低溫場(chǎng)下三維編織復(fù)合材料的沖擊壓縮性能

蔣　歡， 潘忠祥， 張　威， 錢建華， 孫寶忠

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 華東理工大學(xué) 華昌聚合物有限公司， 上海 200237)

低溫場(chǎng)下三維編織復(fù)合材料的沖擊壓縮性能

蔣歡1， 潘忠祥1， 張威1， 錢建華2， 孫寶忠1

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 華東理工大學(xué) 華昌聚合物有限公司， 上海 200237)

利用搭載低溫裝置的分離式霍普金森壓桿裝置，測(cè)試三維碳纖維/環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料在溫度范圍-100～ 23 ℃內(nèi)沿面內(nèi)方向的沖擊壓縮性能，分析三維編織復(fù)合材料面內(nèi)壓縮剛度、失效應(yīng)力和比能量吸收在低溫環(huán)境下隨溫度的變化規(guī)律.結(jié)果表明，三維編織復(fù)合材料壓縮剛度、失效應(yīng)力以及比能量吸收隨溫度的下降而升高，其脆性隨著溫度的下降而增加，在低溫環(huán)境下面內(nèi)沖擊壓縮破壞模式為基體碎裂和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)壓縮變形.

三維編織復(fù)合材料； 低溫； 沖擊壓縮性能

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于輕質(zhì)高強(qiáng)而在飛行器、高速車輛和彈道防護(hù)材料等應(yīng)用上具有較大發(fā)展?jié)摿?三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由二維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展而來，具有很好的整體性，因此具有更高的斷裂韌性和沖擊損傷容限，且在沖擊載荷作用下不會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象[1].三維編織復(fù)合材料作為三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的典型代表，被廣泛應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到低溫與沖擊載荷條件的考驗(yàn).全面了解三維編織復(fù)合材料在低溫下的動(dòng)態(tài)沖擊行為對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全使用非常重要.

關(guān)于三維編織復(fù)合材料的壓縮性能有很多報(bào)道.文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道了三維編織復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)編織角是影響材料縱向壓縮性能和壓縮破壞機(jī)理的主要參數(shù)，編織角較小時(shí)，材料表現(xiàn)為脆性破壞，隨著編織角增大，材料更多地表現(xiàn)為屈曲破壞.文獻(xiàn)[4]研究了玻璃纖維/環(huán)氧三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮性能，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂三維編織復(fù)合材料是一種應(yīng)變率敏感材料.文獻(xiàn)[5]研究了碳纖維酚醛樹脂三維編織復(fù)合材料在高應(yīng)變率下的軸向壓縮應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有很明顯的應(yīng)變率效應(yīng).文獻(xiàn)[6]研究了三維編織復(fù)合材料面內(nèi)和面外壓縮性能，發(fā)現(xiàn)材料失效應(yīng)力、失效應(yīng)變和壓縮剛度對(duì)應(yīng)變率很敏感，面內(nèi)和面外壓縮方向主要失效模式分別為基體碎裂和剪切變形.文獻(xiàn)[7]研究了常溫和液氮溫度條件下不同編織參數(shù)復(fù)合材料的面內(nèi)和面外壓縮性能，發(fā)現(xiàn)在液氮溫度下復(fù)合材料相比于常溫下壓縮性能得到顯著提高，低溫環(huán)境下材料在壓縮破壞時(shí)表現(xiàn)為脆性失效.文獻(xiàn)[8]研究了高溫條件下不同溫度場(chǎng)和不同應(yīng)變率對(duì)復(fù)合材料沖擊壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和應(yīng)變率對(duì)復(fù)合材料的壓縮模量、峰值應(yīng)力、破壞應(yīng)變和比能量吸收均有不同程度影響，且復(fù)合材料破壞模式也受應(yīng)變率與溫度影響.

上述研究主要集中于不同編織參數(shù)和不同加載條件下三維編織復(fù)合材料壓縮性能的研究，對(duì)于三維編織復(fù)合材料在低溫和高應(yīng)變率條件下的壓縮性能研究未見報(bào)道.為此，本文在分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)上搭建低溫裝置，并進(jìn)行低溫場(chǎng)下三維編織復(fù)合材料面內(nèi)方向沖擊壓縮性能的研究，探討包括材料壓縮剛度、失效應(yīng)力以及比能量吸收等隨溫度的變化規(guī)律.

1　試　驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料制備

采用T700S-12K型碳纖維和JA-02型環(huán)氧樹脂作為試驗(yàn)原材料.為保證編織試樣在寬度和厚度上不超出Hopkinson壓桿的直徑尺寸，試樣選用10×10矩形截面的四步法1×1三維編織物，編織后預(yù)制件真實(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.然后通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，將預(yù)制件與樹脂固化成型制備成復(fù)合材料試樣，如圖2所示.制成的三維編織增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料厚為11.5 mm，寬為11.5 mm，碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為45.6%.其中，圖2(a)中箭頭方向表示試驗(yàn)過程中試樣的壓縮方向，即復(fù)合材料面內(nèi)方向.

圖1　10×10型三維四向碳纖維編織預(yù)制件Fig.1　3D 4-direction carbon fiber braided perform in 10×10

(a) 表面　　(b) 橫截面

1.2樹脂的熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

采用Q 800型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀對(duì)環(huán)氧樹脂基體的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示.測(cè)量物質(zhì)在振動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)模量和力學(xué)損耗與溫度的關(guān)系.本文對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行-100～25 ℃間的溫度掃描，采用單懸臂梁的加載模式，測(cè)試環(huán)境升溫速度為3 ℃/min， 樹脂試樣尺寸為28 mm×5.5 mm×2.8 mm.

圖3　環(huán)氧樹脂的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析測(cè)試Fig.3　The dynamic mechanical analyse test of epoxy resin

1.3動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)在SHPB上完成，分別測(cè)試三維編織復(fù)合材料在低溫(-100 和-50 ℃)及常溫(23 ℃) 共3個(gè)溫度點(diǎn)的面內(nèi)沖擊壓縮性能.SHPB裝置示意圖如圖4所示，裝置包括氣槍、沖擊桿、輸入桿、輸出桿、吸收桿、阻尼器以及信號(hào)采集系統(tǒng).沖擊桿和吸收桿的長度分別為400和600 mm，輸入桿和輸出桿長度均為2 000 mm，桿的圓截面直徑都為30 mm. 裝置采用高壓氮?dú)馓峁_擊動(dòng)力，本文采用0.4 MPa氣壓條件進(jìn)行試驗(yàn).為實(shí)現(xiàn)-100～23℃試驗(yàn)環(huán)境溫度，特別研制了與SHPB匹配的低溫裝置，其示意圖如圖5所示.當(dāng)試樣冷卻到指定溫度時(shí)，立即進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)至少進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn).

圖4　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4　Schematic of experimental set-up

圖5　低溫裝置示意圖Fig.5　Schematic of low temperature device

2　結(jié)果與討論

2.1環(huán)氧樹脂的熱力學(xué)性質(zhì)

環(huán)氧樹脂基體的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)溫度掃描結(jié)果如圖6所示.由圖6可以看出，基體的存儲(chǔ)模量、損耗模量和損耗角正切隨著溫度的降低而升高，存儲(chǔ)模量從2 600 MPa上升到3 600 MPa，反映環(huán)氧樹脂的彈性性質(zhì)在降溫過程中發(fā)生了較大變化，表明環(huán)氧樹脂的力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度敏感.

圖6　環(huán)氧樹脂的DMA溫度掃描結(jié)果Fig.6　DMA temperature sweep results of epoxy resin

2.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線

三維編織復(fù)合材料在不同溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.由圖7可以看出，材料在壓縮初始階段呈現(xiàn)彈性變形，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力很快達(dá)到最高值并迅速下降.

2.3三維編織復(fù)合材料不同溫度下的壓縮性能

不同溫度下三維編織復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮性能測(cè)試結(jié)果如表1所示.由表1可知，三維編織復(fù)合材料的壓縮剛度隨著溫度的降低而上升.三維編織復(fù)合材料在受壓時(shí)，壓縮剛度受基體模量影響[8]，由環(huán)氧樹脂的熱力學(xué)性質(zhì)可知，環(huán)氧樹脂模量在低溫場(chǎng)下隨著溫度的降低而升高，故以環(huán)氧樹脂為基體的三維編織復(fù)合材料的壓縮剛度產(chǎn)生了相同的變化.

圖7　三維編織復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7　Stress-strain curves of 3D braided composites

表1　三維編織復(fù)合材料在不同溫度下面內(nèi)壓縮性能Table 1　In-plane compressive properties of the 3D braided composites under different temperatures

三維編織復(fù)合材料的失效應(yīng)力在低溫場(chǎng)下隨著溫度的降低而呈升高趨勢(shì).這主要是因?yàn)橐环矫娴蜏叵赂嗟沫h(huán)氧樹脂分子被凍結(jié)，分子間的相互作用力增強(qiáng)，材料強(qiáng)度增大；另一方面，當(dāng)溫度降低時(shí)，樹脂的收縮率較纖維明顯，使得纖維與樹脂之間的界面結(jié)合力提高，從而提高材料的內(nèi)應(yīng)力.碳纖維在低溫環(huán)境下的強(qiáng)度與常溫相比變化很小，所起的增強(qiáng)作用不明顯.

比能量吸收表示材料單位體積或單位質(zhì)量吸收的能量，與材料的模量、失效應(yīng)力和失效應(yīng)變等性質(zhì)有關(guān)，可直接通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線起點(diǎn)到終點(diǎn)積分計(jì)算得到.三維編織復(fù)合材料的比能量吸收在低溫場(chǎng)下隨著溫度的降低而呈升高趨勢(shì).從表1可知，在壓縮剛度和失效應(yīng)力都隨著溫度的降低而升高且失效應(yīng)變無明顯變化的情況下，比能量吸收隨著溫度的降低而升高.

2.4失效模式

三維編織復(fù)合材料在低溫和常溫下面內(nèi)破壞形態(tài)的光學(xué)照片如圖8所示.由圖8可以看出，在三維編織復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮中，環(huán)氧樹脂基體完全碎裂，碳纖維編織結(jié)構(gòu)僅僅發(fā)生壓縮變形并保持矩形截面.這是因?yàn)槿S編織復(fù)合材料是一種準(zhǔn)各向同性材料，在面內(nèi)發(fā)生壓縮變形時(shí)材料均勻?qū)ΨQ地承擔(dān)壓力載荷.

圖8　三維編織復(fù)合材料不同溫度下破壞形態(tài)Fig.8　Failure form of 3D braided composites under different temperatures

由圖8還可知，隨著溫度的降低，試樣的面積減小，其面內(nèi)壓縮方向的厚度增大，樹脂基體脆性碎裂程度加重.這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂基體與碳纖維的熱收縮性質(zhì)不同，樹脂的熱收縮更大，隨著溫度的降低，樹脂與碳纖維束結(jié)合得越緊，兩者之間的接觸力增大，從而提高了界面的剪切強(qiáng)度和脫膠后的滑動(dòng)摩擦力，使得材料的壓縮變形更難；另外，隨著溫度的降低，樹脂大分子鏈段運(yùn)動(dòng)性下降，當(dāng)受到?jīng)_擊能量時(shí)，無法使基體產(chǎn)生大的塑性屈服，樹脂脆性碎裂程度增大.

3　結(jié)　語

(1) 三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種對(duì)溫度敏感的材料，其面內(nèi)方向的沖擊壓縮剛度、失效應(yīng)力和比能量吸收都隨著溫度的降低而升高.

(2) 環(huán)氧樹脂基體的儲(chǔ)存模量隨著溫度的降低而升高，在沖擊載荷作用下，三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料壓縮剛度主要受樹脂基體影響.

(3) 三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在低溫環(huán)境下，其面內(nèi)高應(yīng)變下的壓縮破壞模式為基體碎裂和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)壓縮變形，且隨著溫度的降低，基體脆性碎裂程度加重.

[1] 顧伯洪，孫寶忠.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：8-9.

[2] 盧子興，胡奇.三維編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20(6)：67-72.

[3] 嚴(yán)實(shí)，孫雨果，吳林志，等.板狀三維四向編織復(fù)合材料壓縮細(xì)觀破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24(4)：133-139.

[4] 劉芳，楊柳，張傳雄.玻纖/環(huán)氧三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2005(2)：10-13.

[5] LI D S， LU Z X， FANG D N. Longitudinal compressive behavior and failure mechanism of three-dimensional five-directional carbon/phenolic braided composites at high strain rates [J]. Materials Science & Engineering： A， 2009， 526(1/2)：134-139.

[6] SUN B Z， GU B H. High strain rate behavior of 4-step 3D braided composites under compressive failure [J]. Journal of Materials Science， 2007， 42(7)： 2463-2470.

[7] LI D S， ZHAO C Q， GE T Q, et al. Experimental investigation on the compression properties and failure mechanism of 3D braided composites at room and liquid nitrogen temperature [J]. Composites Part B：Engineering，2014，56：647-659.

[8] 張威.三維編織復(fù)合材料在高溫環(huán)境下沖擊壓縮破壞性質(zhì)[D].上海：東華大學(xué)紡織學(xué)院，2014：22-37.

Impact Compressive Properties of 3D Braided Composites at Low Temperatures

JIANGHuan1,PANZhong-xiang1,ZHANGWei1,QIANJian-hua2，SUNBao-zhong1

(1. College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China； 2. Huachang Polymer Co. Ltd.， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China)

The impact compressive properties of 3D braided carbon fiber/epoxy composites under the temperature range of -100-23℃ were tested on a split Hopkinson pressure bar with low temperature device. The compressive stiffness, failure stress and specific energy absorption were obtained to analyze the temperature effect on the compressive properties. The results showed that the compression stiffness, failure stress and specific energy absorption of 3D braided composites increased with the decrease of temperature. Also, it was found that the 3D braided composites became brittle with the decrease of temperature. The results also showed that the resin crack and the braided perform deformation were the main failure modes in the in-plane compression at high strain rates and low temperatures.

3D braided composites; low temperature; impact compressive property

1671-0444(2015)06-0756-04

2014-08-05

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(12dz1100407)

蔣歡(1988—)，男，江西上饒人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料沖擊動(dòng)力學(xué). E-mail: jiang_huan_915@126.com

孫寶忠(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: sunbz@dhu.edu.cn

TB 332

A