受壓時，壓縮剛度受基體模量影響[8]，由環氧樹脂的熱力學性質可知，環氧樹脂模量在低溫場下隨著溫度的降低而升高，故以環氧樹脂為基體的三維編織復合材料的壓縮剛度產生了相同的變化.

圖7　三維編織復合材料應力-應變曲線Fig.7　Stress-strain curves of 3D braided composites

表1　三維編織復合材料在不同溫度下面內壓縮性能Table 1　In-plane compressive properties of the 3D braided composites under different temperatures

三維編織復合材料的失效應力在低溫場下隨著溫度的降低而呈升高趨勢.這主要是因為一方面低溫下更多的環氧樹脂分子被凍結，分子間的相互作用力增強，材料強度增大；另一方面，當溫度降低時，樹脂的收縮率較纖維明顯，使得纖維與樹脂之間的界面結合力提高，從而提高材料的內應力.碳纖維在低溫環境下的強度與常溫相比變化很小，所起的增強作用不明顯.

比能量吸收表示材料單位體積或單位質量吸收的能量，與材料的模量、失效應力和失效應變等性質有關，可直接通過應力-應變曲線起點到終點積分計算得到.三維編織復合材料的比能量吸收在低溫場下隨著溫度的降低而呈升高趨勢.從表1可知，在壓縮剛度和失效應力都隨著溫度的降低而升高且失效應變無明顯變化的情況下，比能量吸收隨著溫度的降低而升高.

2.4失效模式

三維編織復合材料在低溫和常溫下面內破壞形態的光學照片如圖8所示.由圖8可以看出，在三維編織復合材料的面內壓縮中，環氧樹脂基體完全碎裂，碳纖維編織結構僅僅發生壓縮變形并保持矩形截面.這是因為三維編織復合材料是一種準各向同性材料，在面內發生壓縮變形時材料均勻對稱地承擔壓力載荷.

圖8　三維編織復合材料不同溫度下破壞形態Fig.8　Failure form of 3D braided composites under different temperatures

由圖8還可知，隨著溫度的降低，試樣的面積減小，其面內壓縮方向的厚度增大，樹脂基體脆性碎裂程度加重.這是因為環氧樹脂基體與碳纖維的熱收縮性質不同，樹脂的熱收縮更大，隨著溫度的降低，樹脂與碳纖維束結合得越緊，兩者之間的接觸力增大，從而提高了界面的剪切強度和脫膠后的滑動摩擦力，使得材料的壓縮變形更難；另外，隨著溫度的降低，樹脂大分子鏈段運動性下降，當受到沖擊能量時，無法使基體產生大的塑性屈服，樹脂脆性碎裂程度增大.

3　結　語

(1) 三維編織碳纖維/環氧樹脂復合材料是一種對溫度敏感的材料，其面內方向的沖擊壓縮剛度、失效應力和比能量吸收都隨著溫度的降低而升高.

(2) 環氧樹脂基體的儲存模量隨著溫度的降低而升高，在沖擊載荷作用下，三維編織碳纖維/環氧樹脂復合材料壓縮剛度主要受樹脂基體影響.

(3) 三維編織碳纖維/環氧樹脂復合材料在低溫環境下，其面內高應變下的壓縮破壞模式為基體碎裂和增強結構壓縮變形，且隨著溫度的降低，基體脆性碎裂程度加重.

[1] 顧伯洪，孫寶忠.紡織結構復合材料沖擊動力學[M].北京：科學出版社，2012：8-9.

[2] 盧子興，胡奇.三維編織復合材料壓縮力學性能的實驗研究[J].復合材料學報，2003，20(6)：67-72.

[3] 嚴實，孫雨果，吳林志，等.板狀三維四向編織復合材料壓縮細觀破壞機理的實驗研究[J].復合材料學報，2007，24(4)：133-139.

[4] 劉芳，楊柳，張傳雄.玻纖/環氧三維編織復合材料動態壓縮性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2005(2)：10-13.

[5] LI D S， LU Z X， FANG D N. Longitudinal compressive behavior and failure mechanism of three-dimensional five-directional carbon/phenolic braided composites at high strain rates [J]. Materials Science & Engineering： A， 2009， 526(1/2)：134-139.

[6] SUN B Z， GU B H. High strain rate behavior of 4-step 3D braided composites under compressive failure [J]. Journal of Materials Science， 2007， 42(7)： 2463-2470.

[7] LI D S， ZHAO C Q， GE T Q, et al. Experimental investigation on the compression properties and failure mechanism of 3D braided composites at room and liquid nitrogen temperature [J]. Composites Part B：Engineering，2014，56：647-659.

[8] 張威.三維編織復合材料在高溫環境下沖擊壓縮破壞性質[D].上海：東華大學紡織學院，2014：22-37.

Impact Compressive Properties of 3D Braided Composites at Low Temperatures

JIANGHuan1,PANZhong-xiang1,ZHANGWei1,QIANJian-hua2，SUNBao-zhong1

(1. College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China； 2. Huachang Polymer Co. Ltd.， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China)

The impact compressive properties of 3D braided carbon fiber/epoxy composites under the temperature range of -100-23℃ were tested on a split Hopkinson pressure bar with low temperature device. The compressive stiffness, failure stress and specific energy absorption were obtained to analyze the temperature effect on the compressive properties. The results showed that the compression stiffness, failure stress and specific energy absorption of 3D braided composites increased with the decrease of temperature. Also, it was found that the 3D braided composites became brittle with the decrease of temperature. The results also showed that the resin crack and the braided perform deformation were the main failure modes in the in-plane compression at high strain rates and low temperatures.

3D braided composites; low temperature; impact compressive property

1671-0444(2015)06-0756-04

2014-08-05

上海市科學技術委員會資助項目(12dz1100407)

蔣歡(1988—)，男，江西上饒人，碩士研究生，研究方向為紡織復合材料沖擊動力學. E-mail: jiang_huan_915@126.com

孫寶忠(聯系人)，男，教授，E-mail: sunbz@dhu.edu.cn

TB 332

A