三维正交机织复合材料的冲后压缩性能

应志平，王伟青，吴震宇，胡旭东

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；
2.浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江 杭州 310018)

纤维增强复合材料具有较高的比强度和比模量，被广泛应用于汽车、石油天然气、航空航天、风能等领域[1]。然而，基于预浸料人工铺层和热压釜固化的传统层合复合材料因制造昂贵、层间性能弱已逐渐无法满足航空航天、轻量化汽车等领域对低成本、高产量、高性能先进复合材料的应用需求[2-4]。为克服层合复合材料面外载荷和分层缺陷，三维机织预制件在高效率近净成型和全厚度增强方面的优势使其成为极富潜力的复合材料增强体[5-7]。通过比较单向、二维、三维机织复合材料的损伤容限发现，三维机织复合材料的强度降低最少。这是由于接结纱抑制了分层生长，三维机织复合材料具有最高的剩余强度[8]。三维正交机织预制件通过接结纱桥接厚度方向的纱线并起层间增韧作用，改进了复合材料板件的抗层间开裂及分层扩展性能[9-10]。

三维机织预制件基于传统机织工艺通过经纬纱及接结纱交织获得，纱线相互接触、滑移，使预制件具有复杂的织物组织结构，织造参数决定了最终纤维交织结构[10-12]。织物结构在增强抗冲击性能方面起着重要作用，特别是在低速冲击载荷下，单向织物和二维平面织物增强的层合板容易出现分层现象。研究发现，改变接结纱的含量可显著提高抗分层性能。抗冲击性描述了材料抵抗冲击的能力，而冲后压缩(CAI)是评价复合材料服役性能的重要指标之一[13-14]。虽然三维机织结构显著减小了分层损伤面积，但接结纱同时引发轴向经纬纱的卷曲变形，这将导致后续压缩载荷下的纤维屈曲而降低压缩性能。

尽管国内外对纤维增强复合材料的冲后压缩性能进行了多项研究，但很少提及织造纱线张力对三维机织复合材料抗冲击性能及其冲后压缩性能的影响[15-17]。在织造过程中，纱线张力将显著影响其卷曲度，并进一步影响复合材料的压缩性能[18]。本文通过冲后压缩实验比较不同织造纱线张力配置的三维机织复合材料的力学性能。首先对复合材料试样进行低速落锤冲击实验并比较冲击响应曲线。然后对试样进行冲后压缩实验，比较3种张力配置的复合材料压缩性能。最后，结合织物结构和纱线轨迹分析三维正交机织复合材料冲击损伤及压缩失效机制。

1.1 三维正交机织增强体结构

三维正交机织增强体结构如图1所示。其中，经纱和纬纱分别采用东丽公司的T700-24K型与T700-12K碳纤维，接结纱采用杜邦公司Type 950型芳纶纤维。织物经密为50根/(10 cm)，纬密为33根/(10 cm)。经纱和纬纱张力分别为200、100 cN。经纱张力由200 cN弹簧提供，分别配置25、50、100 cN的3种接结纱张力(织制的试样分别编号为1#、2#、3#)，参考文献[11]织制三维正交机织增强体。

图1 三维正交机织增强体结构示意图

1.2 三维正交机织复合材料的制备

采用真空辅助树脂传递模塑成型技术对三维正交机织物进行固化成型。基体采用北京科拉斯公司EPOLAM 2040环氧树脂、2042固化剂，以100:32的质量比混合。使用浙江飞越机电公司的FY-1H-N型真空泵，抽离空气产生0.01 MPa气压使织物吸入模具，并在70 ℃浸润固化12 h，在浸润和固化过程中，织物未受到额外的压缩，制得三维正交机织复合材料。复合材料试样厚度约4.0 mm，利用金刚石线锯进行切割，将复合材料面板裁剪成75 mm×50 mm的长方形试样，长边沿纬纱方向，短边沿经纱方向。

1.3 实验方案

1.3.1 低速冲击实验

根据ASTM D7136/D7136M—2005《纤维增强复合材料落锤冲击抗损伤性标准试验方法》进行低速冲击实验。实验平台器件安装如图2(a)所示，将试样放置于夹具中，其自由区域的尺寸为65 mm×40 mm。采用直径为20 mm半球形冲头，在冲头轴向安装量程为0～60 kN的CL-YD-305型压电式石英传感器(无锡世敖公司)。实验过程中冲击器质量为3.57 kg，提升高度为857 mm，冲击器与滑轨的摩擦及其落锤过程中的空气阻力忽略不计，冲击速度约为4.10 m/s，冲击能为30 J。

图2 低速冲击及冲后压缩实验平台

1.3.2 冲后压缩实验

根据ASTM D7137/D7137M—2012《复合材料抗压残余强度性能标准试验方法》，采用量程为0～100 kN的MST-5105型万能试验机(美特斯工业系统(中国)有限公司)进行冲后压缩实验。实验平台如图2(b)所示，将冲击后的试样放置于压缩夹具中，沿试样长边(纬纱方向)施加压缩载荷，压缩速率设定为2 mm/min。当压缩载荷承载能力衰减超过80%，停止施加压缩载荷。

2.1 低速冲击响应曲线

2.1.1 冲击反作用力-时间响应曲线

冲击反作用力从冲头接触到复合材料开始，复合材料对冲头具有反向抗冲击阻尼，表现为复合材料的抗弯性能。图3示出不同接结纱张力试样的冲击反作用力-时间响应曲线。可知，在30 J冲击能下，不同张力配置的三维正交机织复合材料呈现出不同的弯曲刚度和冲击力峰值，具体表现在冲击初始阶段冲击力增大速率和冲击力峰值存在差异。1#试样在2.15 ms时达到峰值力(Fmax=7 052 N)，2#试样在1.55 ms时达到峰值力(Fmax=6 955 N)，3#试样在2.25 ms时达到峰值力(Fmax=6 634 N)。所有试样在4.5 ms时回到零位，即冲头反弹并离开试样表面。三维正交机织复合材料抗冲击性能具体表现在抗弯刚度上，1#试样具有较大的抗弯刚度，其最大冲击反作用力相比于3#试样提升了6.3%。

图3 三维正交机织复合材料的冲击反作用力-时间响应曲线

2.1.2 冲击反作用力-位移响应曲线

图4示出三维正交机织复合材料的冲击反作用力-位移响应曲线。在30 J冲击能下，冲击力前半部分的上升阶段表现出不同的上升斜率，即表明试样具有不同的抗弯刚度。其中，1#试样斜率最大，其次是2#试样，最后是3#试样。峰值附近冲击发生剧烈抖动，表明试样发生了剧烈的损伤行为，包括树脂破裂、剥离、纤维断裂等。此外，当冲击力达到峰值时，位移也随之达到峰值。冲击位移特征反映了试样变形的程度，以冲击力转折点作为最大冲击位移。3#试样位移最大(6.02 mm)；
1#、2#试样的最大冲击位移分别是5.58、5.43 mm，比较接近。从试样的恢复位移也可判断其遭受冲击后的能量吸收情况。3#试样的恢复位移最小，表明大量冲击动能被反弹。反之，1#试样的恢复位移较大，表明冲击动能以各种损伤形式被吸收。

图4 三维正交机织复合材料的冲击反作用力-位移响应曲线

2.2 冲后压缩载荷-位移响应曲线

图5示出三维正交机织复合材料的冲后压缩载荷-位移响应曲线。可知，不同接结纱张力下试样的承载能力具有显著差异，尤其是表现在压缩载荷峰值上。1#试样的压缩载荷峰值最大为34.38 kN；
其次是2#试样，其压缩载荷峰值为26.41 kN；
最后是3#试样，其压缩载荷峰值为15.63 kN。当达到峰值时，1#和2#试样发生瞬时断裂失效，承载能力急速下降；
3#试样达到峰值后还有一段平台曲线，仍能承受一定载荷。虽然3#试样的承载能力稍弱，但其具有较好的断裂韧性。

图5 三维正交机织复合材料的冲后压缩载荷-位移响应曲线

2.3 冲击损伤形貌

图6示出三维正交机织复合材料正反面的冲击损伤形貌。可见，冲击正面和背面表现出不同的损伤形貌，其损伤行为包括树脂破裂、剥离，纤维断裂。3种试样的损伤共同点是：冲击正面可见小范围的细小树脂裂纹，冲击背面则是大面积块状树脂裂纹和剥离。差异在于：1#试样背面有少量纤维断裂损伤；
2#试样的冲击背面树脂破裂程度浅而均匀；
3#试样的冲击背面树脂剥离程度深而集中。1#和2#试样的背面均可见少量纤维断裂，而在3#试样上未见。上述损伤形貌的共同点和差异可解释试样冲击响应曲线中的强烈抖动现象。

图6 三维正交机织复合材料的冲击损伤形貌

三维正交机织复合材料的冲后压缩损伤形貌如图7所示。压缩屈曲裂纹表现为一条垂直于压缩方向的失效路径。从压缩损伤形貌上可见不同的压缩失效行为。1#和3#试样分别表现出纱线断裂、纱线屈曲的失效行为，而2#试样兼有纱线断裂和屈曲。使用金刚石线锯切割截取1#试样冲击点位置处10 mm(轴向)×10 mm(横向)的小块进行X射线扫描，观察试样内部损伤形貌。沿纬纱方向(A-A)和经纱方向(B-B)截取试样压缩损伤形貌横截面，如图7(d)、(e)所示，可观察到试样内部的损伤形貌，纬纱方向发生纱线断裂，经纱方向则可以观察到冲击造成的层间开裂和压缩造成的纱线压溃。3种复合材料试样在冲击和压缩负载下的损伤情况如表2所示。

表2 复合材料试样在冲击及冲后压缩载荷下的损伤情况

图7 三维正交机织复合材料的冲后压缩损伤形貌

2.4 冲后压缩损伤机制分析

2.4.1 树脂富集区域分析

图8示出沿接结纱的试样横截面。图中呈现了不同试样的树脂富集区域。其中：d1和d2代表树脂富集区域的深度；
A1和A2代表树脂富集区域的面积。深度随着接结纱张力的增大而增大，相应的树脂富集区域的面积也随之增大。可预见树脂富集区域的体积含量亦随之增大，其深度和面积反映了试样表面纯树脂的体积含量，即接结纱张力越大，试样表面纯树脂含量越高。

图8 沿接结纱的试样横截面

由此可知，表面纯树脂在冲击损伤中表现为细小的树脂裂纹。然而，当表面纯树脂含量较大时，其损伤形式则转换为大块树脂破裂和剥离(见图6)。在接结纱和表层纬纱的交织点处易形成纬纱卷曲凹陷，从而导致树脂在凹陷区域聚集；
而接结纱张力决定了纬纱的凹陷程度，因此，纱线张力变化所引起的纱线几何结构变化进一步导致树脂分布和纬纱卷曲程度发生变化，最终导致试样力学性能差异。

3#试样的纬纱卷曲程度大，表层树脂富集，冲击载荷下发生大量树脂破裂和剥离，促使后续压缩载荷下纬纱失去固化支撑而更易发生屈曲失效。1#试样在冲击载荷下出现纤维断裂，使其在后续压缩载荷下成为承载薄弱点而发生纱线断裂。

2.4.2 纱线增强体卷曲程度分析

三维正交机织复合材料沿纬纱方向的横截面如图9(a)所示。可见，其纬纱主要分为表层纬纱和中间层纬纱，几何结构具有显著差异。表层纬纱在接结纱作用下发生卷曲，而中间层纬纱则保持相对平直。在冲击载荷下，复合材料发生弯曲变形，其表层纬纱发挥主要力学承载作用。在冲头撞击下，试样一方面发生撞击点的树脂破裂，另一方面发生整体弯曲变形，由此导致表层纤维断裂，且纤维断裂耗散主要的冲击动能，因此，随着接结纱张力的增大，表层纬纱的卷曲程度增加，表层纬纱的抗弯刚度发生变化，说明卷曲的纬纱导致试样整体抗弯刚度下降。

分别抽取1#和3#试样中的表层纬纱进行分析，其变形原理如图9(b)所示。在冲击载荷作用下纬纱抵抗弯曲变形而被拉伸，平直纬纱变形后易发生纤维断裂；
反之，卷曲纬纱则具有伸直趋势。

图9 三维正交机织复合材料的冲击损伤机制

压缩方向沿着纬纱方向，三维正交机织复合材料的压缩载荷主要由纬纱决定，因此，3种试样纬纱卷曲程度的差异进一步造成冲后压缩性能的差异。三维正交机织复合材料的压缩损伤机制如图10所示，1#试样的纬纱较平直，而3#试样的外侧纬纱卷曲较大。3#试样在冲后压缩载荷施加过程中发生冲击点位置的局部屈曲，由此导致其压缩承载力显著低于1#试样。1#试样接结纱张力小，纬纱卷曲小，冲击后仅有少量的树脂裂纹，并且平直的纬纱具有更好的压缩承载能力，表现为纱线断裂失效行为。3#试样表面树脂在冲击载荷下发生了大量破裂和剥离，纬纱失去树脂基体支撑，卷曲的纬纱更易发生压缩屈曲失效，致使3#试样表现出较低的冲后压缩承载性能。综上所述，复合材料试样的冲击和压缩失效行为由纬纱卷曲和富树脂区分布情况综合作用所决定。

图10 三维正交机织复合材料的压缩损伤机制

由此可见，表层纬纱几何结构对三维正交机织复合材料的抗冲击及冲后压缩性能具有显著影响。然而，表层纬纱所呈现的卷曲结构与织造过程有关，尤其是接结纱张力。接结纱张力增大导致表层纬纱卷曲程度加深。由此可推断，接结纱张力对三维正交机织复合材料的力学性能起决定作用。接结纱张力首先决定表层纬纱的卷曲程度，其次影响表层树脂富集区域的分布，因此，不同接结纱张力配置的试样表现出不同的树脂破裂和剥离损伤形貌，并在纬纱方向呈现截然不同的压缩承载性能。

本文采用3种接结纱张力分别织造三维正交机织物，并对其复合材料试样进行了冲后压缩性能实验。研究结果表明：接结纱张力增大，表层纬纱的卷曲程度增大以及表面树脂富集；
纱线张力较大的复合材料在冲击表面形成大面积的树脂破裂和剥离，致使表层纬纱裸露并失去支撑，卷曲的纬纱使冲后压缩失效行为从纱线断裂转为局部屈曲，降低了复合材料的压缩承载性能；
三维正交机织复合材料的抗弯刚度和冲后压缩性能随织造过程中接结纱张力的增大而减小。