縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料低速沖擊及損傷檢測

胡根泉，賴家美*，龔小輝，羅毅杰，黃志超

(1.南昌大學機電工程學院聚合物成型研究室，南昌 330031；2.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌 330013)

0 前言

碳纖維泡沫夾芯結構復合材料是隨著火箭、宇航及航空等尖端科學技術的發展而提出的，在保留原碳纖維復合材料比重小、剛性好、強度高，比模量突出等優點的同時，由于泡沫的加入增加了其抗沖擊性能，現已廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域[1-5]。Wang等[6]研究了沖頭直徑、沖擊能量、泡沫芯厚度等影響因素對未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的沖擊性能和沖擊損傷狀態的影響，結果表明，傳統的泡沫夾芯復合材料存在層間強度低、易分層和沖擊阻抗低的致命弱點。為此Stanley等[7]首先提出了縫合泡沫夾芯結構的復合材料，極大地提高了泡沫夾芯復合材料的抗沖擊性能。

目前Xia等[8-9]主要對縫合玻璃纖維泡沫夾芯復合材料的抗沖擊性能在實驗或者模擬方面進行了研究，鄒如榮等[10]通過數值模擬研究了相同沖擊能量下的縫合與未縫合玻璃纖維泡沫夾層結構低速沖擊響應過程及面板的損傷情況。一些學者[11-13]對復合材料層板和蜂窩夾芯板進行了超聲波檢測，劉松平等[14]利用超聲波掃描成像檢測技術對碳纖維復合材料板進行檢測，結果表明，該技術可以同時獲得材料結構內部不同深度層的損傷圖像。對于縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料來說，由于縫合會引起不同程度的纖維損傷及縫合也對沖擊及沖擊后損傷會帶來很大影響，但對該材料的沖擊性能，尤其是對其沖擊后損傷檢測研究少有報道。

本文用落錘沖擊試驗機對未縫合和縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料板進行對比沖擊實驗，再利用水浸超聲波掃描成像系統對沖擊后的碳纖維泡沫夾芯復合材料板進行檢測，并分析復合材料板面板層及泡沫層損傷圖像，為揭示縫合對纖維的損傷及對沖擊后損傷的影響具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

環氧樹脂，R688，廈門宥德材料科技有限公司；

胺類固化劑，H3268，廈門宥德材料科技有限公司；

單軸向碳纖維，CF-L300，廈門維曼材料科技有限公司；

導流網，VI160，上海瀝高科技有限公司；

真空袋膜，Vacfilm 400Y，上海瀝高科技有限公司；

縫線，Kevlar29(1500旦)，美國DuPont公司；

聚氨酯泡沫，PUR，廈門維曼材料科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

樹脂收集器，SJQ-10，廈門維曼材料科技有限公司；

模具，鋼化玻璃尺寸為120 cm×180 cm，南昌正川玻璃有限公司；

真空泵，X-25，德國Busch股份有限公司；

數控水刀，HSQ3020，南京合展精密技術有限公司；

落錘沖擊試驗機，DIT123E，深圳萬測試驗設備有限公司；

水浸超聲波特征掃描成像系統、脈沖發射接收儀以及水浸聚焦探頭，UT-Scan-1，美國GE公司。

1.3 樣品制備

碳纖維泡沫夾芯復合材料采用環氧樹脂作為基體材料，單軸向碳纖維作為增強材料，固化劑作為固化材料，厚度為10 mm的聚氨酯硬質泡沫作為中間夾層材料，縫線作為縫線材料，縫線間距為15 mm×15 mm,鋪層方式：采用上下碳纖維面板采用[0/90]4上下對稱，各為8層。先用改進的鎖式縫法將碳纖維與硬質泡沫制成預成型體，環氧樹脂與固化劑的質量比為5∶1，最后在真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)下制備未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料，通過數控水刀切割制備沖擊試樣，其尺寸大小為150 mm×100 mm×15 mm，如圖1所示。

(a)未縫合樣品 (b)縫合樣品圖1 沖擊樣品成型體Fig.1 Impact sample forming body

1.4 性能測試與結構表征

沖擊性能按ASTM D7136測試，在落錘沖擊試驗機進行10 J和20 J能量的沖擊實驗，選用了半球形沖頭和2.5 t的傳感器，該沖頭直徑為16 mm，錘體總質量為5.5 kg；

復合材料內部結構損傷無損檢測：采用水浸超聲波特征掃描成像系統檢測復合材料沖擊面板不同深度層的損傷情況；選擇頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭,掃描速度為30 mm/s，脈沖的重復頻率為100 Hz,步距為0.2 mm；超聲波在復合材料的聲速為3 000 m/s，增益值為15 dB。

2 結果與討論

2.1 沖擊實驗分析

在10 J和20 J的沖擊能量下，未縫合和縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料沖頭接觸力隨時間變化曲線如圖2所示。可以看出，無論是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料，在不同沖擊能量下的沖擊力隨時間的變化規律相似,近似看成正弦變化。

沖擊能量/J，有無縫合：1—20，縫合 2—20，未縫合 3—10，縫合4—10，未縫合圖2 不同沖擊能量下的力 - 時間曲線Fig.2 Force-time curve under different impact energies

由圖2可知，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料在相同能量的沖擊初始階段中，其沖擊載荷趨勢均隨著時間的增加而增大，但縫合碳纖維復合材料的沖擊載荷增長速度和最大沖擊載荷均比未縫合碳纖維復合材料的增長速度和最大沖擊載荷大，但是曲線上升的過程中，此階段曲線并不光滑，相對未縫合碳纖維泡沫夾芯復合來說具有一定的波動性。其原因是：沖頭接觸上層碳纖維面板后，由于環氧樹脂基體固化后的強度較低，極易造成基體開裂現象，同時也出現了界面分層損傷。故外力通過環氧樹脂基體材料集中傳遞到縫線樹脂柱，使其更好地承受大部分沖擊載荷，這就更好地解釋了縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的抗沖擊性能較未縫合碳纖維夾芯復合材料抗沖擊性能來說更好。當2種復合材料的沖擊載荷達到最大值時，未縫合碳纖維復合材料的沖擊載荷下降速度明顯要比縫合碳纖維復合材料下降的速度緩慢，這主要是因為縫線的加入會直接破壞復合材料的整體結構，減弱泡沫吸收與緩沖能量的作用。且曲線下降時的波動性較小，這是由于縫合碳纖維復合材料的縫線樹脂柱承受較大的沖擊載荷之后發生了破環從而部分失去承受了沖擊載荷的能力，導致其沖擊載荷下降的趨勢與未縫合碳纖維復合材料下降的趨勢差別不大。在沖擊能量為10 J和20 J時，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的時間-載荷曲線的變化趨勢及波動性類似。

沖擊能量/J，有無縫合：1—20，未縫合 2—20，縫合 3—10，未縫合4—10，縫合圖3 不同沖擊能量下的位移 - 時間曲線Fig.3 Displacement-time curve under different impact energies

由圖3可以看出,縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復合板受不同能量的沖擊過程中，沖頭從接觸復合材料板至到達最大位移這一階段，位移隨著時間變化逐漸增大，近似線性關系,最后趨于平穩達到最大位移，但縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料到達最大位移所用的時間要小于未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料所用的時間。從沖擊能量的對比可以看出，20 J沖擊能量下的沖頭位移要大于10 J能量下的沖頭位移；從復合材料板有無縫合對比來看，未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料板的沖頭位移始終大于縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料板的位移。這是由于縫合泡沫夾芯復合材料板中，由于縫線的加入將復合材料的上、下纖維面板與中間泡沫層縫合成一個整體結構，既增強了界面層的抗分離能力，同時也起到類似于螺栓的支撐作用，導致縫合復合材料剛度要比未縫合復合材料剛度大。

2.2 水浸超聲波掃描結果及分析

在20 J的沖擊能量下，由于沖頭與夾具的共同作用，導致縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯結構復合材料主要承受類似彎曲變形，而泡沫芯層受擠壓破壞吸收一小部分能量，導致復合材料的沖擊、非沖擊面板發生變形的程度有所不同，沖擊面板的變形較大，損傷區域也因此較大；而非沖擊面板變形小，損傷區域也因此較小。故分析復合材料沖擊面板的損傷情況具有很大意義。

依據水浸超聲波掃描儀的回波特性原理：當入射聲波向復合材料內部傳播時，如果材料內部存在損傷缺陷時，材料的聲阻抗變化較大，導致入射聲波發生強烈反射形成缺陷回波；若材料完好無損，入射聲波最終到達該材料底部形成反射回波。再對比2種回波信息，得到復合材料內部損傷面積及損傷深度位置。對未縫合和縫合的碳纖維泡沫夾芯復合材料沖擊纖維面板各個纖維層進行內部損傷探究。超聲C掃描檢測復合材料的沖擊面，第一層從沖頭接觸層算起，以0.3 mm為每層厚度逐層向內檢測，檢測到的損傷面積大致與實際損傷面積相似。未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯結構碳纖維復合材料沖擊面板各共8層的受損情況如圖4所示。

有無縫合，層厚度/mm：(a)未縫合，0～0.3 (b)縫合，0～0.3 (c)未縫合，0.3～0.6 (d)縫合，0.3～0.6(e)未縫合，0.6～0.9 (f)縫合，0.6～0.9 (g)未縫合，0.9～1.2 (h)縫合，0.9～1.2 (i)未縫合，1.2～1.5 (g)縫合，1.2～1.5(k)未縫合，1.5～1.8 (l)縫合，1.5～1.8 (m)未縫合，1.8～2.1 (n)縫合，1.8～2.1 (o)未縫合，2.1～2.4 (p)縫合，2.1～2.4圖4 20 J沖擊能量下未縫合與縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料在不同深度層的損傷Fig.4 Damage of unstitched and stitched carbon fiber foam sandwich composite materials in different depth under the impact energy of 20 J

沖擊受損缺陷是不同的，主要表現為基體開裂、分層和纖維斷裂。在圖4中利用不同顏色來進行標識。對于2種復合材料的沖擊面板層而言，根據探頭接收的能量情況來設置其復合材料的失效模式，紅色區域標定為纖維斷裂，這主要是由于入射波完全被反射回來；而包覆在紅色區域的周圍顏色是根據材料受損程度的不同而標定的，主要表現為：此時的入射波有一部分作為反射回波被探頭接收，一部分是作為缺陷回波被探頭接收，對比兩者能量的多少來判定其受損程度，越靠近紅色區域，受損越嚴重；黑色區域標定為分層，主要是因為反射面與超聲探頭沒有形成垂直，導致探頭無法接收反射回波；紫色與藍色分別標定為未縫合與縫合復合材料的無缺陷部分。

從纖維損傷形狀而言，未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料在1～3層沖擊點位置損傷比較集中，呈現小塊狀；而在4～5層受損部分分散在沖擊點位置周圍，但損傷程度相對前3層來說較為輕微，這可能是由于泡沫層會吸收一部分沖擊應力，導致其應力在復合材料纖維面板的傳遞呈逐層減弱；在6～8層受損部分呈現粒子狀散亂分布，并且出現沿長度方向延伸的現象。這可能是與復合材料在沖擊過程中所受應力有關，試件在沖擊過程中，當試件中心點位置受到沖頭向下的載荷時，復合材料四周受到夾具向上的載荷，這類似于彎曲變形。由于該復合材料并沒有縫線樹脂柱的支撐作用，導致其纖維斷裂會由外到內逐層不斷向沿沖擊點位置向四周發散，而試件的長度方向尺寸比寬度方向尺寸大很多，其更容易受到沖擊影響，因而纖維斷裂更容易在長度上產生。

從纖維損傷面積可以看出，縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料在1～8層損傷區域分布較為集中，呈現小塊狀。這是由于縫線抑制了沖擊載荷下復合材料板內損傷的擴散;不管是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的損傷面積都是沿沖擊面向內部損傷是逐漸減小的趨勢。縫合復合材料結構中的損傷是由于縫線的引入造成的。

從分層損傷來講，縫合與未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料在6～8層的分層損傷情況要比1～5層明顯，這主要是因為根據超聲探頭接收的能量不同，復合材料發生纖維斷裂要落后于分層損傷，而且前者也比后者的損傷更嚴重，故在圖中紅色區域覆蓋了黑色區域，所以前5層主要表現出纖維斷裂損傷。而縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的分層損傷情況比未縫合更為嚴重，這是因為其縫線破壞復合材料的整體性，受沖擊的影響后容易出現分層現象。

通過Image J數字圖像處理軟件分析測量未縫合和縫合碳纖維泡沫夾層結構復合材料沖擊上面板各層纖維的損傷面積，其損傷面積對比情況如圖5所示。可以看出，未縫合和縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的損傷面積都是逐漸減小的，而前者損傷面積隨著碳纖維層向內深入而減少的速度明顯要比后者快很多，可能是由于與沖頭直接接觸的碳纖維面板基體出現開裂，基體裂紋會在層間界面上的擴展導致未縫合碳纖維復合材料的力學性能較差。此外，同一層對比縫合纖維層的損傷面積比未縫合纖維層的損傷面積要小。這是由于縫線的加入不僅增強了復合材料法向強度性能，而且縫線固化后所形成的樹脂柱直接通過環氧樹脂基體的傳遞承受其大部分沖擊載荷，避免纖維層很大程度上受損。

—未縫合 —縫合圖5 20 J沖擊能量下未縫合與縫合泡沫夾芯復合材料在不同層的損傷面積對比Fig.5 Comparison of damage area for unstitched and stitched carbon fiber foam sandwich composite materials under the impact energy of 20 J

圖6表示的是影響因子[(未縫合受損面積 - 縫合受損面積)/未縫合受損面積]與各層間的關系圖，它表明了縫合對復合材料板在不同層下的損傷影響。可以看出，與無縫合板相比，縫合碳纖維復合材料的損傷面積有不同程度的減小。在中間層第3～6層的損傷面積大約只減小了5 %；在第2層和第7層的損傷面積幾乎下降了30 %；而在第1層和第8層的損傷面積下降了近50 %。

圖6 縫線對不同層分層損傷的影響Fig.6 Effect of stitch on different ply delamination damage

3 結論

(1)無論是縫合還是未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料，在不同沖擊能量下的沖擊力隨時間的變化規律相似,而在相同沖擊能量下，縫合比未縫合碳纖維泡沫夾層復合材料的最大沖頭載荷要大，但接觸時間及最大沖頭位移均比未縫合的復合材料接觸時間和最大沖頭位移要小；

(2)未縫合泡沫夾芯復合材料結構在1～3層在沖擊點位置附近損傷比較集中呈現小塊狀；而在遠離沖擊表面4～8層受損部分呈粒子狀散亂分布，并且受損區域沿著縱向向兩端分化；而縫合泡沫夾芯復合材料結構1～8層損傷部分比較集中，呈現小塊狀，這是由于縫線抑制了沖擊載荷下復合材料板內損傷的擴散；

(3)無論是未縫合還是縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料，各鋪層損傷面積都是從沖擊表面向內部逐漸減小的；同一纖維層損傷對比，縫合比未縫合碳纖維泡沫夾芯復合材料的每層損傷面積都要小；此外縫合的抑制損傷效果在表面層和最內部層效果顯著，而在中間層縫線的效果一般。