芳綸/炭混編三維編織復合材料沖擊后壓縮性能實驗研究①

劉麗敏，孫 穎，李濤濤，史寶會，陳 利

(天津工業大學 先進紡織復合材料天津市和教育部共建重點實驗室，天津 300387)

芳綸/炭混編三維編織復合材料沖擊后壓縮性能實驗研究①

劉麗敏，孫 穎，李濤濤，史寶會，陳 利

(天津工業大學 先進紡織復合材料天津市和教育部共建重點實驗室，天津 300387)

基于三維五向和三維六向編織結構，設計制備了4種芳綸/炭混編三維編織環氧復合材料，測試并分析了不同混編方式、不同編織結構復合材料的軸向壓縮性能及接近18 J沖擊能量下的沖擊后壓縮性能。結果發現，同種編織結構下，編織紗選用芳綸纖維、軸紗/六向紗為炭纖維的混編方式比編織紗為炭纖維、軸紗/六向紗為芳綸纖維的三維編織復合材料具有更高的CAI性能；同一種芳綸/炭混編方式下，三維五向較三維六向編織復合材料的CAI性能高；編織紗選用芳綸纖維、軸紗選用炭纖維混編方式的三維五向編織復合材料軸向CAI性能最好，對低速沖擊損傷最不敏感，表現出較高的沖擊損傷容限。進一步的觀測表明，韌性芳綸纖維的加入改變了非混雜炭纖維三維編織環氧復合材料的沖擊后壓縮破壞模式。

芳綸/炭混編三維編織復合材料；混編方式；沖擊；沖擊后壓縮

0 引言

三維編織復合材料具有不分層的整體纖維增強結構，徹底避免了層合復合材料分層和層間剪切的現象，具有顯著的抵抗應力集中、低速沖擊損傷能力，特別在制造復雜造型構件方面三維編織復合材料獨具優勢，可實現“材料-結構-性能的一體化設計”[1-2]，炭/環氧三維編織復合材料正逐漸成為航空航天領域承受主應力和次應力構件備選材料[3]。按照性能要求，設計2種纖維混雜編織增強同一種樹脂的混雜復合材料，相比非混雜復合材料，在拉伸、疲勞、沖擊等力學性能方面表現更為突出，在航空航天及工業領域都具有廣闊的應用前景[4]。采用具有高斷裂伸長率的芳綸纖維與低斷裂伸長率的炭纖維混編織成芳綸/炭混編三維編織環氧復合材料，兼顧了強度、剛度、韌性和減重等特性，既提高了芳綸纖維復合材料的比強度和比模量，又改善了炭纖維復合材料斷裂韌性[5]。

Wan的課題組對芳綸/炭束內合股混雜三維編織復合材料性能進行了研究[6-7]，對芳綸/炭混雜三維四向編織馬來酰亞胺復合材料彎曲、剪切和低速沖擊性能的研究發現，增加芳綸纖維含量，復合材料抗沖擊性能提高，當芳綸/炭纖維體積比為2∶3時沖擊后彎曲強度保持率最高，較非混雜炭纖維三維編織復合材料提高了近80%。對芳綸/炭三維四向編織環氧復合材料彎曲和沖擊性能的研究表明，隨著芳綸纖維混雜含量的降低或炭纖維含量的增加，復合材料沖擊后彎曲強度保持率先升高后降低；芳綸/炭纖維體積比為2∶3時，混雜復合材料彎曲強度保持率較純芳綸和純碳復合材料彎曲強度保持率分別提高了29%和82%。方丹丹[8]研究了編織紗和軸紗分別選用玻璃纖維和炭纖維的5種混編方式下三維五向編織環氧復合材料的沖擊和彎曲性能，結果表明，編織紗和軸紗的混編方式對混雜復合材料的沖擊性能影響較大，當編織紗為玻璃纖維，軸紗排布為炭纖維和玻璃纖維間隔排列時，混雜三維編織復合材料的抗沖擊性能最好，炭纖維的加入提高了玻璃纖維復合材料的彎曲模量。

與芳綸/炭纖維的束內合股混雜不同，將編織紗、軸紗/六向紗分別采用芳綸纖維和炭纖維的分組混編方式，有利于充分利用三維編織技術靈活的可設計性，更重要的是，分組混編避免了束內合股混雜制備過程的纖維損傷、束內混雜均勻性差和編織張力不易控制等問題。三維五向和三維六向編織結構穩定，可實現面內特定方向性能的最大化，因而工程應用較廣泛。因此，本文基于三維五向和三維六向編織結構，設計制備了編織紗、軸紗/六向紗分別選用芳綸纖維和炭纖維分組混編方式的4種芳綸/炭混編三維編織環氧復合材料，測試并分析了不同混編方式、不同編織結構復合材料的軸向壓縮性能及接近18 J沖擊能量下的沖擊后壓縮性能，這對于拓展芳綸/炭混編三維編織復合材料的設計和應用提供實驗依據和理論參考。

1 試驗

在三維四向編織結構的基礎上加入平行于織物成型方向的軸紗和垂直于織物成型方向的六向紗，分別形成三維五向和三維六向編織結構，如圖1所示。纖維原料選用美國杜邦Kevlar49芳綸纖維，細度為1 580 dTex×4合股，日本東麗T700炭纖維，細度為12 K，在天津工業大學復合材料研究所自制的三維編織機上完成預制件編織。基體選用天津晶東化學復合材料有限公司的TDE 86#環氧樹脂體系，環氧樹脂、固化劑、促進劑配比為100∶85∶1，固化制度：130 ℃/2 h-150 ℃/1 h-160 ℃/6 h-180 ℃/1 h。采用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制備4種芳綸/炭混編復合材料平板大樣，參數見表1。試樣編號原則為編織結構-混編方式-性能-序號(3D5d→三維五向，3D6d→三維六向；1→第1種混編方式，編織紗為炭纖維，軸紗/六向紗為芳綸纖維；2→第2種混編方式，編織紗為芳綸纖維，軸紗/六向紗為炭纖維；I→沖擊，C→壓縮，CAI→沖擊后壓縮)。

(a)三維四向 (b)三維五向 (c)三維六向圖 1 三維編織結構示意圖[9]Fig.1 Schematic of 3D braided architecture[9]表 1 芳綸/炭混編三維編織復合材料參數Table 1 Specifications of K/C hybrid 3D braided composites

編織結構混編方式編織紗軸紗/六向紗芳綸/炭纖維體積比花節長度/mm編織角/(°)纖維體積含量/%3D5dT700Kevlar492∶54.429.058.53D5dKevlar49T7005∶24.529.358.03D6dT700Kevlar491∶15.228.157.93D6dKevlar49T7001∶15.028.758.3

按照GB/T 1446—2005[10]的實驗環境和操作方法要求，參照標準SACMA SRM 2R—94[11]進行沖擊后壓縮性能測試。采用Instron Dynatup 9 250 HV沖擊測試系統進行面外低速沖擊試驗，島津AG-250KNE材料試驗機進行面內軸向壓縮性能測試，利用基于數字圖像相關技術DIC(Digital Image Correlation)的三維應變光學測量系統(Adams EA244WMi-BK(L))采集試樣壓縮測試的全場應變。

Instron沖擊測試系統如圖2所示。沖擊頭是φ12.7 mm的半球形錘頭，質量為6.530 6 kg。試樣夾持在夾持器上，并配備2個特制的氣動防沖擊頭回彈裝置，保證試樣受到的是一次沖擊，脈沖數據采集系統記錄沖擊時間、載荷和吸收能量等參數。選取SACMA標準中的能量系數4.45 J/mm，由試樣平均厚度確定沖擊能量，沖擊后采用三坐標測量儀(ROMER INFINITE 2.0 CIMCORE MODEL 5124)，測量沖擊凹坑深度。

采用DIC的島津壓縮測試系統(圖3)，試樣正面制成均勻散斑用于圖像采集，以獲取最清晰的散斑圖像，為基準調整設置相機與試樣的距離。按照應變片(長度/寬度為2∶1)的選擇標準[12]選取虛擬應變片作為計算區域，通過Macro-Scripts命令進行圖像相關匹配運算，重建散斑區域的三維坐標，進而進行位移場和應變場計算與可視化分析。

(a)Instron沖擊測試系統

(b)夾持器 (c)氣動防沖擊頭回彈裝置圖 2 Instron沖擊測試系統Fig.2 Instron impact testing system

(a)壓縮測試系統 (b)試樣夾持圖 3 采用DIC的壓縮測試系統Fig.3 Compression test system using DIC

2 結果與討論

2.1 低速沖擊

接近18 J沖擊能量下，芳綸/炭混編三維編織復合材料典型試樣的沖擊載荷-時間曲線及能量-時間曲線如圖4和圖5所示，各項參數見表2。由圖4可看出，沖擊頭剛接觸試樣時，所有試樣載荷均出現拐點。主要是因為突然受到沖擊，纖維和樹脂受擠壓變形，試樣抵抗沖擊的能力發生變化。隨后，載荷-時間曲線出現較明顯的差異，在達到峰值載荷前后，呈現不同程度的鋸齒形波動，這是因為損傷的產生及擴展使材料剛度發生了不同程度的變化。圖5中，沖擊能量-時間曲線表現為快速上升達到最大值，之后稍有下降到某一定值，這說明在約18 J能量沖擊下，試樣反彈能量較少，大部分能量被材料吸收。

圖 4 沖擊載荷-時間曲線Fig.4 Impact load-time curves

圖 5 沖擊能量-時間曲線Fig.5 Impact energy-time curves表 2 沖擊試驗數據平均值Table 2 Average data of impact test samples

編號峰值載荷/kN達峰值載荷時間/ms峰值載荷處能量/J達峰值能量處時間/ms總吸收能量/J凹坑深度/mm3D5d-1-I3.7934.01816.0715.98618.0680.2343D5d-2-I3.5884.71516.4436.58118.0960.3963D6d-1-I3.8133.67715.1295.74018.050.2853D6d-2-I4.3383.16314.7495.06017.8940.249

結合表2看出，在約18 J沖擊能量下，芳綸/炭混編三維六向編織復合材料峰值載荷大于三維五向編織復合材料，從大到小依次為3D6d-2、3D6d-1、3D5d-1、3D5d-2。這是因為六向結構中橫向紗的存在，使得紗線間的相互作用增強，利于沖擊應力向四周均勻擴展。相同六向編織結構中，混編方式2復合材料承受沖擊的峰值載荷較混編方式1高出約13.8%，達到峰值載荷及峰值能量處的時間最短，峰值載荷處能量、總能量及凹坑深度較小。這是因為各纖維體積含量接近相同時，受沖擊表面芳綸纖維的斷裂伸長率較高，而軸紗/六向紗炭纖維又具有較高強度和模量；而相同五向編織結構中，混編方式1復合材料承受的沖擊載荷峰值較混編方式2高出約5.7%，達到峰值載荷及峰值能量處的時間較短，峰值載荷處能量、總能量及凹坑深度相對較小。這是因為體積含量接近相同時，混編方式1中炭纖維含量是混編方式2的2.5倍。第1種混編方式下，三維六向和五向復合材料承受沖擊峰值載荷、峰值載荷處能量、達峰值載荷及峰值能量處的時間和總能量相近；第2種混編方式下，三維六向較五向結構復合材料承受沖擊的峰值載荷高出約20.9%，達到峰值載荷及峰值能量處的時間較短，峰值載荷處能量、總能量及凹坑深度相對較小。因為體積含量接近時，六向結構中炭纖維的含量約是五向結構的1.7倍。可見，芳綸/炭混編三維編織復合材料低速沖擊性能的影響因素較復雜，不僅受材料本身性能影響，而且混編方式和編織結構對三維編織復合材料的沖擊性能影響較大。

2.2 沖擊后壓縮性能

復合材料壓縮性能對低速沖擊損傷較敏感，沖擊后壓縮性能在一定程度上能夠表征復合材料的損傷容限。芳綸/炭混編三維編織復合材料軸向壓縮應力-應變曲線見圖6和圖7。

圖 6 混編(方式1)三維五向和六向復合材料 壓縮及CAI應力-應變曲線Fig.6 Compression and CAI stress-strain curves of hybrid (style 1) 3D5d and 3D6d braided composites

在試樣承受壓縮載荷的初始階段(應變≤0.1%)，應力-應變表現出線性關系，隨后慢慢出現非線性趨勢直至失效。但只有編織紗采用芳綸纖維，軸紗/六向紗采用炭纖維的三維五向和三維六向復合材料的軸向壓縮試樣應變分別在約0.16%和0.19%后出現了“回彈”(圖7)，此現象可解釋為材料的“應變硬化”，復合材料在軸向壓縮載荷作用下形成一定形變后，內部纖維增強結構發生變化，造成材料單胞結構的扭曲，材料經過屈服階段又重新呈現抵抗繼續變形的能力。這可能是由于表面韌性芳綸纖維含量較高，提高了材料的抗變形能力。

芳綸/炭混編三維編織復合材料壓縮及CAI性能平均值見表3。結合應力-應變曲線可看出，接近18 J的沖擊能量下，4種芳綸/炭混編三維編織復合材料的沖擊后壓縮強度和模量均有不同程度下降。

表 3 芳綸/炭混編三維編織復合材料壓縮及CAI性能Table 3 Compression and CAI properties of K/C hybrid 3D5d and 3D6d braided composites

就CAI強度而言，編織紗為芳綸纖維、軸紗為炭纖維(混編方式2)的三維五向編織復合材料下降最少。可見，它對低速沖擊損傷最不敏感。相比之下，這種混編方式的三維六向編織復合材料強度下降最多。同樣是三維五向編織結構，混編方式2較混編方式1三維編織復合材料的CAI強度和模量分別高12.3%和22.0%。然而，同樣是三維六向編織結構，混編方式2較混編方式1三維編織復合材料的CAI強度和模量分別高41.3%和72.9%。這主要是因為軸紗是承受軸向壓縮載荷的主力，軸紗的性能在很大程度上影響著復合材料壓縮性能。編織紗為炭纖維、軸紗/六向紗為芳綸纖維混編方式1下，三維五向較三維六向編織復合材料的CAI強度和模量分別高出28.0%、33.6%。這主要是由于纖維體積含量相近時，三維五向較三維六向結構炭纖維體積含量高出約20%。編織紗為芳綸纖維、軸紗/六向紗為炭纖維混編方式2下，三維五向和三維六向編織復合材料CAI強度和模量相近，正是因為纖維體積含量接近的情況下，三維五向和六向編織復合材料中炭纖維軸紗含量相當。

綜上所述，在約18 J沖擊能量下，編織紗選用芳綸纖維、軸紗選用炭纖維混編方式2的三維五向編織復合材料的CAI性能最好，對低速沖擊損傷最不敏感，表現出較高的沖擊損傷容限。

芳綸/炭混編三維五向和三維六向編織復合材料典型試樣的壓縮破壞和接近18 J沖擊能量下的沖擊后壓縮應變云圖及試樣正面和背面壓縮失效照片見圖8。其中，Epsilon Y表示壓縮載荷作用方向上的應變。壓縮過程中，復合材料表面樹脂層首先產生裂紋，裂紋逐漸增生擴展，伴隨輕微樹脂開裂的響聲，試樣壓縮失效發生在工作段。

(a)3D5d-1-C-02 (b)3D5d-1-CAI-03

(c)3D5d-2-C-01 (d)3D5d-2-CAI-01

(e)3D6d-1-C-01 (f)3D6d-1-CAI-03

(g)3D6d-2-C-01 (h)3D6d-2-CAI-02圖 8 典型試樣壓縮及CAI破壞應變云圖及試樣正面和背面破壞形貌Fig.8 Compression and CAI fracture strain images and face/back damage morphology of typical samples

CAI試樣側面破壞照片及破壞過程見圖9。圖9中，(a)3D5d-1-CAI-03；(b)3D5d-2-CAI-01；(c)3D6d-1-CAI-03；(d)3D6d-2-CAI-02。結合圖8和圖9可看出，與非混雜炭纖維三維編織復合材料[13-15]相比，芳綸/炭混編三維編織復合材料受軸向壓縮破壞時，沒有明顯的纖維斷裂，表現出近似塑性變形特征，呈“屈曲”失穩破壞，表現為纖維屈曲、剪切破壞及剪切失穩發生“kinking”破壞(見圖8(g))。可見，芳綸/炭纖維混編明顯改變了脆性炭纖維三維編織復合材料的軸向壓縮破壞模式。

圖 9 典型CAI試樣側面破壞形貌及CAI破壞過程示意圖Fig.9 Fracture side faces of typical samples and damage process schematic of CAI

壓縮試樣的“屈曲”形式多樣，CAI試樣的破壞是由沖擊中心受力區向試樣左右兩側擴展，在沖擊試樣背面形成“屈曲”凸起。這主要是因為低速沖擊作用給復合材料引入了一定程度初始損傷和變形，包括纖維微屈曲和一定程度的纖維斷裂，壓縮載荷作用下，易在沖擊背面形成凸起，導致該區域應力集中，造成整體承載能力下降。編織紗選用芳綸纖維、軸紗/六向紗為炭纖維的三維五向和三維六向編織復合材料的破壞程度相對較小，因為軸紗選用強度和模量較高的炭纖維提高了軸向壓縮載荷作用下復合材料的承載能力；編織紗為炭纖維，軸紗/六向紗為芳綸纖維的三維五向較三維六向復合材料的破壞程度小，破壞特征與性能數據對比吻合較好。因此，混編方式及編織結構對芳綸/炭混編三維編織復合材料CAI性能的影響較大。

3 結論

(1)就CAI強度而言，編織紗為芳綸纖維、軸紗/六向紗為炭纖維的三維六向較三維五向編織復合材料對低速沖擊損傷更為敏感。

(2)芳綸纖維的混入改變了非混雜炭纖維三維編織環氧復合材料的沖擊后壓縮破壞模式，表現出塑性破壞特征，呈“屈曲”失穩破壞，而并沒有出現非混雜炭纖維復合材料的脆性斷裂特征。

[1] Bilisik K.Three-dimensional braiding for composites: A review[J].Textile Research Journal,2013,83(13):1414-1436.

[2] Na W J,Ahn H C,Jeon S Y,et al.Prediction of the braid pattern on arbitrary-shaped mandrels using the minimum path condition[J].Composites Science and Technology,2014,91(2):30-37.

[3] Li J L,Jiao Y N,Sun Y,et al.Experimental investigation of cut-edge effect on mechanical properties of three-dimensional braided composites[J].Materials & Design,2007,28(9):2417-2424.

[4] Yentl Swolfs, Larissa Gorbatikh, Ignaas Verpoest. Fibre hybridisation in polymer composites: A review[J].Composites:Part A,2014, 67:181-200.

[5] 張大興, 張佐光. CF/GF、CF/KF混雜纖維復合材料混雜效應實驗與分析[J].新型碳纖維,1997,12(3):47-51.

[6] Wan Y Z,Wang Y L,He F,et al. Mechanical performance of hybrid bismaleimide composites reinforced with three-dimensional braided carbon and Kevlar fabrics[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2007,38(2):495-504.

[7] 谷李華. 三維編織C_K_EP混雜復合材料性能研究[D].天津：天津大學, 2005.

[8] 方丹丹. 三維五向玻纖/炭纖混雜編織環氧樹脂復合材料沖擊性能和沖擊后彎曲性能[J].玻璃鋼/復合材料,2014(7):57-61.

[9] 陳利, 孫穎, 馬明. 高性能纖維預成型體的研究進展[J].中國材料進展, 2012,31(10):21-29.

[10] GB/T 1446—2005, 纖維增強塑料性能試驗方法總則[S].中華人民共和國國標, 2005.

[11] SACMA SRM 2R—94, SACMA recommended test method for compression after impact properties of oriented fiber-resin composites[S].Suppliers of Advanced Composite Materials Association, 1994.

[12] Masters John E.Strain gage selection criteria for textile composite materials[R].NASA CR 198286,Mar.1996.

[13] 陳利,李嘉祿.三維五向編織復合材料縱向性能的實驗研究[J].材料工程, 2005(8):3-6.

[14] 徐焜,許希武.三維六向編織復合材料力學性能的實驗研究[J].復合材料學報, 2005, 22(6):144-149.

[15] 曾金芳,喬生儒.F-12芳綸纖維混雜復合材料縱向壓縮性能研究[J].固體火箭技術,2004, 27(1):60-63.

(編輯：劉紅利)

Experimental investigation on the compression properties of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites after impact

LIU Li-min, SUN Ying, LI Tao-tao, SHI Bao-hui, CHEN Li

(Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin and Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Based on the 3D 5-directional(5d)and 6-directional(6d)braided architecture, four kinds of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites were designed and prepared. Then, the influence of hybrid style on the compression and compression after impact(about 18 J impact energy)properties of 3D5d and 3D6d braided composites were investigated. It was found that, with the same braided architecture,braided composites using Kevlar fiber as braided yarn, carbon fiber as axial yarn or transverse yarn, have the higher compression after impact properties; with the same hybrid style, the compression after impact properties of 3D5d braided composites are higher than those of 3D6d braided composites; when braided composites using Kevlar fiber as braided yarn, carbon fiber as axial yarn, the compression after impact properties of 3D5d braided composites is the highest and most insensitive to the low-speed impact damage, showing the higher impact damage tolerance. Further observations show, adding tough aramid fiber changes the compression failure mode of the non-hybrid carbon/epoxy composites.

Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites；hybrid style；impact；compression after impact

2015-10-09；

2015-11-10。

國家自然基金青年科學基金(11102133)。

劉麗敏(1988—)，女，碩士生，研究方向為三維編織復合材料。E-mail：877269239@qq.com

V258

A

1006-2793(2016)06-0803-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.012