三維編織復合材料橫向沖擊變形與細觀結構關系

李冰珂，王 磊，劉 濤，孫寶忠

(東華大學a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

三維編織復合材料具有良好的可設計性和結構完整性，尤其是其厚度方向上的增強從根本上克服了層合板層間結合力差、易分層等缺陷，廣泛應用于結構工程領域[1]。研究三維編織復合材料在高速沖擊下變形與細觀結構的關系，對抗沖擊三維編織復合材料的結構和性能設計有重要意義，是材料動態力學性能研究的一個重要方向。

近年來，國內外學者對三維編織復合材料沖擊動力學行為研究的報道較多。Majidi等[2]研究了三維編織和單向FP/AL-Li復合材料沖擊力學行為。Sun等[3]研究了應變率對三維編織復合材料面內和面外沖擊壓縮失效行為的影響。Zhang等[4]通過頻域分析方法對三維矩形編織復合材料進行橫向沖擊和低速沖擊測試，研究了材料能量吸收和破壞機制。

細觀結構對三維編織復合材料力學性能影響顯著。盧子興等[5]對三維四向(3D4D)和三維五向(3D5D)編織復合材料進行了彎曲試驗，發現軸紗的加入對3D5D編織復合材料變形機制影響顯著。Liu等[6]比較了3D4D和3D5D SiO2f/SiO2編織復合材料拉伸、彎曲和剪切力學性能，結果表明3D5D編織復合材料斷裂強度和斷裂韌性明顯高于3D4D編織復合材料。Li等[7-9]通過建立3D5D編織三單胞模型來預測3D5D幾何結構特征以及強度和剛度等力學性能，并在此基礎上采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)技術對3D5D碳/酚醛編織復合材料進行橫向壓縮測試，探究應變率效應對材料動態性能的影響。Zhou等[10-12]通過試驗和有限元模型相結合的方法，研究了編織角、編織層數、軸紗等結構效應對三維圓管編織復合材料力學性能影響，進一步揭示材料細觀結構損傷失效機理。然而，上述研究主要采用試驗及有限元方法來探究材料破壞機制，并未利用高速攝影技術捕捉材料在加載過程中的真實破壞和損傷擴展全過程。

本文采用高速攝影技術，利用實驗室自行搭建的SHPB-高速攝影機系統，記錄3D4D和3D5D編織復合材料的橫向沖擊變形過程，探究加載過程中材料真實變形和損傷擴展，從而揭示三維編織復合材料的失效機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

3D4D編織預成型體采用四步法1×1編織[13]而成。3D5D編織預成型體是在3D4D編織工藝基礎上沿編織方向加入不參與編織的軸紗制備而成[6]。三維編織預成型體及內單元細觀結構模型(CATIA V5軟件建立)如圖1所示。紗線選用T700-12K碳纖維(日本東麗)。紗線排列用m(行)×n(列)來表示，附加行列內的紗線根數為m+n根。編織紗排列為19×3，邊紗19+3根，軸紗作為不動紗沿編織方向嵌入編織紗中間，軸紗與編織紗比例為1∶2，總用紗數量計算如式(1)和(2)所示。

(a) 三維編織預成型體

(b) 3D4D內單元細觀結構模型

(c) 3D5D內單元細觀結構模型圖1 三維編織預成型體及3D4D、3D5D內單元細觀結構模型圖Fig.1 3D braided preform and interior unit microstructuremodel of 3D4D and 3D5D

N3D4D=m×n+(m+n)

(1)

(2)

式中：N3D4D為3D4D編織預成型體總用紗數；N3D5D為3D5D編織預成型體總用紗數。

采用真空輔助樹脂傳遞模塑法(VARTM)制備三維編織復合材料?；w選用JA-02型環氧樹脂(中國常熟佳發)，固化工藝為先于90 ℃下固化2 h，再于110 ℃下固化1 h，最后于130 ℃下固化4 h。三維編織復合材料制備工藝如圖2所示，其規格參數如表1所示。

(a) 預成型體制備

(b) 真空袋

(c) VARTM固化

(d) 復合材料成型圖2 三維編織復合材料制備Fig.2 Preparation of 3D braided composites

表1 三維編織復合材料規格參數Table 1 Parameters of 3D braided composites

1.2 試驗方法

本文采用SHPB-高速攝影機系統對三維編織復合材料進行橫向沖擊測試。SHPB裝置由氣槍、撞擊桿、輸入桿和信號采集處理裝置組成。高速攝影機系統由高速攝影機(中國上海西努光學科技)和輔助照明裝置組成，其中高速攝影機型號為i-SPEED 716，最高拍攝速度為500 000幀/s。

通過一維線彈性應力波理論[14]計算得到橫向沖擊試驗的載荷P(t)、位移μ(t)如式(3)～(5)所示。橫向沖擊測試示意圖如圖3所示。

P(t)=EA[εI(t)+εR(t)]

(3)

(4)

(5)

式中：εI(t)、εR(t)分別為入射波和反射波引起的應變；E、A、ρ分別為輸入桿彈性模量、橫截面積和密度；C0為應力波在輸入桿中的傳播速度。

通過高速攝影記錄每個時刻試件沖擊變形，采用Image J圖像分析軟件(National Institutes of Health開發)對圖片進行處理，利用閾值分割法[15]對圖片進行預處理，劃定目標區域并選取目標點，計算各個時刻試件上該點沖擊位移，表征試件沖擊變形，相對測量誤差在3%左右。選用0.20、 0.25、 0.30 MPa來探究不同氣壓下材料損傷機理，如圖4所示。應力波波寬反映沖擊時間，只和撞擊桿長度有關；波幅反映輸入桿的應力大小，只和撞擊桿速度有關[16]。由圖4可知，3種沖擊氣壓產生的應力波幅值隨著沖擊氣壓的增加而增大，3個應力波從上升沿到下降沿的時間基本不變。

圖3 橫向沖擊測試示意圖Fig.3 Diagram of transverse impact test

通過高速攝影實時拍攝，得到材料失效時刻沖擊循環(相鄰兩次應力波的時間間隔)變形圖像。3D4D試件在沖擊氣壓為0.30 MPa下第9個沖擊循環斷裂失效變形圖如圖5所示。假定每一個沖擊循環內，桿子沖擊試件初始時刻為0 μs。本文所采用的拍攝速度為50 000幀/s，每個沖擊循環為700 μs。

圖4 不同氣壓應力波信號圖Fig.4 Signal diagram of stress waves under different gas pressures

圖5 3D4D試件第9個沖擊循環高速攝影失效變形圖Fig.5 High speed failure deformation of 3D4D sample in the 9th impact cycle

2 結果與討論

3種沖擊氣壓條件下3D4D、 3D5D試件的載荷-位移和位移-時間曲線對比如圖6所示。試件沖擊載荷峰值和位移都隨著沖擊氣壓增加而增大，而隨沖擊循環次數的增加而減小。相同氣壓下，與3D4D試件相比，3D5D試件的沖擊載荷峰值較大，沖擊變形較小且位移差距隨著沖擊氣壓的增加而增大。

這里分別選取3D4D、3D5D試件在第1個沖擊循環內位移-時間曲線對試件失效前彈塑性變形進行研究，結果如圖7所示。由圖7可知，兩種試件曲線均呈現一定的波動性，從曲線可以看出位移變化有兩個階段，即上升(Ⅰ)階段、回彈(Ⅱ)階段。Ⅰ階段為線性階段，在此階段內壓縮應力波到達入射桿端面，入射桿撞擊試樣，試樣受力變形后位移增加，在160 μs時刻(2點處)達到最大位移。Ⅱ階段為回彈階段，此時壓縮應力波作用結束，入射桿不再運動，應力波沖擊能部分被試件吸收，轉化為試件變形能。由于沖擊波作用，試件產生振動，導致位移-時間曲線產生波動，此時位移反映了沖擊后試件的真實變形。與3D4D試件相比，3D5D試件在Ⅰ階段沖擊位移較小，在Ⅱ階段位移波動幅度也較小。由此表明，軸紗的存在增加了3D5D編織復合材料彎曲模量，提高了試件抗橫向沖擊變形的能力。

(a) 載荷-位移曲線

(b) 位移-時間曲線圖6 3種氣壓條件下3D4D、3D5D試件的載荷-位移曲線和位移-時間曲線對比圖Fig.6 Comparison of load-displacement curves anddisplacement-time curves of 3D4D and 3D5Dsamples under three pressures

(a) 3D4D試件

(b) 3D5D試件圖7 3D4D、3D5D試件第1個沖擊循環位移-時間曲線Fig.7 Displacement-time curves of 3D4D and 3D5Dsamples in the 1st impact cycle

對圖7曲線上1、2兩點進行研究，3D4D、3D5D試件的沖擊變形最大位移如表2所示。與3D4D試件相比，3種氣壓下3D5D試件在第一個沖擊循環最大沖擊位移較小，抵抗橫向沖擊變形能力較好。

表2 3種沖擊氣壓下3D4D、3D5D試件的最大沖擊位移Table 2 Maximum impact displacement of 3D4D and 3D5Dsamples under three impact gas pressures

兩種試件在第9個沖擊循環位移-時間曲線如圖8所示。在沖擊氣壓0.30 MPa下3D4D試件的位移-時間曲線波動劇烈，沖擊位移驟增，變形急劇增加，最終試件發生斷裂并整體失效。其余曲線波動較小，沖擊變形增加緩慢，試件未斷裂。

圖8 3D4D、 3D5D試件第9個沖擊循環位移-時間曲線Fig.8 The 9th impact cycle displacement-time curves of 3D4D and 3D5D samples

選取圖8中沖擊氣壓為0.30 MPa條件下1～6時刻試件損傷變形圖像進行研究，如圖9所示。

圖9 3D4D、3D5D試件在0.30 MPa條件下高速攝影失效變形圖Fig.9 High speed failure deformation of 3D4D and3D5D samples under 0.30 MPa

由圖9(a)可知：在1時刻，3D4D試件沖擊側面形成沿編織角方向擴展的剪切帶；2時刻沖擊背面纖維束沿著剪切帶方向開始斷裂；3時刻，斷裂由沖擊背面向沖擊面擴展；4時刻，纖維束完全斷裂，達到最大沖擊變形；5時刻，試件回彈，變形回復。由圖9(b)可知，與3D4D試件相比，3D5D試件紗線屈曲變形并伴有樹脂脆裂及脫落，沖擊側面產生剪切帶，損傷擴展不明顯。在本試驗條件下，3D5D試件的纖維未斷裂，結構保持完整。圖10為編織紗和軸紗應力狀態示意圖。3D5D編織復合材料中軸紗不參與編織，垂直于施加載荷F，且其編織紗受到的載荷Fcosα小于軸紗。在沖擊變形時，軸紗先承力，其應力迅速增強，紗線產生屈曲變形并沿軸向傳播給編織紗，有效抵抗沖擊變形。

3種沖擊氣壓條件下3D4D、3D5D試件橫向沖擊最終破壞形態如圖11所示。由圖11可知，3D4D、3D5D試件損傷程度都隨著沖擊氣壓增大而增大，且損傷區域都集中在沖擊區。在相同氣壓下兩種試件的破壞模式有顯著差異。當沖擊氣壓為0.20 MPa時，3D4D試件主要破壞模式為樹脂沿編織方向開裂，沖擊面邊緣部分基體脫落；3D5D試件樹脂脆裂，沖擊損傷面積較小。當沖擊氣壓為0.25 MPa 時，3D4D試件樹脂和纖維束脫黏，裂紋向沖擊周圍區域擴展；3D5D試件沖擊損傷區域增大，裂紋橫向擴展不明顯。當沖擊氣壓為0.30 MPa時，3D4D試件纖維束斷裂并產生抽拔，部分纖維束表現出剪切破壞特征，斷裂口基本平整，呈現一定脆性特征；3D5D試件沖擊區樹脂脫落，裂紋沿橫向擴展。3D4D試件主要失效模式包括基體脆裂、界面脫黏及開裂、纖維束斷裂，而3D5D試件主要破壞模式是表面大量樹脂脆裂及脫落。由此表明，軸紗增大了3D5D試件的彎曲模量，使該三維編織復合材料抗橫向沖擊變形能力提高。

(a) 軸紗

(b) 編織紗圖10 軸紗和編織紗應力狀態示意圖

Fig.10Theschematicdiagramofstressstateoftheaxialyarnsandbraidingyarns

(a) 3D4D試件

(b) 3D5D試件圖11 3種沖擊氣壓條件下3D4D、3D5D試件最終破壞形態圖Fig.11 Final damage morphology of 3D4D and 3D5Dsamples under three gas pressures

3 結 論

(1) 在本文試驗條件下，三維編織復合材料橫向沖擊載荷峰值隨著沖擊氣壓增加而增大，而隨沖擊循環的增加而減小。與3D4D試件相比，3D5D試件沖擊載荷峰值較大，沖擊變形較小。

(2) 沖擊循環位移-時間曲線存在上升和回彈兩個階段。與3D4D試件相比，3D5D試件最大沖擊位移較小。沖擊氣壓為0.30 MPa時，3D4D試件在第9個沖擊循環發生斷裂，斷裂失效時刻試件曲線波動劇烈，位移驟增，變形急劇增加。3D5D試件的沖擊循環位移-時間曲線平緩，位移增加緩慢，未發生斷裂失效，結構保持完整。

(3) 3D4D編織復合材料主要破壞模式包括：基體脆裂、樹脂與纖維脫黏、界面開裂、纖維束橫向剪切斷裂及抽拔。3D5D編織復合材料在沖擊變形時軸紗先承力，使紗線屈曲變形，應力沿軸向傳播，結構保持完整，破壞模式主要是基體脆裂及脫落。因此，軸紗提高了3D5D編織復合材料彎曲模量，對抵抗橫向沖擊變形影響顯著。