碳纖維增強編織復合材料圓管的扭轉力學性能及其損傷機制

谷元慧， 周紅濤， 張典堂， 劉景艷， 王曙東

(1. 鹽城工業職業技術學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

碳纖維增強復合材料(CFRP)因其具有高比強度、高比剛度、結構可設計性、耐化學腐蝕、抗沖擊、耐疲勞等優異的性能而被廣泛應用于航空航天、建筑、汽車、船舶等領域[1-3]。相比于傳統的金屬傳動軸，碳纖維復合材料汽車傳動軸具有更加優越的抗振性、高承扭性以及更小的臨界速度，且能夠滿足全球汽車行業對于汽車輕量化設計的要求，從而減少碳排放,降低能源損耗。

扭轉性能是復合材料汽車傳動軸在實際使用中最為重要的力學性能之一。各向異性復合材料的破壞模式不同于各向同性復合材料，相比之下，前者更為復雜[4]，因此，系統研究復合材料圓管在扭轉工況條件下的力學行為對于設計復合材料軸類構件非常重要。當前，國內外已有較多關于復合材料圓管的壓縮[5-6]、沖擊[7-8]、彎曲[9]等力學性能的相關研究，但是對于復合材料圓管的扭轉力學性能研究則相對較少。目前，對復合材料圓管的扭轉研究主要是從復合材料結構、預制體原料、制備工藝、加載條件等因素出發，探究其對扭轉力學性能的影響。Lee等[10]引入了人工神經網絡以通過誤差反向傳播算法來研究預測在扭轉、軸向拉伸/壓縮復雜載荷綜合作用下的復合材料管的失效強度，這為復合材料管的復雜力學行為研究提供了新的表征方法。Wang等[11]基于扭轉測試和損傷區域掃描電鏡照片等相關數據討論了管件結構對三維編織復合材料管扭轉強度、扭轉模量和破壞模式的影響，結果表明：三維五向編織復合材料管與三維多層纏繞編織復合材料管相比，前者抗扭強度較高，主要在壓縮和剪切破壞時斷裂;后者扭轉模量最高，主要在拉伸和剪切破壞時斷裂。Mansour等[12]的研究表明，碳纖維纏繞復合材料圓管的扭轉性能明顯優于玻璃纖維纏繞復合材料圓管。Potluri等[13]對具有不同編織角度的1層或多層雙軸和三軸編織復合材料的扭轉性能進行了研究，在有限元結構模型中考慮了絲束在結構中的彎曲形態，并假定絲束橫截面為雙凸透鏡幾何形狀，完善了模型的精細化程度；試驗數據與模擬數據的對比表明了該模型的有效性。孫偉等[14]通過試驗和有限元模擬研究了碳纖維/樹脂復合材料薄壁圓管在純扭工況下的失效模式。研究結果顯示，復合材料圓管的初始缺陷對屈曲和失效載荷的模擬影響較大。課題組前期研究[15]探討了編織角對碳纖維/樹脂編織復合材料圓管扭轉力學性能的影響，并指出其中45°編織角更接近于扭轉加載時圓管的受力方向，因此，編織纖維束在軸向承擔更多的外加載荷。又因碳纖維的軸向力學性能遠大于橫向，所以纖維的利用效率增加，進而圓管結構的整體承扭性能也有明顯提升。

眾多研究表明復合材料的結構是影響其力學性能的關鍵因素[16-18]，對于編織復合材料圓管結構件來說，編織角[15]和編織層數是重要的結構參數；但當前關于編織復合材料圓管扭轉性能的研究報道中，編織層數對其扭轉性能及失效機制的影響研究還不夠透徹。為此，本文采用數字圖像相關技術(DIC)與微計算機斷層掃描技術(Micro-CT)對具有不同編織層數的碳纖維/樹脂編織復合材料圓管的扭轉力學性能及失效機制進行系統研究，以期為復合材料圓管結構優化設計提供數據支撐，進一步提升其抗扭性能。

1 扭轉試樣制備與試驗測試

1.1 編織復合材料圓管制備

編織復合材料圓管預制體以日本東麗(Toray)公司生產的T700-12K型碳纖維為原料，基于二維編織鋪層(Over-braiding)工藝編織而成，編織機型號為 216 Carrier Over-braider。編織時用于支撐的芯模均為直徑等于25 mm的實心45#型圓柱鋼，芯模的兩端有與編織機上固定桿相匹配的螺紋孔。

采用真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝完成編織復合材料圓管的復合成型，該工藝示意圖如圖1所示。基體選用南通星辰合成材料公司生產的WSR618(E-51)雙酚A型環氧樹脂，固化劑采用無錫仁澤化工產品有限公司生產的5023型固化劑，按環氧樹脂與固化劑質量比為3∶1的比例配制。圓管的復合成型在室溫條件下進行，注入樹脂的過程中保持真空壓力為0.098～0.1 MPa。根據E-51樹脂的熱學特性及VARI固化經驗，將注膠后的試樣在70 ℃、4 h，80 ℃、2 h，90 ℃、3 h的條件下進行固化。制備完成的編織復合材料圓管的基本結構參數如表1所示。

圖1 VARI復合工藝示意圖Fig.1 Schematic of VARI

1.2 扭轉試樣裝配設計及加工

本文的扭轉測試主要參照ASTM D5448/D5448M—1993(2006)《環形纏繞聚合物矩陣復合材料圓柱體面內剪切性能的標準試驗方法》與GB/T 4726—1984《樹脂澆鑄體扭轉試驗方法》，圓管標距長度L0為100 mm。為保證編織復合材料圓管在扭轉測試時不發生打滑及弱化夾持區應力集中效應，對試樣進行端部裝配設計。根據扭轉測試所采用的RNJ-500扭轉試驗機卡盤形狀及扭轉時圓管的受力特點，在試樣兩端外接內圓外六角鋼管，內壁接空心圓鋼管。其中，裝配采用膠接方式，以避免對試樣造成二次損傷而影響研究結果。外連接膠黏劑采用德國奇思靈公司生產的ergo 1309型雙組分膠黏劑，內連接采用E-51樹脂。編織復合材料圓管扭轉試樣設計如圖2所示。

表1 編織復合材料圓管結構參數Tab.1 Braided composite tubes structure parameters

圖2 編織復合材料圓管扭轉試樣設計Fig.2 Design of torsion specimen of braided composite tube

1.3 扭轉試驗-非接觸全場應變測試

扭轉測試以施加勻速扭轉角度進行加載，加載速度為30(°)/min，每種層數試樣個數為3。扭轉剛度計算公式為

式中：Kt為扭轉剛度，N·m/(°)；T為扭矩，N·m；φ為扭轉角，(°)。

進行扭轉測試的同時在扭轉試驗機上搭建道姆光學科技有限公司生產的非接觸式三維光學應變測量儀，照片采集系統實時記錄試樣的扭轉變形過程，收集到的變形圖像通過ARAMIS數據分析進行處理以獲取應變場數據。CCD相機拍攝頻率設置為1幀/s，試樣表面的虛擬應變片形狀為四邊形，大小為19像素×19像素，步距為15像素，精度為0.05像素。

1.4 Micro-CT斷層掃描

在扭轉測試后，采用上海恩迪檢測控制技術有限公司的Diondo d2高分辨率全能型微焦點CT檢測系統設備對試樣進行掃描，以獲取編織復合材料圓管的內部損傷情況。單個試樣一次掃描完成，掃描分辨率為0.03 mm，投影數量為1 800，利用VG Studio Max軟件處理掃描獲取的二維投影圖像。

2 試驗結果與討論

2.1 扭轉力學性能

圖3示出3種不同編織層數試樣的扭矩-扭轉角曲線和扭轉剛度。可以看出，扭矩-扭轉角曲線在穩定后基本為線彈性狀態，圓管呈現脆斷失效特征。圓管的失效扭矩和扭轉角均隨著編織層數的增加而大幅度增加，其中，4層試樣的失效扭矩高達450.00 N·m。這主要是因為纖維是復合材料的承載主體，編織層數的增加導致承擔外力的纖維明顯增加。另外，層間的摩擦力增加，抗剪切、壓縮等性能明顯提升。

從圖3還可以看出：隨著編織層數的增加，扭轉剛度也呈上升趨勢；對比2層試樣，3層試樣的扭轉剛度增加了約16.39%，4層試樣的扭轉剛度增加了約37.99%，且4層試樣的抗扭剛度達23.79 N·m/(°)。這是因為在不改變內徑的情況下，外徑隨著編織層數的增加而增加，而抗扭截面系數與外徑成正比，所以抗扭變形能力與扭轉剛度增加。以上結果表明，在一定范圍內增加編織層數，可有效改善編織復合材料圓管的抗扭性能。

圖3 不同編織層數試樣的扭轉力學性能Fig.3 Torsional mechanical properties of specimens with different braiding layers. (a) Torque-twist angle curves; (b) Torsional stiffness

編織復合材料圓管在扭轉載荷下的漸進應變場情況如圖4所示。由應變分布云圖可知，編織復合材料圓管在扭轉載荷下具有明顯的層數效應。圓管表面的高應變集中區域表現為基本沿纖維束編織路徑方向，且沿圓管軸向連續，周向間隔(如2層試樣的d圖)，該特征表明應變分布情況與編織結構直接相關。在加載初始階段(0～a)，主要是基體傳遞應力，此階段圓管并未產生任何破壞，但值得注意的是，2層試樣出現高應變點，表面產生了微變形。隨著加載的持續進行，到b點時，所有試樣的云圖顏色都出現了變化:2層試樣產生相對明顯的應變集中區;3層試樣出現整體較為均勻的微變形;4層試樣變化不大。當扭轉加載至c點時，2層試樣在此時已出現了高應變區，3層試樣局部高應變點出現，4層試樣出現應變集中的趨勢。斷裂前一刻(d點)主要是纖維發揮承載主體作用。對比發現，編織層數越少，高應變區域的應變值和面積越大，此時假塑性變形區域形成。直到e點時刻，變形累積，試樣承載達到極限，出現明顯破壞損傷，結構失效。

圖4 應變場云圖Fig.4 Strain field cloud.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

2.2 扭轉失效機制

圖5示出編織復合材料圓管試樣在扭轉載荷下的典型宏觀損傷失效形貌。其中，采用2個半管部分(A、B)平面圖展開的形式來更加完整地展示圓管試樣的損傷特征。

由圖5可知，3種層數試樣宏觀表面損傷均呈現繞管壁的螺旋剪切帶形態，與圖中應變云圖顯示的情況相對應。扭轉損傷宏觀失效模式的種類差異不大，主要有纖維束不同形式的破壞、基體失效和因材料脫落形成的凹坑。不同編織層數圓管的扭轉損傷范圍及嚴重程度不盡相同。對比發現，2層試樣的纖維端口較為整齊，剪切帶寬度較細(見圖5(a))，以纖維斷裂為主。結合圖3、4可知，這種情況是因為2層試樣的層數較少，承載能力較弱，材料在較短時間內出現破壞。由圖5(b)可知，3層試樣損傷帶長度較短，除纖維束斷裂外，還出現了纖維束劈裂特征。此現象的出現可以解釋為形成扭轉剪切斷口的作用力與該纖維束的軸向角度產生了偏差，纖維束受到較大的拉伸力，但還不足以使其斷裂，加上扭轉、擠壓、摩擦等作用力，纖維束本身產生了輕微偏轉，形成劈裂。尤其4層試樣的剪切帶寬度較大，纖維束端口凌亂，損傷區域放大部分顯示剪切裂縫處的材料擠壓翹曲愈加明顯(見圖5(c))。這是因為層數增加使得材料受力主方向兩側承擔分力的材料增加，圓管承載時間延長，同時纖維、基體等材料之間的擠壓等相互作用也在加劇。另外，層數增加導致材料厚度也增加，所以裂縫兩側的高度對比更加明顯。編織復合材料圓管的細觀損傷形貌如圖6所示。

圖5 不同編織層數試樣的宏觀扭轉損傷形貌Fig.5 Macroscopic torsional damage morphologies of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

圖6 不同編織層數試樣的內部損傷Micro-CT圖片Fig.6 Micro computed tomograms of internal damage of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

為了觀察試樣內部損傷情況，分別沿試樣的軸向(Z向)與徑向(X向)各選取5張Micro-CT斷層圖片，圓管三維模型表明每張斷層圖片在試樣中的所處位置。徑向損傷Micro-CT圖片顯示所有試樣的損傷表現為貫穿整個管壁的剪切損傷。圓管內部細觀扭轉損傷模式主要體現為纖維與基體的碎裂、分層。編織層數越多，圓管周向分層及軸向開裂程度越弱。這是因為在編織復合材料圓管預制體過程中，預制體層數越多，編織過程中層間壓力越大，層間嵌套越緊密，結構整體性增強，裂紋不易沿層間擴展[5]。同宏觀失效形貌相似，3、4層試樣碎裂程度嚴重、斷口平整度較差。特別是，如圖6(c)中X向第4張圖局部放大部分所示，4層試樣內部出現了因層間微裂紋的連接和貫通而形成的纖維橋接形貌。

圖7示出3種編織層數試樣的損傷區域SEM照片。可知，編織復合材料圓管在扭轉載荷下形成的微觀損傷失效模式主要有3類：基體開裂或碎裂(見圖7(b)中B和圖7(c)中C)、纖維斷裂及抽拔(見圖7(b)中D和圖7(c)中B)、纖維/基體界面脫黏(如圖7(a)中B和圖7(c)中A、D)，Yu等[19]在對C/SiC復合材料進行扭轉性能研究時也發現了類似的失效模式。其中，纖維/基體脫黏是因為載荷的不斷增加使得層間作用力下降所導致，加之基體裂紋的擴展，纖維與基體之間的黏結力下降更為明顯。

注：圖中A、B、C、D為針對典型損傷區域的隨機SEM照片。圖7 不同編織層數試樣的損傷區域SEM照片Fig.7 SEM images of damaged areas of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

編織層數的增加使得不同試樣的破壞形態明顯不同，主要表現在斷口整齊度、纖維失效形式以及基體的碎裂嚴重程度。對比圖7(a)中B、圖7(b)中B和圖7(c)中C這3幅圖可知，相比于3層和4層試樣，2層試樣失效形式更多地表現為纖維束的斷裂，且纖維束斷口更為整齊。如前所述，因編織層數較少，扭轉應力傳播速度更快，材料承載時間短，脆性特征更為明顯。如圖7(b)中D和7(c)中D所示，3層試樣纖維與基體碎裂情況嚴重，4層試樣的基體碎裂和脫黏特征更為突出。一方面，因破壞往往發生在薄弱處，纖維承力性能遠強于樹脂，而編織層數增加的同時承載扭轉載荷的總纖維數增加，所以單根纖維承擔的載荷下降，表現為纖維破壞減少，基體失效明顯。另一方面，較多層數的試樣在抵御扭轉外力時，材料之間的相互作用更為復雜，特別是纖維與纖維之間、纖維與基體之間以及基體與基體之間的沿圓管的環向剪切不均勻擠壓摩擦，使得纖維屈曲折斷形成多段長短不一的纖維，且斷口不平整，但是由于基體與纖維之間的黏結作用，大部分斷裂纖維未脫落。而強度較低的基體在不斷增加的復雜應力作用下，微裂紋出現并持續擴展。經上述受力過程，形成了最終的較多斷裂短纖維與碎裂嚴重的基體。此外，如圖7(c)中B所示，4層試樣出現了明顯的抽拔斷裂，這是典型的拉伸斷裂現象[15,20]，表明扭轉加載過程中，部分扭轉力轉化成為沿纖維束編織方向的拉力。

3 結 論

采用二維編織鋪層(Over-Braiding)編織工藝及真空輔助樹脂灌注(VARI)復合成型工藝制備了不同編織層數的碳纖維增強編織復合材料圓管，并設計加工了適用于扭轉試驗的夾持區端部裝配裝置。從扭轉力學行為、漸進應變場以及宏、細、微觀3個層次的損傷模式幾個方面綜合研究了編織復合材料圓管的扭轉性能層數效應影響機制，通過探討分析得出如下結論。

1)編織復合材料圓管在扭轉載荷下呈線彈性脆斷特征，編織層數的增加可明顯提升其承扭峰值及扭轉剛度，其中4層試樣的失效扭矩和扭轉剛度分別達450.00 N·m和23.79 N·m/(°)。

2)三維數字圖像相關技術可高精度預測損傷失效位置。扭轉應力應變傳播擴散與編織結構直接相關，高應變集中區主要集中在沿纖維束編織路徑方向，且沿圓管軸向連續，周向間隔。編織層數的增加有助于應變的穩定傳播，減少應變集中，降低高應變值。

3)在扭轉工況下，編織復合材料圓管呈現貫穿管壁的空間螺旋剪切損傷形貌，編織層數對編織復合材料圓管的主要損傷失效模式及嚴重程度具有重要影響。宏、細觀損傷失效模式主要有纖維束斷裂或劈裂、基體開裂、結構分層以及材料脫落缺失，層數越多，試樣剪切帶翹曲更加明顯，分層程度下降；在微觀層面，2層試樣的失效模式主要為纖維失效，3層試樣表現為纖維與基體的碎裂，4層試樣的基體失效、脫黏及纖維抽拔斷裂等失效特征明顯。