徐雪偉，焦亞男，孫 穎

（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）

多維多向紡織復(fù)合材料的沖擊性能

徐雪偉，焦亞男，孫 穎

（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）

以碳纖維為原材料，制備層間連接程度遞進(jìn)的層合織物、2.5D機(jī)織物、機(jī)織三向織物和三維編織物，并以它們?yōu)樵鰪?qiáng)材料制備紡織復(fù)合材料；分析不同結(jié)構(gòu)的交織規(guī)律，并進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，研究沖擊性能和4種結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；通過分析沖擊記錄曲線和試樣的沖擊破壞特征，比較不同結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能.結(jié)果表明：4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能從大到小依次為，機(jī)織三向、2.5D機(jī)織、層合結(jié)構(gòu)和三維編織復(fù)合材料.

多維多向；紡織復(fù)合材料；織物結(jié)構(gòu)；低速?zèng)_擊；沖擊性能

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，因而在航空航天、軍事國(guó)防、建筑工業(yè)、生物醫(yī)療等高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1].但由于復(fù)合材料本身對(duì)沖擊作用比較敏感，使得復(fù)合材料在受到外物沖擊后很容易出現(xiàn)損傷[2-3]，導(dǎo)致其剩余強(qiáng)度下降，影響材料的應(yīng)用，甚至?xí)苯訉?dǎo)致事故的發(fā)生.因此，研究復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷及剩余強(qiáng)度問題具有重要的理論與實(shí)踐意義[4].早在1975年，Greszczuk就出版了關(guān)于復(fù)合材料沖擊問題的專集[5].20世紀(jì)70年代中期，研究者就開始關(guān)注低速?zèng)_擊損失對(duì)復(fù)合材料性能的影響.但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料沖擊性能的研究大多數(shù)集中于復(fù)合材料層合板[6]，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)類型復(fù)合材料的研究相對(duì)較少[7-8].同時(shí)，在研究某種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的沖擊性能時(shí)，缺乏對(duì)于多種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在相同參數(shù)下抗沖擊性能的對(duì)比[9]，因而很難直觀地確定各種增強(qiáng)體復(fù)合材料抗沖擊性能的優(yōu)劣，難以建立增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)和抗沖擊性能之間的關(guān)系[10-11].本文借鑒已有的對(duì)于復(fù)合材料沖擊性能的研究成果，針對(duì)層間連接程度遞進(jìn)的層合、2.5D機(jī)織、機(jī)織三向和三維編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料，進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)，研究了低速?zèng)_擊性能和4種結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在積累材料性能數(shù)據(jù)的同時(shí)為紡織復(fù)合材料產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 紡織復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)分析

本實(shí)驗(yàn)主要討論層合織物、2.5D機(jī)織物、機(jī)織三向織物和三維六向編織物復(fù)合材料的抗沖擊性能，4種織物的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 織物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagrams of different fabric structure

由圖1可知，4種織物的層間連接程度逐漸遞進(jìn)：層合織物層與層之間沒有纖維通過，2.5D機(jī)織物相鄰層之間通過接結(jié)經(jīng)進(jìn)行連接，機(jī)織三向織物通過與織物面內(nèi)呈正交或準(zhǔn)正交方向的接結(jié)紗將多層經(jīng)紗緯紗連為一個(gè)穩(wěn)定整體，三維六向結(jié)構(gòu)的每根紗線都通過織物的長(zhǎng)寬厚方向從而形成不分層的三維整體結(jié)構(gòu).

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

以日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維為原材料，制備碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基層合板（LA），2.5D機(jī)織復(fù)合材料（WA），機(jī)織三向復(fù)合材料（OR），三維六向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（BR）各3片，試樣工藝參數(shù)見表1.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

所有沖擊試驗(yàn)均在英斯特公司的Instron Dynatup 9250HV型落重沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，參考的標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)D7136/D7136M-05.本試驗(yàn)使用半球形錘頭，錘頭直徑為12.7 mm，落錘質(zhì)量為6.5 kg，所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.落錘高度、沖擊能量、沖擊速度（沖頭剛接觸到樣品時(shí)的速度）可以設(shè)定，其中1個(gè)值設(shè)定后，其他的2個(gè)值將由系統(tǒng)自動(dòng)生成.試驗(yàn)設(shè)定沖擊能量為4.45 kJ/mm.試驗(yàn)開始后，只要輸入所需的初始沖擊能量，系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的落重高度，沖擊頭在下落沖擊試樣前便會(huì)移到此高度.

表1 試驗(yàn)試樣的工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of test samples

2 結(jié)果與討論

4種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.

纖維體積含量是影響材料性能的重要指標(biāo)，一般情況下，體積含量越高材料的綜合性能越好.為消除體積含量以及試樣厚度的影響，僅分析結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊性能的影響，本文對(duì)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了單位化處理，即通過單位體積含量的性能來比較4種材料的性能.因此，沖擊試驗(yàn)的最大載荷、最大載荷處能量及總能量可以分別通過最大單位化載荷、最大載荷處單位化能量和單位化能量的比較來獲得.

表2 不同結(jié)構(gòu)試樣的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Impact test data of different structure samples

2.1 沖擊性能

繪制4種不同結(jié)構(gòu)試樣的單位化載荷對(duì)比圖和單位化能量對(duì)比圖如圖2和圖3所示，從而更直觀地比較4種不同結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能.分析圖2可知，4種試件的單位化載荷由大到小分別為：OR試件32.29 N/（mm·%），LA試件32.07 N/（mm·%），WA試件31.28 N/（mm·%），BR試件26.51 N/（mm·%）.單位化載荷越高，織物的抗沖擊性能越好.圖3是通過試件吸收的能量（即總能量）來比較4種結(jié)構(gòu)試件的抗沖擊性能，試件吸收的能量越多，其損傷程度越大，抗沖擊性能越差.4種試件的單位化能量分別為L(zhǎng)A試件0.040 1 J/（mm·%），WA試件 0.037 6 J/（mm·%），OR試件0.031 3 J/（mm·%），BR試件0.052 9 J/（mm·%）.

圖2 不同結(jié)構(gòu)試樣單位化載荷對(duì)比Fig.2 Diagram of unitized load of different structure samples

圖3 不同結(jié)構(gòu)試樣的單位化能量對(duì)比Fig.3 Diagram of unitized energy of different structure samples

2種分析結(jié)果顯示，4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，層合織物復(fù)合材料（LA）的單位化載荷最大，三維編織復(fù)合材料（BR）的單位化能量最高.

2.2 沖擊記錄曲線

由于各試樣的厚度和纖維體積含量不同，將試樣的沖擊響應(yīng)曲線由傳統(tǒng)的載荷-時(shí)間、能量-時(shí)間曲線進(jìn)行單位化，轉(zhuǎn)化為單位化載荷-時(shí)間曲線和單位化能量-時(shí)間曲線，如圖4和圖5所示.

圖4 不同結(jié)構(gòu)試樣沖擊單位化載荷-時(shí)間曲線Fig.4 Unitized load-time curve of different structure samples

圖5 不同織物結(jié)構(gòu)試樣的沖擊單位化能量-時(shí)間曲線Fig.5 Unitized energy-time curve of different structure samples

2.2.1 最大載荷出現(xiàn)的時(shí)間

由圖4單位化載荷-時(shí)間曲線可知，4種試件最大載荷值出現(xiàn)的先后順序依次為BR試件、OR試件、WA試件和LA試件.BR試件在0.808 1 ms即出現(xiàn)載荷峰值，而LA試件在2.615 3 ms時(shí)才開始出現(xiàn).

2.2.2 損傷的階段性

4種試樣的沖擊載荷-時(shí)間曲線在上升段均呈鋸齒狀波動(dòng)，而下降段卻很光滑，同時(shí)曲線在沖擊的初始階段就開始波動(dòng)，說明材料損傷發(fā)生在沖擊加載階段而不是卸載階段，并且試樣在沖擊的開始就出現(xiàn)了初始損傷.所有曲線在沖擊損傷發(fā)生的主要階段，均呈現(xiàn)出象征不同類型沖擊損傷的鋸齒狀波動(dòng).曲線的加載和卸載部分不對(duì)稱，表明了逐步損傷的存在.

2.2.3 損傷曲線的對(duì)稱性

從圖4中可以看出，OR試樣的載荷-時(shí)間曲線相對(duì)比較平滑，對(duì)稱性較好，波動(dòng)少，說明用一定的初始沖擊能量進(jìn)行沖擊時(shí)，機(jī)織三向結(jié)構(gòu)試樣產(chǎn)生的損傷少，具有優(yōu)于其他3種試件的抗沖擊性.

2.2.4 沖擊損傷的持續(xù)時(shí)間

觀察圖5單位化能量-時(shí)間曲線可知，達(dá)到最大能量所需時(shí)間越短，說明試件的主要損傷結(jié)束越早，損傷持續(xù)時(shí)間越短.4種試件達(dá)到最大能量的先后順序依次為OR試件、LA試件、BR試件和WA試件.

2.3 沖擊試樣破壞特征

4種試樣的沖擊損傷結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同結(jié)構(gòu)試樣的沖擊損傷表觀Fig.6 Diagrams of impact failure performance of different structure samples

本文通過對(duì)沖擊破壞的表觀和織物結(jié)構(gòu)的分析來描述試樣結(jié)構(gòu)對(duì)試件沖擊外觀的影響.

由圖6可見，復(fù)合材料層合板和2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)試件的沖擊裂紋沿織物經(jīng)向紋路擴(kuò)展明顯.這是由于層合織物和2.5D機(jī)織物的表面有呈90°交織的經(jīng)緯紗，在受到?jīng)_擊力之后，正面受壓應(yīng)力，織物平面擴(kuò)散的沖擊應(yīng)力波沿織物經(jīng)向擴(kuò)散明顯.而背面受拉應(yīng)力，沖擊應(yīng)力波沿織物緯向擴(kuò)展明顯.層合織物密度小，且層間沒有連接，易發(fā)生分層，該材料裂紋的緯向擴(kuò)展較2.5D機(jī)織復(fù)合材料明顯.

機(jī)織三向結(jié)構(gòu)試件由于有Z向紗的捆綁，對(duì)損傷的擴(kuò)展起到了約束作用，使沖擊裂紋擴(kuò)展在經(jīng)緯向較為均勻.

三維編織復(fù)合材料沖擊后的應(yīng)力波會(huì)沿纖維方向傳播，通過交織點(diǎn)繼續(xù)向2個(gè)方向擴(kuò)展，因此損傷較機(jī)織三向織物明顯.

3 結(jié)論

（1）4種復(fù)合材料的厚度和纖維體積含量不同，試驗(yàn)結(jié)果不可以直接進(jìn)行對(duì)比，將厚度和纖維體積含量單位化之后得到單位化載荷、單位化能量以便于比較.

（2）根據(jù)沖擊載荷和能量以及4種復(fù)合材料最大載荷值出現(xiàn)的時(shí)間綜合分析，機(jī)織三向結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有較好的抗沖擊性能，接下來是層合復(fù)合材料和

2.5 D機(jī)織復(fù)合材料.

（3）機(jī)織三向復(fù)合材料在給定的沖擊能量下，破壞區(qū)域最小，抵抗損傷的能力最強(qiáng).

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Impact properties of multi-dimensional multi-directional textile composites

XU Xue-wei，JIAO Ya-nan，SUN Ying
（Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin
300387，China）

Carbon fibers are made into four different structures,laminated fabric,2.5D woven fabric,orthogonal fabric and three-dimensional braid fabric,with progressive degree of connection between the layers.Then they are used as the reinforcing material to produce the textile composites.The impact properties are studied by low speed impact tests and the effects of that with their interlacing regularities are analyzed.According to the impact record curves and the sample failure characteristics,the impact resistances with four different structures are compared.The results show that the impact resistance of the four textile composites,from strong to weak,is orthogonal fabric, 2.5D woven fabric,laminated fabric,three-dimensional braid fabric.

multi-dimensional multi-directional；textile composites；fabric structure；low speed impact；impact resistance

TB332；TS101.923

A

1671-024X（2014）01-0001-04

2013-09-04

國(guó)家自然基金青年基金項(xiàng)目（11102133）

徐雪偉（1988—），女，碩士研究生.

焦亞男（1971—），女，研究員，碩士生導(dǎo)師.E-mail：jiaoyn@tjpu.edu.cn