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Z—pin增強技術(shù)在碳纖維復合材料中的現(xiàn)狀與展望

2016-03-04 20:34楊鵬張黎
山東工業(yè)技術(shù) 2016年5期

楊鵬 張黎

摘 要:Z-pin增強技術(shù)在復合材料層間增強與聯(lián)結(jié)增強中是簡便、影響最小、有效的方法。Z-pin增強技術(shù)是在碳纖維預浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒然后成型。從理論與試驗的角度分別說明Z-pin的嵌入能減少層間I,II型破壞和聯(lián)結(jié)破壞,大大增加層間強度與聯(lián)結(jié)強度。Z-pin增強技術(shù)的應用應向工藝方面、金屬Z-pin方面、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面和環(huán)形搭接方面發(fā)展。

關(guān)鍵詞:Z-pin增強;I型;II型;層間增強;聯(lián)結(jié)增強

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.031

1 引言

樹脂基碳纖維復合材料層合板在多次沖擊下容易產(chǎn)生層間分層,這使層合板在較低的載荷下就發(fā)生分層失穩(wěn)和擴展,從而導致結(jié)構(gòu)失效[1]。針對層間失效,大量學者提出改進方法,一是改善樹脂基體性能,二是三維增強,即增加法向材料,如編織、縫合、Z-pin增強等,三是層間增韌。其中Z-pin增強技術(shù)是最簡便、影響最小和有效的方法[2]。

在解決樹脂基碳纖維復合材料應用中出現(xiàn)的問題,特別是增強層間性能時, Z-pin增強技術(shù)具有明顯的前景,并且Z-pin聯(lián)結(jié)也有很大優(yōu)點和發(fā)展空間。

2 Z-pin增強技術(shù)

Z-pin技術(shù)工藝過程是在預浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒,然后再按傳統(tǒng)方法對含Z-pin的復合材料固化成型。Z-pin可選用的材料非常廣泛,可用鋼、鋁等金屬,也可用碳纖維、玻璃纖維等非金屬,其直徑一般在0.2mm~0.6 mm之間,體分比一般2%~5%左右。Z-pin嵌入預浸件中可多個排列有序的一次性整體嵌入和利用高壓槍單個射入,其中常用整體嵌入有熱壓灌法和超聲植入法(UAZ)兩種工藝,如圖1為整體嵌入,圖2為超聲植入機器人[3]。

目前,Z-pin增強技術(shù)在樹脂基碳纖維復合材料的層間增強、X-cor夾層復合材料增強和聯(lián)結(jié)增強研究比較活躍,另外孔邊增強等也有學者研究。除此外Z-pin增強技術(shù)在陶瓷基碳纖維復合材料中也有所發(fā)展[4]。

3 層間增強

層間破壞有I型層間破壞(層間張開)與II型層間破壞(層間相對錯動)兩種形式,Z-pin層間增強也就是阻礙兩種形式破壞的發(fā)生。學者從不同方面對Z-pin影響I,II型層間斷裂韌性做了大量研究。Ivana K、鄭錫濤[5]等利用雙懸臂梁(DCB)、端部開口彎曲(ENF)模型從應變能的角度進行研究,說明Z-pin的加入增強了應變釋放率。褚奇奕、王曉旭、Vazquez[6] 等對Z-pin拔脫過程進行研究,并提出了埋入深度、直徑、與基體的共固化效應等影響因素。

4 聯(lián)結(jié)增強

相對于機械聯(lián)結(jié)增加質(zhì)量、破壞纖維,膠接傳遞載荷小等不足,Z-pin聯(lián)結(jié)有對層合板破壞小、質(zhì)量輕、聯(lián)結(jié)強度大等優(yōu)點。Z-pin聯(lián)結(jié)增強常用結(jié)構(gòu)形式有T型聯(lián)結(jié)、搭接等。

4.1 T型聯(lián)結(jié)

T型聯(lián)結(jié)中與載荷同向的Z-pin聯(lián)結(jié)增強機理與層間增強機理是相同的。因為T型聯(lián)結(jié)在受載荷時(對Z-pin來說是偏心載荷), Z-pin同樣受 I、II型破壞,只是不同位置的Z-pin ,I、II型變形比重不同。T型聯(lián)結(jié)中與載荷垂直的Z-pin聯(lián)結(jié)增強機理與下文中搭接增強機理是相同的。

同樣,學者也從整體力學性能角度用試驗和有限元分析說明了Z-pin的T型聯(lián)結(jié)增強。Z-pin的增加大大提高了T型結(jié)頭承載能力,其承載能力與Z-pin直徑、排列、植入密度、植入角度、間距、Z-pin與載荷距離等有關(guān)[7]。與層間增強一樣,Z-pin的嵌入對碳纖維復合材料也有相同的影響和損傷,但這此影響或損傷只是破壞了層合的板的部分性能,對聯(lián)結(jié)性能幾乎沒有負面影響。

4.2 搭聯(lián)

Z-pin搭結(jié)承受的載荷方向是垂直于Z-pin的,承受載荷時Z-pin主要受II型變形。若Z-pin搭結(jié)承受的載荷由于工況而方向不垂直于Z-pin或是變化的,這會使Z-pin 受I、II型混合變形。

由于搭接的結(jié)構(gòu)、施加載荷不同,它的破壞的表現(xiàn)形式與前兩者也不同。Z-pin搭接中的失效破壞形式主要有:Z-pin剪斷破壞;層合板被Z-pin擠壓破壞;Z-pin拔脫失效。

對于Z-pin搭結(jié),同樣與Z-pin直徑、位置、排列、植入密度、植入角度等因素有關(guān)[8]。

5 展望

(1)工藝方面。Z-pin層間增強與聯(lián)結(jié)增強主要應用在高新技術(shù)方面,這是與復合材料在民用方面的不夠廣泛所導致,這也是工藝發(fā)展緩慢的原因。Z-pin技術(shù)工藝成熟與Z-pin技術(shù)應用廣泛是相互影響發(fā)展的。

(2)金屬Z-pin方面。在國內(nèi)外學者研究Z-pin增強技術(shù)試驗中,金屬Z-pin棒的試驗相對較少,金屬z-pin的層間增強與聯(lián)結(jié)增強會有與碳纖維z-pin不同的增強機理和破壞形式。

(3)金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面。現(xiàn)研究的Z-pin聯(lián)結(jié)增強是碳纖維復合材料之間的聯(lián)結(jié),隨著碳纖維復合材料的應用領(lǐng)域增加,碳纖維與金屬之間的聯(lián)結(jié)不可避免。工業(yè)常用的聯(lián)結(jié)為機械聯(lián)結(jié)、膠接等,發(fā)展碳纖維/金屬之間的Z-pin聯(lián)結(jié)是有必要的。這也與金屬Z-pin的發(fā)展相關(guān)。

(4)環(huán)形聯(lián)接方面。隨著碳纖維在傳動軸的大量應用,環(huán)形聯(lián)結(jié)接頭需要更多研究。環(huán)形聯(lián)結(jié)、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)、金屬Z-pin應用的成熟可解決碳纖維傳動軸/金屬法蘭的聯(lián)結(jié)問題。

參考文獻:

[1]Tay T.E.Characterization and analysis of delamination fracture in composites: An overview of developments from 1990 to 2001[J]. Applied Mechanics Reviews,2003.56(1):1-32.

[2]李朝光,矯桂瓊,黃濤,杜龍,李俊.Z向增強復合材料層壓板沖擊后壓縮性能試驗研究[J].機械強度,2010,32(03):373-377.

[3] Freitas G,Magee C. fiber insertion process for improved damage tolerance in aircraft laminates[J].Journal of Advanced Materials,1994(25):36-43.

[4]董曉陽,李勇,張向陽,肖軍,李吻.Z-pin增強樹脂基復合材料單搭接連接性能[J].航空學報,2014,35(05):1302-1310.

[5]王曉旭,陳利.Z-pin的拔出強度試驗研究[J].材料工程,2011(11):1-3.

[6]孫先念,鄭長良.層合復合材料z-pinning增強技術(shù)的力學進展[J].航空學報,2006,27(06):1194-1202.

[7]鄭錫濤,李澤江,楊帆.Z-pin增強復合材料層合板斷裂韌性試驗研究[J].航空學報,2010,27(04):180-188.

作者簡介:楊鵬(1990-),男,湖北安陸人,研究生,研究方向:碳纖維傳動軸連接。