G/C緯向混雜淺交彎聯三維機織復合材料的低速沖擊性能

陳 偉 張 楠 李 超 周光明

（1 南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室，南京 210016）

（2 中材科技股份有限公司南京玻璃纖維研究設計院，南京 210012）

文 摘 為了研究纖維混雜對三維機織復合材料低速沖擊性能的影響，本文基于同一種淺交彎聯三維機織結構制備成型了全碳纖維（T700）和玻璃/碳纖維（E-glass/T700）緯向混雜兩種不同的復合材料。以上述兩種復合材料為研究對象進行低速沖擊實驗，試驗時設定沖擊能量分別為10、23 和40 J。結果表明：在不超過40 J 的沖擊能量下，兩種復合材料均未被沖破；在三種沖擊能量下，混雜材料的峰值力均小于全碳材料，其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的沖擊能量下，混雜材料的損傷程度小于全碳材料；但當沖擊能量達到40 J時，混雜材料的損傷程度大于全碳材料。

0 引言

與層合板和二維機織復合材料相比，三維機織復合材料由于其紗線在材料內迂回曲折的紡織結構，具有優越的抗分層性能和抗沖擊性能［1-2］。得益于其比強度、比模量高的優點，近年來碳纖維增強三維機織復合材料在航空航天、汽車、船舶、機械制造等領域得到了廣泛的應用。在上述應用環境中，低速沖擊載荷時而發生［3］，然而由于碳纖維本身質硬且韌性差的缺點，導致碳纖維增強三維機織復合材料抵抗損傷的能力也較差。

目前，增強復合材料的抗沖擊與抗損傷性能的方法已經被廣泛研究。其中一種方法旨在通過提高基體材料的力學性能來達到目的。REIS 等人［4］在凱夫拉纖維/環氧樹脂基復合材料中分別填充軟木粉與納米黏土兩種不同的填充料，研究不同填充料對材料沖擊行為和損傷容限的影響。研究發現，填充料的添加增大了材料的沖擊載荷，特別是在沖擊能量較高的情況下，黏土的添加增大了材料約29%的破壞面積，但使材料的剩余強度得到增強。

另外，纖維混雜也成為近年來研究的熱點。SARASINI 等［5］研究了玄武巖纖維混雜對碳纖維/環氧樹脂基復合材料準靜態力學和低速沖擊性能的影響，兩種不同疊層混雜順序的二維機織復合材料分別在5、12.5和25 J能量下進行低速沖擊以及剩余性能試驗。研究表明，插層式混雜復合材料在受低速沖擊載荷時有更好的能量吸收能力，起到了增強全碳纖維復合材料抗損傷能力的作用，而夾層式混雜復合材料表現出更好的抗彎曲性能和更高的剩余強度。

上述研究關注的重點是不同的層疊順序對材料低速沖擊性能的影響，本質上都是層間混雜。PEGORETTI 等［6］研究了兩種不同結構（層間混雜和層內混雜）的無堿玻璃纖維/PVA 混雜層疊機織復合材料的低速沖擊性能。在該研究中，層內混雜復合材料有著更好的拉伸和沖擊性能。WANG 等［7］研究了混雜三維機織復合材料中纖維排列對低速沖擊性能的影響。在該研究中，芳綸纖維、玄武巖纖維和環氧樹脂被用來制造層間混雜和層內混雜兩種不同結構的復合材料。研究表明，層間混雜復合材料與層內混雜復合材料相比，具有更高的韌性指數、更低的峰值載荷和更高的能量吸收率。

楊斌等［8］利用真空袋輔助熱壓工藝制備了玻-碳纖維機織混雜復合材料層合板（GF-CF/PCBT），以試驗和仿真相結合的方式研究了該材料的層間性能和低速沖擊性能。研究發現：盡管CF/PCBT 復合材料具有優異的層間性能，當沖擊能量達到114.3 J 時，CF/PCBT 復合材料層合板被完全穿透，而GF-CF/PCBT 混雜復合材料層合板只在表面形成凹痕，且根據仿真結果顯示，沖擊引起的應力在CF 中的分布區域要明顯大于在GF中的分布區域。

以上研究的共同點都是用高應變率纖維（如玻璃纖維、芳綸纖維等）的混入來提高脆性纖維增強復合材料對沖擊載荷的抗損傷能力。易凱等［9］研究了混雜纖維復合材料層合板的抗彈沖擊性能，研究表明不論是碳纖維或者是玻璃纖維的混入，其抗彈沖擊性能均優于純芳綸復合材料。其將應變率較低的纖維混入芳綸纖維中，也得到了較好的試驗結果。

由于復合材料結構的復雜性和混雜形式的多樣性，纖維混雜對于復合材料力學性能的影響也是多變的，至今沒有找到普適性的規律，需要對特定的結構進行具體的分析。在現有的文獻中，仍多集中于對二維結構層間混雜的研究，對三維結構纖維混雜的研究較少。另外，在混入纖維的選擇上，高強度纖維（如芳綸纖維）的關注度較高，而諸如玻璃纖維之類的廉價纖維則被忽視。廉價纖維的混入能否在保證材料力學性能的前提下獲得較高的性價比，仍然是一個值得研究的課題。本文將無堿玻璃纖維混入一種特定結構的碳纖維三維機織復合材料中，研究無堿玻璃纖維的混入對材料抗沖擊性能的影響，比較混雜前后兩種材料沖擊響應和損傷情況的變化。

1 實驗

1.1 試件制作

淺交彎聯三維機織復合材料的結構形式如圖1所示。全碳纖維增強三維機織復合材料（以下簡稱全碳材料，用C 表示）的經、緯紗均采用碳纖維機織而成；玻璃/碳纖維緯向混雜三維機織復合材料（以下簡稱混雜材料，用G/C表示）的經紗仍采用碳纖維，而緯紗間隔性地以1∶1 的比例替換為玻璃纖維（圖2）。

圖1 三維機織復合材結構Fig.1 The structure of 3D woven composites

圖2 玻璃/碳纖維纖維混雜形式Fig.2 Hybridization of carbon and glass fibers

淺交彎聯三維機織結構預制體所使用的碳纖維為日本東麗公司生產的T700-12K 型纖維；玻璃纖維為中材科技股份有限公司南京玻璃纖維研究設計院生產的無堿玻璃纖維。成型所使用的樹脂體系為美國瀚森（HEXION）有限公司生產的EPIKOTE?Resin MGS?RIMR036 樹脂和EPIKURE?Curing Agent MGS?RIMH039固化劑。

采用RTM 工藝將三維機織結構預制體固化成型，得到厚度約3.4 mm 的板材，兩種材料的纖維體積分數等參數詳見表1。根據低速沖擊標準ASTM D7136/D7136M-15［10］中規定，將板材制作成尺寸為150 mm×100 mm的試驗件。

表1 沖擊試驗件材料參數表Tab.1 Thickness and fiber volume fraction of the specimens

1.2 低速沖擊試驗

低速沖擊試驗在南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室進行，試驗設備采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗系統。試驗過程中設定的沖擊能量分別為10、23 和40 J，每種沖擊能量對應的試驗件共5 件。為了在記錄試驗數據時便于區分，在每種材料編號后加上沖擊能量的數值來表示不同工況的試驗件，如C-10 表示沖擊能量為10 J的全碳材料試驗件。

INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗系統會自動采集低速沖擊試驗過程中的力、能量、位移和持續時間等數據，將采集的數據進行整理可以得到兩種材料在不同沖擊能量下的力-位移曲線和能量-時間曲線。

2 結果分析

2.1 低速沖擊響應

圖3為全碳材料和混雜材料在低速沖擊試驗中的力-位移響應曲線。

圖3 力-位移響應曲線Fig.3 Force-displacement curves

可以看到，兩種試驗件在受低速沖擊過程中，峰值力和最大位移均隨著沖擊能量的增大而增大；在相同的沖擊能量下，全碳材料的峰值力大于混雜材料，而混雜材料的最大位移則大于全碳材料。有研究表明材料的初始模量對低速沖擊峰值力影響較大［11］。結合圖3可知，由于碳纖維本身模量較大的特點，全碳纖維試驗件在受低速沖擊過程中變形量小，所受的沖擊載荷較大；相比較而言，由于玻璃纖維的混入，混雜材料模量降低，低速沖擊過程中變形量大，而所受的沖擊載荷較小。

圖4為全碳材料和混雜材料在低速沖擊過程中的吸收能量-時間響應曲線。在相同的沖擊能量下，兩種材料響應曲線的變化趨勢基本相同，混雜材料在低速沖擊過程結束后的吸收能量要比全碳材料多，并且整個沖擊過程持續的時間也較長。

圖4 能量-時間響應曲線Fig.4 Energy-time curves

為了進一步比較兩種材料在低速沖擊下的響應過程，將沖擊試驗過程的具體數據整理于表2中。由表2可知，在10、23 和40 J 的沖擊能量下，混雜材料所承受的峰值力較全碳材料分別下降了13.4%，9.7%和4.6%；沖擊過程中的最大位移分別比全碳材料增加了6.9%、7.7%和5.4%；吸收能量分別比全碳材料增加了35.9%、16.8%和0.5%；而沖擊過程持續的時間分別比全碳材料延長了9.9%、7.5%和2.8%。總的來說，由于玻璃纖維的混入，材料的總體模量下降，其沖擊響應也隨之變化。隨著沖擊能量的增大，兩種材料沖擊響應之間的差異逐漸減小。

表2 沖擊試驗結果Tab.2 Parameters obtained from impact tests on carbon and hybrid composites

2.2 沖擊損傷評估

材料沖擊后的損傷程度是衡量其抗低速沖擊性能的優劣的重要指標之一。低速沖擊試驗結束后，為了觀察試驗件表面的損傷情況，采用光學顯微鏡拍攝試驗件正反表面受沖擊附近區域。圖5和圖6分別給出了全碳材料試驗件和混雜材料試驗件正反表面的損傷情況。

圖5 全碳材料表面損傷情況 10×Fig.5 Morphologies of damage in the front and back faces of carbon composites

圖6 混雜材料表面損傷情況 10×Fig.6 Morphologies of damage in the front and back faces of hybrid composites

由圖5可見，沖擊能量為10 和23 J 時，全碳材料試驗件正面均未出現明顯損傷，但是在背面出現了延展式的發散性微小裂紋；沖擊能量為40 J 時，全碳材料試驗件的正面出現了明顯的凹坑，背面則有凸起。由圖6可見，沖擊能量為10 和23 J 時，混雜材料試驗件的正面也未出現明顯損傷，但背面同樣出現了裂紋；沖擊能量為40 J 時，混雜材料試驗件的正面和背面也出現了凹坑和凸起。

可以看到在沖擊能量為10 和23 J 時，兩種試驗件的正面均未出現明顯的損傷；而背面產生的損傷明顯大于正面。相比較而言，全碳材料背面裂紋相對較細，向外發散的距離較長，而混雜材料背面裂紋稍寬，且沒有向外發散，裂紋區域的面積比全碳材料要小。這主要是因為在低速沖擊初始階段，沖頭接觸試驗件使其受沖擊附近區域產生屈服于落錘的球形曲面的相似曲線的變形。該變形使試驗件厚度方向上靠近背面部分的拉向應變明顯大于靠近正面部分的應變，而試驗件正面在沖擊過程中主要受落錘沖頭的壓力，在沖擊能量較小的情況下不容易產生損傷。所以，試驗件背面的損傷面積明顯大于正面。另一方面，由于全碳材料模量較大，沖擊應力波在其中傳播較快，故背面裂紋發散范圍比混雜材料大。

當沖擊能量達到40 J 時，兩種材料均出現了相似的永久損傷，試驗件正面可以清晰看到落錘沖頭作用產生的圓形壓痕，背面損傷面積仍大于正面，但正面凹坑深度大于背面凸起的高度。

為了進一步測定兩種材料內部的損傷情況，分別對各沖擊能量下的試驗件進行超聲C 掃檢測，得到掃描圖像如圖7所示。從圖7中可以清晰地看到兩種材料三維機織結構的紗線走向，圖中白色區域即為材料的損傷區域。可見，隨著沖擊能量的增加，兩種材料的損傷面積均逐漸增大，損傷區域的形狀均近似呈圓形。

圖7 超聲C掃檢測圖像Fig.7 Ultrasonic C-scan images

將超聲C 掃圖像中顯示的損傷區域邊緣描出，估算材料的損傷面積。另外，能量吸收率（吸收能量與沖擊能量的比值）和材料在沖擊后殘留的凹坑深度都是表征損傷程度的重要指標。將這些指標的具體數值整理于表3中。

表3 材料損傷參數Tab.3 Damage parameters of the materials

綜合考慮各項損傷指標，當沖擊能量為10 J時，全碳材料和混雜材料的能量吸收率分別為38.5%和58.4%，損傷面積分別為19和5 mm2，并且都未見明顯的殘留凹坑。相比較而言，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高35.9%，而其損傷面積卻比全碳材料小72.3%。這說明在10 J的沖擊能量下，混雜材料能夠更多地吸收沖擊物的能量，并確保損傷面積更小，其抗低速沖擊性能優于全碳材料。同樣地，當沖擊能量為23 J時，全碳材料和混雜材料的能量吸收率分別為59.8%和69.9%，損傷面積分別為47和40 mm2，凹坑深度分別為0.24和0.31 mm。相比較而言，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高16.8%，而其損傷面積比全碳材料小13.6%，且兩者殘留凹坑的深度相差不大。這說明在23 J的沖擊能量下，混雜材料的抗沖擊性能仍然優于全碳材料，只是優勢已不如10 J時明顯。

觀察比較沖擊能量為10和23 J時兩種材料試驗件表面的損傷形貌，同時結合超聲C掃檢測結果可以發現，在較低的沖擊能量下，兩種材料的破壞形式僅限于基體開裂，并沒有觀察到纖維斷裂與抽拔破壞。相比較來說，混雜材料裂紋明顯但損傷面積小，而全碳材料裂紋較細但損傷面積大。這說明混雜材料沖擊應力集中，而全碳材料中沖擊應力波傳播較快，傳播面積較大。結合能量吸收率，當沖擊能量較小時，混雜材料在沖擊過程中吸收的能量并沒有全部用于產生永久性破壞。當施加低速沖擊載荷時，混雜材料由于模量較小而產生較大變形，該特性使得混雜材料應力水平較小且能夠將一部分吸收能量通過振動等方式耗散掉，從而表現出良好的柔韌性，這是混雜材料相較于全碳材料而言能量吸收率高但損傷程度小的原因之一。相對地，全碳材料由于模量較大，其在受低速沖擊載荷時變形量小，從而整體應力水平較大且由于沖擊應力波在其中傳播速度快、范圍廣，吸收的能量更容易導致材料發生永久性變形（低能量下表現為基體開裂范圍大）。這也是較低沖擊能量下全碳材料能量吸收率低但其損傷面積反而大的原因。

當沖擊能量達到40 J時，混雜材料的能量吸收率比全碳材料高0.5%，損傷面積比全碳材料大2.9%，凹坑深度比全碳材料大9.2%。觀察兩種材料試驗件的損傷形貌可以發現，當沖擊能量達到40 J時，均出現了不同程度的纖維斷裂現象。且由于玻璃纖維強度小，混雜材料中玻璃纖維的斷裂現象更加明顯。這說明當沖擊能量較大時，玻璃纖維強度較低的劣勢顯現出來，混雜材料的強度已不能將部分吸收能量耗散出去，沖擊應力波在混雜材料中傳播，造成的損傷比在全碳材料中更大。故此時，混雜材料能量吸收率高，損傷面積大于全碳材料，與低沖擊能量時相反。

3 結論

對全碳纖維和玻/碳混雜三維機織復合材料的低速沖擊性能進行了試驗研究，采用光學顯微鏡和超聲C掃技術對沖擊損傷進行了表征，對比分析了混雜前后兩種材料沖擊響應和損傷差異，獲得研究結果如下。

（1）隨著沖擊載荷的增大，全碳材料和混雜材料的峰值力、吸收能量和最大位移均隨之增大。

（2）相同沖擊能量下，混雜材料的峰值力比全碳材料小，而吸收能量和最大位移均高于全碳材料，持續時間比全碳材料長。

（3）當沖擊能量達到40 J時，混雜材料的損傷程度比全碳材料大；但當沖擊能量為10和23 J時，混雜材料損傷程度較小，抗沖擊性能優于全碳材料。