李春昀，孫 穎，張典堂，王國(guó)軍，潘 寧，吳智磊

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，

北京 100000；3.美國(guó)加州大學(xué) 戴維斯分校，美國(guó)戴維斯市 95616）

縫合鋪層碳/環(huán)氧復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)研究

李春昀1，孫 穎1，張典堂1，王國(guó)軍2，潘 寧3，吳智磊1

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，

北京 100000；3.美國(guó)加州大學(xué) 戴維斯分校，美國(guó)戴維斯市 95616）

采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)環(huán)氧樹脂E-51和縫合鋪層復(fù)合材料厚度方向的壓縮性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和壓縮強(qiáng)度，并通過沖擊破壞形貌來探討材料的動(dòng)態(tài)壓縮破壞模式.結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂E-51是應(yīng)變率相關(guān)材料，但其應(yīng)變率敏感程度并不高；縫合鋪層碳/環(huán)氧復(fù)合材料厚度方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)變率是敏感的，隨著應(yīng)變率的增加，最大應(yīng)力增大，應(yīng)變率在900 s-1比應(yīng)變率在350 s-1的壓縮強(qiáng)度增加120%；破壞的主要原因是纖維和樹脂的分離以及纖維之間產(chǎn)生相對(duì)位移形成微裂紋，隨著載荷的增加和應(yīng)力集中的作用，促使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致材料破壞.

縫合；復(fù)合材料；動(dòng)態(tài)壓縮性能；分離式霍普金森壓桿

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已被大量應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防軍工以及交通運(yùn)輸、化工和建筑等領(lǐng)域.在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，該材料常經(jīng)受高應(yīng)變率加載載荷，因此，研究其在不同應(yīng)變率載荷下的性能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，尤其是在不同應(yīng)變率的力學(xué)性能與試樣的幾何尺寸和織物結(jié)構(gòu)密切相關(guān).然而，常用的層合板復(fù)合材料具有各向異性、層間強(qiáng)度低、層間斷裂韌性差、沖擊損傷容限低等缺陷，許多輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中受到限制，但縫合技術(shù)的發(fā)展有效地提高了復(fù)合材料層間的性能[1].研究表明：在高應(yīng)變率加載條件下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的響應(yīng)明顯區(qū)別于靜態(tài).目前，對(duì)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板厚度方向承受壓縮載荷的應(yīng)變率效應(yīng)是研究材料抗沖擊性能的基礎(chǔ)問題之一.在研究復(fù)合材料承載應(yīng)變率效應(yīng)方面，沿厚度方向引入縫合線是提高碳纖維復(fù)合材料層合板厚度方向動(dòng)態(tài)性能的一種典型方式.譚柱華等[2]利用SHPB對(duì)碳/環(huán)氧三維四向編織復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了在應(yīng)變率為900～1 500 s-1下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)果表明：該材料的壓縮強(qiáng)度和模量具有一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，表現(xiàn)出明顯的脆性.曹茂盛等[3]對(duì)鋪層方式為 [45/0/-45/0/-45/90/0]s的新型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能研究，加載方向是層合板平面縱向和厚度方向，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在高應(yīng)變率范圍內(nèi)，層合板的厚度方向失效應(yīng)變以及動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度要高于平面內(nèi)的加載方向；在高應(yīng)變率下的損傷及破壞模式表現(xiàn)出基體分層、開裂及剪切斷裂.Ochola等[4]研究了鋪層方式為[0/90]的碳纖維/環(huán)氧樹脂鋪層復(fù)合材料在應(yīng)變率為10-4～103s-1之間的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳纖維/環(huán)氧樹脂鋪層復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度、失效模式和彈性模量都是應(yīng)變率敏感的，說明該材料是應(yīng)變率相關(guān)材料，低應(yīng)變率加載時(shí)的失效模式是剪切失效和扭結(jié)，高應(yīng)變率加載時(shí)的失效模式是試樣完全破壞.為了了解鋪層縫合碳纖維復(fù)合材料在中高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)特性，本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)分別對(duì)基體材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮性能研究，探討其應(yīng)變率的敏感性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試樣

本次實(shí)驗(yàn)采用12 k碳纖維平紋布，見圖1.將裁好的平紋布鋪層，然后采用鎖式縫合將鋪層織物進(jìn)行縫合，縫線采用3KT300碳纖維.鋪層織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 平紋布Fig.1 Plain weave cloth

表1 鋪層織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Ply fabric structure parameters

樹脂采用江蘇常熟佳發(fā)化學(xué)有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂，牌號(hào)為JL237；使用改性酯環(huán)胺JH-0320作為環(huán)氧樹脂固化劑，實(shí)驗(yàn)所用樹脂為環(huán)氧樹脂+固化劑以一定比例配制而成；采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝復(fù)合固化350 mm×250 mm×15 mm復(fù)合材料平板，纖維體積分?jǐn)?shù)為57.1%；采用高壓（磨料）水射流切割加工方法制柱形動(dòng)態(tài)壓縮試樣和20 mm×20 mm×15 mm長(zhǎng)方體壓縮試樣，如圖2所示.

圖2 水切割試樣Fig.2 Water cutting sample

澆注體試樣的制備是將環(huán)氧樹脂E51加593固化劑按一定比例混合，將混合液攪拌均勻，然后在35℃的烘箱中預(yù)熱，繼續(xù)加熱3 h，冷卻后取出試樣，如圖3所示.

圖3 澆注體試樣Fig.3 Casting sample

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及原理

Kolsky[5]發(fā)明的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置已成為研究各類材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的主要手段，典型的SHPB裝置簡(jiǎn)圖如圖4所示.

SHPB實(shí)驗(yàn)原理建立在2個(gè)基本假定基礎(chǔ)上：①壓桿的一維應(yīng)力波假定；②試樣中的應(yīng)力、應(yīng)變沿其長(zhǎng)度均勻分布假定.通過輸入桿和輸出桿記錄波形，利用一維應(yīng)力波理論計(jì)算試樣的應(yīng)變率、應(yīng)變?chǔ)舠和應(yīng)力σs：

式中：εr和εs分別是壓桿反射應(yīng)變和透射應(yīng)變；C0為波在彈性桿中的波速；ls是試樣初始長(zhǎng)度；t為時(shí)間；E是壓桿的初始模量；A是壓桿橫截面積；As是試樣初始橫截面積.

采用中國(guó)科技大學(xué)研制的SHPB測(cè)試系統(tǒng)，通過改變氣炮壓力閥值控制撞擊桿的沖擊速度，進(jìn)行不同應(yīng)變率下的壓縮實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次.

圖4 分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置示意圖Fig.4 Device of split Hopkinson pressure bar

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 環(huán)氧樹脂E-51的動(dòng)態(tài)壓縮性能

基體對(duì)于復(fù)合材料起到很重要的作用，它與增強(qiáng)材料組合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，它的作用是均布載荷、傳遞載荷，決定著復(fù)合材料的許多重要性能[6].圖5所示為入射桿和透射桿上應(yīng)變片記錄的典型波形圖.

圖5 應(yīng)變片記錄的動(dòng)態(tài)反應(yīng)信號(hào)Fig.5 Record of dynamic response signal from strain gauge

由圖5可見，在0.5 MPa下，反射波在達(dá)到波峰后突然下降，這是由于材料發(fā)生嚴(yán)重破壞，入射桿與試樣分離，入射桿端面相當(dāng)于自由面，后續(xù)的入射波被全部反射，反射波在“失效點(diǎn)”處被拉伸增大.同時(shí)，由透射波也可以看到材料的破壞，透射波的峰值表示材料承受的最大載荷.然后，材料在沖擊載荷作用下被破壞，從而失去承載能力，載荷急劇下降.觀察表明：入射波還在加載，反射波提前卸載，表明材料開始破壞失穩(wěn)；在反射波的拐點(diǎn)處，沖擊載荷使材料達(dá)到其屈服強(qiáng)度.

圖6為環(huán)氧樹脂澆注體試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖6 在0.3 MPa、0.5 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of 0.3 MPa and 0.5 MPa

由圖6可見，應(yīng)變率從435 s-1增加到934 s-1，最大應(yīng)力僅增加了9.6 MPa，而最大應(yīng)力處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變卻降低了66.7%.圖7所示為在0.3 MPa和0.5 MPa下沖擊后的試樣.

圖7 SHPB實(shí)驗(yàn)在0.3 MPa、0.5 MPa時(shí)沖擊后的試樣Fig.7 Sample of impact test under 0.3 MPa and 0.5 MPa in SHPB experiment

由圖7可見，在0.3 MPa的沖擊載荷下，試樣雖完整但產(chǎn)生裂紋；在0.5 MPa下應(yīng)力集中在試樣中心，達(dá)到屈服強(qiáng)度后破壞成多個(gè)碎塊.

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂是應(yīng)變率相關(guān)材料，盡管其最大應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增加，但增幅并不大，因此可知環(huán)氧樹脂E-51澆注體的應(yīng)變率敏感程度并不高.

2.2 縫合鋪層復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮性能

圖8所示為0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的氣壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖8 在0.5、0.8、1.0 MPa的荷載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa

由圖8可見，復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下所對(duì)應(yīng)的最大破壞強(qiáng)度分別為 313.4 MPa、584.5 MPa、689.9 MPa，在動(dòng)態(tài)載荷下，復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度有著很明顯變化，壓縮強(qiáng)度從313.4 MPa提高到689.9 MPa，增加了120%，表明碳纖維鋪層復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，且最大應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而增大.由此說明碳纖維層合復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮是應(yīng)變率敏感的.

圖9所示為在0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的沖擊荷載下，試樣在動(dòng)態(tài)壓縮下的表觀形態(tài).

圖9 SHPB實(shí)驗(yàn)在0.5MPa、0.8MPa、1.0MPa時(shí)沖擊后的試樣Fig.9 Sample of impact test under 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa in SHPB experiment

由圖9可見：在0.5 MPa的沖擊荷載下，試樣沒有發(fā)生破壞，由應(yīng)力波形圖中的沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)也可得出以上結(jié)論；在0.8 MPa的沖擊荷載下，發(fā)現(xiàn)試樣加載面表層發(fā)生破壞，但整體并沒有破裂，僅在試樣表層出現(xiàn)基體開裂，表層纖維嚴(yán)重?fù)p傷，碳纖維束和樹脂基體粉碎成大小不等的碎片形狀，長(zhǎng)短不等的碳纖維束清晰可見；在1.0 MPa下的沖擊載荷下，材料完全破壞成大小不等的碎塊，碎塊的尺寸大小不等，較大的碎塊斷面呈現(xiàn)明顯的階梯狀，具有明顯的劈裂特性，較小的碎片由基體碳纖維束和復(fù)合材料碎片組成，在斷裂面上還可以看到基體碎屑和碳纖維束.

3 結(jié)論

利用分離式霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)裝置在不同應(yīng)變率下進(jìn)行壓縮力學(xué)性能測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：

（1）環(huán)氧樹脂E-51是應(yīng)變率相關(guān)材料，然而本身的敏感程度不高.

（2）鋪層縫合碳/環(huán)氧復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)變率是敏感的，隨著應(yīng)變率的增加，最大應(yīng)力也增大，應(yīng)變率在900 s-1比應(yīng)變率在350 s-1的壓縮強(qiáng)度增加120%左右.

（3）從破壞模式上進(jìn)行分析，縫合鋪層復(fù)合材料只產(chǎn)生微裂紋、樹脂裂紋等，而隨著載荷的增加、應(yīng)力作用的集中，試樣材料破壞成大小不等的碎塊.破壞的主要原因是纖維和樹脂的分離以及纖維之間產(chǎn)生相對(duì)位移形成微裂紋，隨著載荷的增加，應(yīng)力作用的集中，促使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致材料破壞.在動(dòng)態(tài)載荷下破壞產(chǎn)生的碎片斷面有明顯的劈裂臺(tái)階，表示它在損傷過程中有更多的微裂紋形成，這減輕了局部的應(yīng)力集中，消耗了更多的能量，從而使復(fù)合材料的承載能力得以改善，提高了復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)載荷下的壓縮強(qiáng)度.

[1] 矯桂瓊，寧榮昌，盧智先.層間增韌復(fù)合材料研究[J].宇航材料工藝，2001（4）：36-39.

[2] 譚柱華，龐寶君，賈斌，等.三維四向編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2008，25（9）：209-213.

[3] 曹茂盛，周偉，雷義龍，等.壓縮載荷下碳/環(huán)氧復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為[J].材料工程，2008（4）：15-18.

[4]OCHOLA R O，MARCUS K，NURICK G N，et al.Mechanical behaviour of glass and carbon fiber reinforced composites at varying strain rates[J].Composite Structures，2004，63（3/4）：455-467.

[5] KOLSKY H.An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading[J].Proceedings of the Physical Society of Section B，1949，62（11）：676-700.

[6] 孫曼靈，周希真.高分子材料學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1988.

Study on dynamic compressive behavior of stitched carbon/epoxy composite laminates

LI Chun-yun1，SUN Ying1，ZHANG Dian-tang1，WANG Guo-jun2，PAN Ning3，WU Zhi-lei1
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Sinovel Wind Group Co Ltd，Beijing 100000，China；3.University of California，Davis，California，95616，USA）

The compressive behavior of the epoxy E-51 and stitched carbon/epoxy composite laminates were studied in the thickness direction by adopting the split Hopkinson pressure bar(SHPB)dynamic testing system,and the stressstrain relationship and compressive strength under different strain rates were obtained.And the dynamic compression destroy mode of the materials was discussed on the basis of impact damage morphology.The results show that the epoxy E-51 is strain rate related materials,but the sensitivity to strain rate is not high.The stress-strain curves of the carbon/epoxy composite materials in the thickness direction are sensitive to strain rate.The maximum stress increases with strain rate,and the compressive strength corresponding to strain rate at 900 s-1increases by 120%,comparing with strain rate at 350 s-1.The separation between fiber and resin,fiber and fiber is the main reason that leads to the microscopic cracks,which propagated due to the increase of load and stress concentration,and eventually leading to the damage of the composite materials.

stitch；composite materials；dynamic compressive behavior；split Hopkinson pressure bar

TB332

：A

：1671-024X（2013）01-0001-04

2012-08-24

：國(guó)家自然基金青年基金項(xiàng)目（11102133）

李春昀（1988—），男，碩士研究生.

孫 穎（1974—），女，教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：sunying@tjpu.edu.cn