三維正交機織復合材料的沖后壓縮性能

應志平，王偉青，吳震宇，胡旭東

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

纖維增強復合材料具有較高的比強度和比模量，被廣泛應用于汽車、石油天然氣、航空航天、風能等領域[1]。然而，基于預浸料人工鋪層和熱壓釜固化的傳統層合復合材料因制造昂貴、層間性能弱已逐漸無法滿足航空航天、輕量化汽車等領域對低成本、高產量、高性能先進復合材料的應用需求[2-4]。為克服層合復合材料面外載荷和分層缺陷，三維機織預制件在高效率近凈成型和全厚度增強方面的優勢使其成為極富潛力的復合材料增強體[5-7]。通過比較單向、二維、三維機織復合材料的損傷容限發現，三維機織復合材料的強度降低最少。這是由于接結紗抑制了分層生長，三維機織復合材料具有最高的剩余強度[8]。三維正交機織預制件通過接結紗橋接厚度方向的紗線并起層間增韌作用，改進了復合材料板件的抗層間開裂及分層擴展性能[9-10]。

三維機織預制件基于傳統機織工藝通過經緯紗及接結紗交織獲得，紗線相互接觸、滑移，使預制件具有復雜的織物組織結構，織造參數決定了最終纖維交織結構[10-12]。織物結構在增強抗沖擊性能方面起著重要作用，特別是在低速沖擊載荷下，單向織物和二維平面織物增強的層合板容易出現分層現象。研究發現，改變接結紗的含量可顯著提高抗分層性能。抗沖擊性描述了材料抵抗沖擊的能力，而沖后壓縮(CAI)是評價復合材料服役性能的重要指標之一[13-14]。雖然三維機織結構顯著減小了分層損傷面積，但接結紗同時引發軸向經緯紗的卷曲變形，這將導致后續壓縮載荷下的纖維屈曲而降低壓縮性能。

盡管國內外對纖維增強復合材料的沖后壓縮性能進行了多項研究，但很少提及織造紗線張力對三維機織復合材料抗沖擊性能及其沖后壓縮性能的影響[15-17]。在織造過程中，紗線張力將顯著影響其卷曲度，并進一步影響復合材料的壓縮性能[18]。本文通過沖后壓縮實驗比較不同織造紗線張力配置的三維機織復合材料的力學性能。首先對復合材料試樣進行低速落錘沖擊實驗并比較沖擊響應曲線。然后對試樣進行沖后壓縮實驗，比較3種張力配置的復合材料壓縮性能。最后，結合織物結構和紗線軌跡分析三維正交機織復合材料沖擊損傷及壓縮失效機制。

1 實驗部分

1.1 三維正交機織增強體結構

三維正交機織增強體結構如圖1所示。其中，經紗和緯紗分別采用東麗公司的T700-24K型與T700-12K碳纖維，接結紗采用杜邦公司Type 950型芳綸纖維。織物經密為50根/(10 cm)，緯密為33根/(10 cm)。經紗和緯紗張力分別為200、100 cN。經紗張力由200 cN彈簧提供，分別配置25、50、100 cN的3種接結紗張力(織制的試樣分別編號為1#、2#、3#)，參考文獻[11]織制三維正交機織增強體。

圖1 三維正交機織增強體結構示意圖

1.2 三維正交機織復合材料的制備

采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型技術對三維正交機織物進行固化成型。基體采用北京科拉斯公司EPOLAM 2040環氧樹脂、2042固化劑，以100:32的質量比混合。使用浙江飛越機電公司的FY-1H-N型真空泵，抽離空氣產生0.01 MPa氣壓使織物吸入模具，并在70 ℃浸潤固化12 h，在浸潤和固化過程中，織物未受到額外的壓縮，制得三維正交機織復合材料。復合材料試樣厚度約4.0 mm，利用金剛石線鋸進行切割，將復合材料面板裁剪成75 mm×50 mm的長方形試樣，長邊沿緯紗方向，短邊沿經紗方向。

1.3 實驗方案

1.3.1 低速沖擊實驗

根據ASTM D7136/D7136M—2005《纖維增強復合材料落錘沖擊抗損傷性標準試驗方法》進行低速沖擊實驗。實驗平臺器件安裝如圖2(a)所示，將試樣放置于夾具中，其自由區域的尺寸為65 mm×40 mm。采用直徑為20 mm半球形沖頭，在沖頭軸向安裝量程為0～60 kN的CL-YD-305型壓電式石英傳感器(無錫世敖公司)。實驗過程中沖擊器質量為3.57 kg，提升高度為857 mm，沖擊器與滑軌的摩擦及其落錘過程中的空氣阻力忽略不計，沖擊速度約為4.10 m/s，沖擊能為30 J。

圖2 低速沖擊及沖后壓縮實驗平臺

1.3.2 沖后壓縮實驗

根據ASTM D7137/D7137M—2012《復合材料抗壓殘余強度性能標準試驗方法》，采用量程為0～100 kN的MST-5105型萬能試驗機(美特斯工業系統(中國)有限公司)進行沖后壓縮實驗。實驗平臺如圖2(b)所示，將沖擊后的試樣放置于壓縮夾具中，沿試樣長邊(緯紗方向)施加壓縮載荷，壓縮速率設定為2 mm/min。當壓縮載荷承載能力衰減超過80%，停止施加壓縮載荷。

2 結果與討論

2.1 低速沖擊響應曲線

2.1.1 沖擊反作用力-時間響應曲線

沖擊反作用力從沖頭接觸到復合材料開始，復合材料對沖頭具有反向抗沖擊阻尼，表現為復合材料的抗彎性能。圖3示出不同接結紗張力試樣的沖擊反作用力-時間響應曲線。可知，在30 J沖擊能下，不同張力配置的三維正交機織復合材料呈現出不同的彎曲剛度和沖擊力峰值，具體表現在沖擊初始階段沖擊力增大速率和沖擊力峰值存在差異。1#試樣在2.15 ms時達到峰值力(Fmax=7 052 N)，2#試樣在1.55 ms時達到峰值力(Fmax=6 955 N)，3#試樣在2.25 ms時達到峰值力(Fmax=6 634 N)。所有試樣在4.5 ms時回到零位，即沖頭反彈并離開試樣表面。三維正交機織復合材料抗沖擊性能具體表現在抗彎剛度上，1#試樣具有較大的抗彎剛度，其最大沖擊反作用力相比于3#試樣提升了6.3%。

圖3 三維正交機織復合材料的沖擊反作用力-時間響應曲線

2.1.2 沖擊反作用力-位移響應曲線

圖4示出三維正交機織復合材料的沖擊反作用力-位移響應曲線。在30 J沖擊能下，沖擊力前半部分的上升階段表現出不同的上升斜率，即表明試樣具有不同的抗彎剛度。其中，1#試樣斜率最大，其次是2#試樣，最后是3#試樣。峰值附近沖擊發生劇烈抖動，表明試樣發生了劇烈的損傷行為，包括樹脂破裂、剝離、纖維斷裂等。此外，當沖擊力達到峰值時，位移也隨之達到峰值。沖擊位移特征反映了試樣變形的程度，以沖擊力轉折點作為最大沖擊位移。3#試樣位移最大(6.02 mm)；1#、2#試樣的最大沖擊位移分別是5.58、5.43 mm，比較接近。從試樣的恢復位移也可判斷其遭受沖擊后的能量吸收情況。3#試樣的恢復位移最小，表明大量沖擊動能被反彈。反之，1#試樣的恢復位移較大，表明沖擊動能以各種損傷形式被吸收。

圖4 三維正交機織復合材料的沖擊反作用力-位移響應曲線

2.2 沖后壓縮載荷-位移響應曲線

圖5示出三維正交機織復合材料的沖后壓縮載荷-位移響應曲線。可知，不同接結紗張力下試樣的承載能力具有顯著差異，尤其是表現在壓縮載荷峰值上。1#試樣的壓縮載荷峰值最大為34.38 kN；其次是2#試樣，其壓縮載荷峰值為26.41 kN；最后是3#試樣，其壓縮載荷峰值為15.63 kN。當達到峰值時，1#和2#試樣發生瞬時斷裂失效，承載能力急速下降；3#試樣達到峰值后還有一段平臺曲線，仍能承受一定載荷。雖然3#試樣的承載能力稍弱，但其具有較好的斷裂韌性。

圖5 三維正交機織復合材料的沖后壓縮載荷-位移響應曲線

2.3 沖擊損傷形貌

圖6示出三維正交機織復合材料正反面的沖擊損傷形貌。可見，沖擊正面和背面表現出不同的損傷形貌，其損傷行為包括樹脂破裂、剝離，纖維斷裂。3種試樣的損傷共同點是：沖擊正面可見小范圍的細小樹脂裂紋，沖擊背面則是大面積塊狀樹脂裂紋和剝離。差異在于：1#試樣背面有少量纖維斷裂損傷；2#試樣的沖擊背面樹脂破裂程度淺而均勻；3#試樣的沖擊背面樹脂剝離程度深而集中。1#和2#試樣的背面均可見少量纖維斷裂，而在3#試樣上未見。上述損傷形貌的共同點和差異可解釋試樣沖擊響應曲線中的強烈抖動現象。

圖6 三維正交機織復合材料的沖擊損傷形貌

三維正交機織復合材料的沖后壓縮損傷形貌如圖7所示。壓縮屈曲裂紋表現為一條垂直于壓縮方向的失效路徑。從壓縮損傷形貌上可見不同的壓縮失效行為。1#和3#試樣分別表現出紗線斷裂、紗線屈曲的失效行為，而2#試樣兼有紗線斷裂和屈曲。使用金剛石線鋸切割截取1#試樣沖擊點位置處10 mm(軸向)×10 mm(橫向)的小塊進行X射線掃描，觀察試樣內部損傷形貌。沿緯紗方向(A-A)和經紗方向(B-B)截取試樣壓縮損傷形貌橫截面，如圖7(d)、(e)所示，可觀察到試樣內部的損傷形貌，緯紗方向發生紗線斷裂，經紗方向則可以觀察到沖擊造成的層間開裂和壓縮造成的紗線壓潰。3種復合材料試樣在沖擊和壓縮負載下的損傷情況如表2所示。

表2 復合材料試樣在沖擊及沖后壓縮載荷下的損傷情況

圖7 三維正交機織復合材料的沖后壓縮損傷形貌

2.4 沖后壓縮損傷機制分析

2.4.1 樹脂富集區域分析

圖8示出沿接結紗的試樣橫截面。圖中呈現了不同試樣的樹脂富集區域。其中：d1和d2代表樹脂富集區域的深度；A1和A2代表樹脂富集區域的面積。深度隨著接結紗張力的增大而增大，相應的樹脂富集區域的面積也隨之增大。可預見樹脂富集區域的體積含量亦隨之增大，其深度和面積反映了試樣表面純樹脂的體積含量，即接結紗張力越大，試樣表面純樹脂含量越高。

圖8 沿接結紗的試樣橫截面

由此可知，表面純樹脂在沖擊損傷中表現為細小的樹脂裂紋。然而，當表面純樹脂含量較大時，其損傷形式則轉換為大塊樹脂破裂和剝離(見圖6)。在接結紗和表層緯紗的交織點處易形成緯紗卷曲凹陷，從而導致樹脂在凹陷區域聚集；而接結紗張力決定了緯紗的凹陷程度，因此，紗線張力變化所引起的紗線幾何結構變化進一步導致樹脂分布和緯紗卷曲程度發生變化，最終導致試樣力學性能差異。

3#試樣的緯紗卷曲程度大，表層樹脂富集，沖擊載荷下發生大量樹脂破裂和剝離，促使后續壓縮載荷下緯紗失去固化支撐而更易發生屈曲失效。1#試樣在沖擊載荷下出現纖維斷裂，使其在后續壓縮載荷下成為承載薄弱點而發生紗線斷裂。

2.4.2 紗線增強體卷曲程度分析

三維正交機織復合材料沿緯紗方向的橫截面如圖9(a)所示。可見，其緯紗主要分為表層緯紗和中間層緯紗，幾何結構具有顯著差異。表層緯紗在接結紗作用下發生卷曲，而中間層緯紗則保持相對平直。在沖擊載荷下，復合材料發生彎曲變形，其表層緯紗發揮主要力學承載作用。在沖頭撞擊下，試樣一方面發生撞擊點的樹脂破裂，另一方面發生整體彎曲變形，由此導致表層纖維斷裂，且纖維斷裂耗散主要的沖擊動能，因此，隨著接結紗張力的增大，表層緯紗的卷曲程度增加，表層緯紗的抗彎剛度發生變化，說明卷曲的緯紗導致試樣整體抗彎剛度下降。

分別抽取1#和3#試樣中的表層緯紗進行分析，其變形原理如圖9(b)所示。在沖擊載荷作用下緯紗抵抗彎曲變形而被拉伸，平直緯紗變形后易發生纖維斷裂；反之，卷曲緯紗則具有伸直趨勢。

圖9 三維正交機織復合材料的沖擊損傷機制

壓縮方向沿著緯紗方向，三維正交機織復合材料的壓縮載荷主要由緯紗決定，因此，3種試樣緯紗卷曲程度的差異進一步造成沖后壓縮性能的差異。三維正交機織復合材料的壓縮損傷機制如圖10所示，1#試樣的緯紗較平直，而3#試樣的外側緯紗卷曲較大。3#試樣在沖后壓縮載荷施加過程中發生沖擊點位置的局部屈曲，由此導致其壓縮承載力顯著低于1#試樣。1#試樣接結紗張力小，緯紗卷曲小，沖擊后僅有少量的樹脂裂紋，并且平直的緯紗具有更好的壓縮承載能力，表現為紗線斷裂失效行為。3#試樣表面樹脂在沖擊載荷下發生了大量破裂和剝離，緯紗失去樹脂基體支撐，卷曲的緯紗更易發生壓縮屈曲失效，致使3#試樣表現出較低的沖后壓縮承載性能。綜上所述，復合材料試樣的沖擊和壓縮失效行為由緯紗卷曲和富樹脂區分布情況綜合作用所決定。

圖10 三維正交機織復合材料的壓縮損傷機制

由此可見，表層緯紗幾何結構對三維正交機織復合材料的抗沖擊及沖后壓縮性能具有顯著影響。然而，表層緯紗所呈現的卷曲結構與織造過程有關，尤其是接結紗張力。接結紗張力增大導致表層緯紗卷曲程度加深。由此可推斷，接結紗張力對三維正交機織復合材料的力學性能起決定作用。接結紗張力首先決定表層緯紗的卷曲程度，其次影響表層樹脂富集區域的分布，因此，不同接結紗張力配置的試樣表現出不同的樹脂破裂和剝離損傷形貌，并在緯紗方向呈現截然不同的壓縮承載性能。

3 結 論

本文采用3種接結紗張力分別織造三維正交機織物，并對其復合材料試樣進行了沖后壓縮性能實驗。研究結果表明：接結紗張力增大，表層緯紗的卷曲程度增大以及表面樹脂富集；紗線張力較大的復合材料在沖擊表面形成大面積的樹脂破裂和剝離，致使表層緯紗裸露并失去支撐，卷曲的緯紗使沖后壓縮失效行為從紗線斷裂轉為局部屈曲，降低了復合材料的壓縮承載性能；三維正交機織復合材料的抗彎剛度和沖后壓縮性能隨織造過程中接結紗張力的增大而減小。