織物剪切對盔殼復合材料彎曲性能的影響研究

關鍵詞：復合材料； 頭盔殼體； 剪切角； 彎曲剛度； 緯編雙軸向織物

頭盔的主體結構是由外部殼體以及襯墊組成，通過彼此間的協調作用來保證整體的安全性和舒適性。雖然頭盔殼體在安全性方面發揮著重要作用，但當殼體的剛度和強度足以抵抗過度的變形和斷裂后，殼體剛度和強度的再度提高無法明顯改善頭部在遭受沖擊時的損傷狀況[1-2]。因此，在滿足安全性的條件下，利用復合材料各向異性的特征，仍有一定的空間對頭盔殼體進行舒適性優化。

頭盔殼體屬于復雜曲面的薄殼結構，由于其應用特點及厚度限制，表面需要平整光滑，且難以采用加強筋、格柵及夾芯等加強結構[3-5]。因此，頭盔殼體的性能主要依賴于薄殼本身。殼體所選用的材料在保證安全性的同時還需要盡可能地減輕重量（質量），因為戰機在急轉彎或速度急劇提升時，飛行員身體承受巨大的過載，頭盔所帶來的重量會增加到幾倍之多，重量的小幅度增加都會對飛行員的頸部帶來沉重的負擔[6]。纖維增強復合材料質輕、比強度和比模量高，符合航空航天材料高強度以及輕量化的需求，其中民用飛機的復合材料用量占比已超過50%[7]。在應用于頭盔殼體的復合材料中，紡織結構復合材料占據重要地位，碳纖維和芳綸纖維等高性能纖維常被制作為織物結構，用作制備頭盔殼體復合材料的預制件。二維織物結構在頭盔殼體的預制件中應用最為廣泛，其中二維機織物纖維排列緊密，可提高頭盔殼體的纖維體積分數進而減少殼體重量。同時，機織物在編織過程中對紗線的強力損傷小，可以更大程度地發揮高性能纖維的強度優勢，方平結構和平紋結構是復合材料頭盔殼體預制件中使用最多的織物結構[8]。但二維機織物的變形能力較差，通常將織物裁剪后拼接成頭盔殼體的形狀，不僅工藝復雜而且會造成材料的浪費。二維針織物可以實現一塊織物整體成形，但結構松散，織物密度較小，織造過程對纖維損傷大，制作的頭盔殼體剛度不足。同時，二維織物制作的頭盔殼體因采用鋪層方式而導致層間結合強度低，具有一定厚度的三維織物可較好地解決這一問題。三維織物在厚度方向上通過捆綁紗加強了層間連接，減少了經緯紗之間的交織，變形時摩擦力更小，提高了變形能力。三維織物由于出色的成形性，制作頭盔殼體時多采用一體成形的方式，操作簡單快捷并且具備突出的抗沖擊性能[9-11]。緯編雙軸向多層襯紗（MBWK）織物由綁縛紗和襯紗系統組成，其特點是襯紗處于平直狀態，可編織柔韌性較差的高性能纖維[12-13]，處于無屈曲狀態下的纖維束，強力利用率可達90%以上[14]。同時，襯紗具有較大的滑動范圍，各個方向擁有優異的延伸性，作為頭盔殼體預制件成形性突出[15]。但織物在一體成形過程中出現的較大變形，會在殼體內部產生殘余應力，進而影響頭盔殼體尺寸穩定性[16-17]。

Mitchell 等[18]研究了不同剪切角的玻璃纖維平紋織物復合材料板的彎曲剛度，發現在緯紗方向（纖維被剪切的方向）上的剛度隨著剪切角的增加而增加。然而，在垂直于緯紗的方向上，剛度在較小的剪切角范圍內（20°）是下降趨勢，剪切角較大時剛度回升，并通過數值研究確定了纖維的重新定向和隨剪切引起的厚度變化是影響板彎曲剛度的重要因素[19]。織物以平面內剪切變形與剪切收縮的相互作用完成殼體曲面成形[20]，成形效果受織物的剪切剛度與彎曲剛度的影響[21]。由于織物發生變形，殼體不同位置的纖維分布不一致[22]，導致殼體各部位的性能也存在差異[23-24]。Marouene 等[25-26]通過改變復合材料板材內部的纖維分布狀態，所制作的兩種變剛度板材在預屈曲剛度、屈曲載荷和破壞載荷方面分別提高了35%、19%和44%。在圓柱殼體中改變部分的纖維鋪設角度后能夠降低對初始幾何缺陷的敏感性，并在壓縮過程中破壞區域較小。同樣，Labans 等[27]對圓柱殼體中的占比50%的纖維層進行優化，可實現18.5%的屈曲載荷提升。因此，通過改變復合材料內部纖維的結構狀態，可以在一定范圍內優化材料力學性能[28-29]。MBWK織物因其結構特征纖維束有充足的變形空間，其結構存在很大的設計潛力。頭盔殼體在彈性范圍內形狀發生變化時，主要是由殼體不同部位產生彎曲變形后協同作用的結果。因此，了解織物作為預制件成形頭盔殼體時的變形行為，以及復合材料內部織物狀態對彎曲性能的影響，可以更好地促進頭盔殼體設計制造的發展。

本文為探究織物剪切角對盔殼用復合材料彎曲性能的影響，采用劃區域方法研究了緯編雙軸向織物成形頭盔殼體時的剪切變形行為，并選出了42°、50°、61°、68°、75°、82°和88°共7 個夾角制作復合材料板材。通過三點彎曲試驗測定了不同試樣的彎曲性能得到不同剪切角度下復合材料的彎曲強度和彎曲模量。利用超景深顯微鏡觀察試樣破壞形貌，比較不同剪切變形下復合材料損傷狀態，分析剪切角度對復合材料彎曲性能的影響機理。

1 試驗

1.1 織物在盔殼不同位置的剪切變化

1.1.1 劃區域分析

采用將整塊織物鋪覆在盔殼模型表面的方法，模擬頭盔殼體內部的織物變形狀態。通過劃區域方法，將未變形的織物劃分出若干個方形區域，織物成形后方形區域形狀的變化可以反映織物的變形行為。同時，可以將頭盔殼體劃分出不同的區域，便于分析盔殼不同位置的織物剪切程度。

織物的區域劃分和成形如圖1 所示，將緯編雙軸向織物鋪平后劃分為沿緯紗對稱的兩部分，在一側區域畫出網格線，為便于觀察網格形狀變化和區域內剪切角測量，將每個區域大小設定為5cm×5cm。織物采用對稱鋪覆的方式，保證織物對稱線與頭盔中心線重合，成形過程中兩側變形對稱。在鋪覆完成并確保織物無褶皺之后，采用真空袋法將織物壓實以更加貼近盔殼的形狀。

1.1.2 代表性角度的選擇

將緯編雙軸向織物經緯紗之間夾角的余角作為剪切角，剪切角的大小反映了織物的變形程度。測量織物成形后各個區域的紗線夾角，將變形結果進行整理，以5°的剪切角變化范圍將所有測量數據分為7 組，分別取每組紗線夾角的平均值作為代表性角度，見表1。選擇出的7 個角度接近織物在頭盔殼體內部最普遍存在的剪切狀態，接下來將作為復合材料板材的制備參數。

1.2 彎曲試驗

1.2.1 材料

試驗中所選用的芳綸緯編雙軸向織物的面密度為800g/m2，芳綸纖維為Kevlar-49，由美國杜邦公司生產，材料性能見表2；E51 環氧樹脂AB組分，由南通星辰合成材料有限公司提供，材料性能見表3（表中1kgf≈9.8N）。

1.2.2 樣品制備與測試

緯編雙軸向織物作為預制件制作復合材料，其中添加相應的剪切變形為制備的關鍵，織物預設的剪切變形程度依照表1 選定的角度。采用真空輔助樹脂傳遞法，制備流程如圖2 所示。在本文試驗中依照選定的角度制作出7 組復合材料板材。

參照GB/T 1449—2005[30《] 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，將板材沿緯紗方向切割為60mm×15mm的長條狀試樣，厚度為1.5mm，每種參數下準備5 個樣品。采用三點彎曲測試方法，使用Instron5969 萬能材料試驗機對材料的彎曲性能進行測試，其中彎曲試樣跨厚比為16∶1，壓頭的速率為2mm/min，壓頭半徑為5mm，彎曲試驗如圖3 所示。為探究材料經過三點彎曲后的損傷狀態和破壞模式，使用超景深電子顯微鏡（VH-Z500R）觀察試樣表面形貌并作圖像記錄。

2 結果與分析

2.1 剪切角變化分析

織物在頭盔不同區域的紗線夾角測出后，根據對應關系得出剪切角，并按照表1 中的匯總結果，將織物剪切角變化在5°范圍內的區域用同一顏色標識。頭盔不同區域的織物剪切角如圖4 所示，可以看到頭盔頂部中心線附近織物變形較小，在中心線方向呈現出中部向邊緣變形逐漸加劇的特點。這與對稱鋪覆的成形方式相對應，中心線附近為織物覆合曲面的起始位置，織物剪切變化較小。紅色線為織物剪切方向發生變化的分界線，可以看到分界線兩邊織物的剪切方向大致是對稱的。織物沿分界線方向的變形呈現出由頂部向兩耳處收縮逐漸變大的現象，分界線附近織物的剪切變形相對較小。

根據織物對稱鋪覆的成形方式，結合試驗結果可以推測出織物在整個頭盔的變形行為。織物以頭盔頂部為中心作為剪切變化的初始區域，剪切變形從中心向四周增大，在帽檐與臉頰側相交的區域以及頭盔后方兩側的邊緣區域剪切變形嚴重，最大剪切角為51°。在頭盔頂部中心線以及剪切方向發生變化的分界線兩側，織物的剪切方向呈現出對稱性。因此，在這兩條線附近的區域剪切變形較小，距離較遠的區域剪切變形較大，在中心線與分界線角對稱線方向的最遠處，剪切變形最大。這是由于在成形過程中織物的剪切變形有向角對稱線方向匯聚的趨勢，在角對稱線附近的區域傾向于發生起皺，因此需要更大的收縮變形來保證鋪覆表面平整。

2.2 彎曲結果分析

不同參數試樣經三點彎曲后得到如圖5 所示的載荷位移曲線，測試過程中試樣并未發生脆性斷裂，載荷隨撓度的增加而增加，最終穩定在一定數值范圍內。在彈性范圍內，每個參數下的曲線保持線性狀態，斜率基本一致。由于內部缺陷的差異，發生塑性變形后每個試樣的破壞程度不同，曲線發生分散，但整體趨勢一致。對比不同剪切角度下的載荷位移曲線，初始斜率和最大載荷產生了變化，為更好地分析剪切角度對復合材料彎曲性能的影響，通過式（1）和式（2）計算出不同剪切角度下復合材料的彎曲強度和彎曲模量

式中，ε為應變；S為跨距終點處的撓度。

根據以上分析可知，緯編雙軸向織物可剪切變形的范圍為0°～50°，織物在不同紗線夾角下制作的復合材料彎曲強度和彎曲模量如圖6 和圖7 所示。隨剪切變形的加劇，復合材料的彎曲強度和模量呈現出先上升后下降再上升的趨勢。在本文試驗范圍內，紗線之間的角度為42°時，復合材料的彎曲強度和模量同時出現最大值。緯編雙軸向織物發生剪切變形時，由于捆綁紗的zfX54fybo0COCQVCTckMFZPsxW89Z+GNNeb9GB8WU+4=束縛作用，在達到一定的剪切角度后，纖維束會收緊，織物在厚度方向上增加，密度變大。因此，當剪切變形增大時，復合材料的纖維體積分數上升。同時，剪切變形發生時，纖維束以及捆綁紗的結構狀態改變，影響到彎曲變形時復合材料內部紗線的受力狀況。織物共三層襯紗，兩層緯紗的方向平行，中間層的經紗與緯紗呈一定角度。彎曲變形時上層緯紗受到壓縮作用，在變形中心的紗線受到擠壓作用。下層緯紗受到拉伸作用，同樣在變形中心的紗線受到最大拉伸力。受織物結構影響，在與經紗垂直的方向上施加彎曲變形需要的力最小。因為這個方向上中間層的紗線無法很好地抵抗外力，并且樹脂與纖維的界面是最易受損失效區域。隨著剪切變形的增加，中間層的經紗逐漸向緯紗方向靠攏。試樣彎曲時，一方面經紗可以更好地承擔外力，紗線與樹脂的界面擴大，抵抗損傷能力變強。另一方面，隨變形增加受力系統逐漸向垂直于經紗的方向偏移，緯紗的受力狀態發生變化，承載能力下降。因此，復合材料彎曲性能的變化是紗線結構與纖維體積分數相互作用的結果，從圖6 和圖7 中可以看到，復合材料的彎曲強度和模量分別在經緯紗夾角為61°和68°時降到最小值。因此可以推斷出，當織物增強體的剪切角為20°～30°時，會使復合材料的彎曲性能降至最低。對比發現，復合材料的彎曲模量會對剪切角度的變化更為敏感，織物增強體的剪切角在10°以內時，彎曲模量與剪切變形之間呈正相關關系；當剪切角為10°～20°時，彎曲模量會迅速降至最小值，在20°～50°的范圍內逐步回升。相對而言，復合材料的彎曲強度受剪切變形的影響較小，當織物增強體的剪切角為20°～30°時，會降低復合材料的彎曲強度；在其他剪切變形范圍內，復合材料彎曲強度的變化并不顯著。

總的來講，復合材料的彎曲模量相比彎曲強度而言，受剪切角變化的影響更為顯著，剪切角為20°～30°時，會降低復合材料的彎曲性能；織物增強體的剪切角在20°左右時，復合材料的彎曲模量降至最低；剪切角在30°左右時，彎曲強度會降至最低；剪切角在50°左右時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量同時達到最高。

2.3 彎曲形貌分析

復合材料試樣經過三點彎曲后在中部區域產生了明顯的損傷，試樣彎曲破壞形貌如圖8 所示。結合上表面損傷形貌（見圖8（a））和側面（見圖8（c）），可以看到試樣上表面局部纖維束產生了凸起，表明復合材料上表面的緯紗層受到了壓縮，在變形中心的紗線受到擠壓作用。從放大圖中可以看到，纖維束與樹脂之間產生了分層現象，紗線與樹脂連接的界面受損嚴重。對比不同紗線夾角下的試樣，可以發現剪切變形較大的試樣破壞范圍從中心向邊緣處擴大（見圖9（a）～圖9（g）），說明紗線角度的變化改變了彎曲時的受力狀態。在上層受到壓縮時損傷區域向試樣邊緣處擴散，說明剪切變形較大時中心處有更大的面積去承擔載荷。當剪切變形較小時，試樣發生損傷的區域較為整齊，并且破壞程度較小，說明剪切變形較小時織物結構對力的分散作用小。觀察試樣的下表面（見圖8（b））可以發現，沿捆綁紗產生較為明顯的損傷，從放大圖中可以看到捆綁紗處的樹脂出現了裂紋，并且沿纖維束方向，樹脂出現拉伸損傷的痕跡，說明復合材料下表面在彎曲過程中受到了拉伸作用。對比不同紗線夾角下的試樣（見圖10（a）～圖10（g）），下表面整體受損情況弱于上表面，易于觀察到的損傷發生在捆綁紗附近的區域。隨剪切變形的增加，彎曲變形時試樣受力系統也逐漸變化，因此上表面受損區域總是沿最弱的經紗方向，體現在下表面受損區域沿捆綁紗方向。同時，受力狀態的變化引起纖維束之間傾向于發生剪切，捆綁紗起到束縛作用抵抗變形，易于發生界面受損。因纖維具有很強的抗拉伸性能，并且試樣較薄，只能明顯觀察到樹脂的破壞，而纖維的損傷較小。圖9 和圖10 中都可以觀察到織物隨剪切變形的增大，捆綁紗收緊，纖維束寬度減小，纖維束之間的間距縮短，試樣在同等寬度下纖維束數量增加，纖維體積分數逐漸提高。

復合材料在彎曲過程中，試樣上表面主要的損傷形式為纖維束局部凸起產生分層，下表面主要表現為樹脂的損傷，與捆綁紗結合的樹脂產生裂痕，與纖維束結合的樹脂產生拉伸損傷的痕跡；隨剪切變形的增加，復合材料的纖維體積分數提高，當剪切變形較大時，受纖維束內部結構的影響，可在復合材料上表面受到壓縮作用時將受力向更大的區域分散。

3 結論

本文通過區域劃分的方法，觀察織物在成形頭盔殼體后的剪切變形，根據變形結果制備出不同紗線夾角的復合材料薄板，結合彎曲測試結果與損傷形貌，分析剪切變形對復合材料彎曲性能的影響。通過研究，得到以下結論：

（1）芳綸緯編雙軸向復合材料的彎曲模量受剪切變形的影響較大，織物增強體的剪切角為0°～ 10°時，彎曲模量呈上升趨勢，在10°～ 20°的范圍內迅速降至最低，隨后在20°～ 50°的范圍內逐步回升；復合材料的彎曲強度受剪切變形影響較小，當剪切變形為20°～ 30°時，復合材料的彎曲強度相對較低，在其他角度范圍內強度變化不明顯。

（2）試樣經三點彎曲后，上表面受損較為明顯，表現為局部纖維束的凸起，出現分層現象。在剪切角度較大時，上表面的損傷區域從中心向邊緣處擴大；在試樣下表面，捆綁紗周圍的樹脂產生裂紋，并且沿纖維束方向出現拉伸損傷的痕跡。