三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究進(jìn)展

楊瑩 臧金環(huán)

（中汽信息科技（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

傳統(tǒng)層合復(fù)合材料存在層間強(qiáng)度低、不耐沖擊和易分層的缺陷。三維編織復(fù)合材料不僅具備傳統(tǒng)層合復(fù)合材料的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，還因其一體成型的制備工藝而具備輕質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，抗沖擊、抗老化的優(yōu)異性能，可以滿足航空航天、建筑、汽車等領(lǐng)域?qū)Σ牧系挚苟嘞驊?yīng)力的迫切需求。近年來(lái)，隨著編織工藝日益成熟和自動(dòng)化水平不斷提升，三維編織復(fù)合材料已成為制造業(yè)高新技術(shù)領(lǐng)域主承力復(fù)雜異型構(gòu)件設(shè)計(jì)及制備的理想候選材料[1-3]，已有一些采用三維編織復(fù)合材料制造的關(guān)鍵部件投入生產(chǎn)應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、異形梁、車頂板。

目前，三維四向、五向編織復(fù)合材料已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了綜合提高三維編織復(fù)合材料在面內(nèi)面外各方向的力學(xué)性能，對(duì)于新型編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如三維六向、七向編織復(fù)合材料）的開發(fā)工作正在進(jìn)行。三維編織復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中往往要受到來(lái)自各個(gè)方向的載荷，并且常處于惡劣的溫度條件下，因此有必要研究該材料在不同結(jié)構(gòu)和復(fù)雜工況下的力學(xué)性能及失效機(jī)理。

本文首先闡述三維編織復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其應(yīng)用前景。其次總結(jié)不同結(jié)構(gòu)的三維編織復(fù)合材料在拉伸、壓縮、彎曲、沖擊、疲勞試驗(yàn)條件下的力學(xué)性能和失效機(jī)理，最后設(shè)計(jì)并制備三維七向編織復(fù)合材料，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行初步研究，對(duì)三維編織復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 三維編織復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

現(xiàn)階段的碳纖維復(fù)合材料在多個(gè)汽車配件方面具備比較成熟的應(yīng)用方案。作為占據(jù)整車質(zhì)量高達(dá)40%以上的主體部件，車身不僅起到支撐整體結(jié)構(gòu)的作用，還要保證行駛的安全性。目前，德國(guó)寶馬公司所研發(fā)的Z-9 及Z-22 系列車型中選用了多種碳纖維復(fù)合材料制成的車身結(jié)構(gòu)件；德國(guó)大眾汽車公司“2 L車”CC1 研究項(xiàng)目中，用于車身的碳纖維復(fù)合材料比例高達(dá)45%；通用汽車公司采用碳纖維復(fù)合材料制成的Chevrolet CorvetteZ06 紀(jì)念版轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，質(zhì)量?jī)H為9.3 kg；福特和保時(shí)捷的發(fā)動(dòng)機(jī)罩也全部采用了碳纖維復(fù)合材料。

隨著國(guó)家碳排放政策實(shí)施，新能源汽車逐漸成為汽車銷售市場(chǎng)上的主力。新能源汽車輕量化主要分為2 個(gè)方向：（1）減輕整車質(zhì)量；（2）優(yōu)化儲(chǔ)能裝置。

蔚來(lái)公司生產(chǎn)的ES6 除了采用碳纖維后地板總成、碳纖維座椅板總成、碳纖維后地板橫梁總成3大部件之外，其電池包上殼體也采用了碳纖維材料，大幅度減輕整車質(zhì)量。采用碳纖維材料有利于新能源汽車輕量化，進(jìn)而有效延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

根據(jù)近年來(lái)環(huán)境政策以及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的要求，汽車輕量化已經(jīng)成為影響汽車廠商生存的重要因素，因此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也越來(lái)越受到汽車廠商的重視。實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在汽車各部位中的廣泛應(yīng)用，可以更好地滿足汽車的輕量化需求，并在新能源汽車領(lǐng)域取得進(jìn)一步發(fā)展[4-6]。

2 力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在三維編織復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能研究方面做了大量的工作，例如Fang 等[7]通過(guò)微機(jī)損傷模型與有限元細(xì)觀力學(xué)模型研究了三維四向編織復(fù)合材料的單軸壓縮性能，在模擬中考慮了纖維初始錯(cuò)位角和編織紗的縱向剪切非線性，提供了具有2 個(gè)不同編織角的復(fù)合材料破壞形式，發(fā)現(xiàn)編織角度小的復(fù)合材料的壓縮性能對(duì)纖維初始缺陷敏感。

Han 等[8]分析了三維六向編織復(fù)合材料在室溫、高溫和液氮溫度下的力學(xué)性能和失效情況，驗(yàn)證了溫度對(duì)材料的彎曲性能有重要影響，發(fā)現(xiàn)彎曲性能隨著溫度的升高而降低，并且在-196 °C 時(shí)的彎曲性能顯著增強(qiáng)。此外，三維六向編織復(fù)合材料的彎曲性能高于四向和五向編織復(fù)合材料，這是因?yàn)闄M向紗可以有效地抑制負(fù)載傳播。

李澤江等[9]設(shè)計(jì)制造了三維六向編織復(fù)合材料T型接頭，針對(duì)不同的編織角（20°、30°、40°）及不同的紗線束細(xì)度的拉脫性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在拉脫載荷作用下，編織角對(duì)三維六向編織T 型接頭的拉脫性能影響很大，編織角從20°變?yōu)?0°時(shí)，拉脫載荷提高53%；而紗線束細(xì)度對(duì)三維六向編織T 型接頭的拉脫性能影響較小。

盧子興等[10-11]進(jìn)行了三維四向、五向編織材料的拉伸試驗(yàn)，獲得了試驗(yàn)材料的主要拉伸性能參數(shù)和破壞規(guī)律，并且通過(guò)壓縮試驗(yàn)，研究了三維四向編織復(fù)合材料的抗壓力學(xué)性能。結(jié)果表明，橫向壓縮的破壞機(jī)理與縱向壓縮明顯不同，并且縱向壓縮模量更大。編織角是影響壓縮破壞機(jī)理的重要因素，當(dāng)編織角大于某個(gè)角度，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于非線性，延性增加，更多地表現(xiàn)為塑性失效特征。

陳利等[12]探究了三維五向編織復(fù)合材料的縱向拉伸和壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為該材料在破壞前基本呈線彈性，縱向拉、壓破壞具有脆性特征，拉伸模量和壓縮模量接近，而抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓縮強(qiáng)度，并且提高第五向紗線的比例，可以增強(qiáng)材料的縱向性能。

Li 等[13]在5 種不同溫度條件下對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明：室溫下，該復(fù)合材料具有最高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，同時(shí)隨著纖維的斷裂而損傷，表現(xiàn)出脆性斷裂特征。但在較高的溫度下，復(fù)合材料發(fā)生軟化現(xiàn)象，可塑性增強(qiáng)，其損傷來(lái)源主要是基體微裂紋和纖維與基體脫粘。

Zhang 等[14]提出了一種熱機(jī)耦合本構(gòu)模型，用于計(jì)算三維編織復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的應(yīng)力和溫度分布，并推導(dǎo)出一個(gè)絕熱溫升方程，用有限元方法對(duì)沖擊損傷進(jìn)行數(shù)值模擬。

Zhu 等[15]通過(guò)試驗(yàn)研究了三維六向編織碳纖維和環(huán)氧復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮性能，并且建立了漸進(jìn)損傷模型來(lái)預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能和定量解釋其破壞行為。

Han 等[16]成功制備了三維六向編織碳纖維和環(huán)氧復(fù)合材料，分析了溫度和編織角對(duì)該材料的面外壓縮性能和失效模式的影響。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

孫夢(mèng)堯等[17]以三維五向編織復(fù)合材料為研究對(duì)象，使用落錘沖擊儀對(duì)20°和40°編織試樣開展了沖擊能量為100 J 的低速?zèng)_擊試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，利用Micro-CT 對(duì)內(nèi)部損傷區(qū)域進(jìn)行了圖像采集，并建立了基于閾值的整體損傷自動(dòng)提取方法。結(jié)果表明，損傷沿著沖擊中心向四周拓展并呈現(xiàn)對(duì)稱性，主要損傷分布依次是纖維損傷、基體損傷和界面脫粘。同時(shí)，20°編織試樣比40°編織試樣損傷更為嚴(yán)重，且沿著軸紗方向，兩種編織角試樣的損傷擴(kuò)展值更大。

Li等[18]研究了不同編織角度的三維六向編織復(fù)合材料的高應(yīng)變率沖擊效應(yīng)和破壞行為，驗(yàn)證了三維六向編織復(fù)合材料具有典型的應(yīng)變率敏感性。隨著應(yīng)變速率的增大，材料的強(qiáng)度和模量均增大，破壞應(yīng)變減小。隨著編織角度的增大，復(fù)合材料的損傷和斷裂明顯減小，材料在高應(yīng)變率條件下的脆性破壞減少。

胡美琪等[19]采用試驗(yàn)測(cè)試、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和有限元分析方法，研究不同編織結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料梁在不同溫度和沖擊速度下的橫向沖擊損傷性質(zhì)，揭示多次沖擊加載下的熱力耦合損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)溫度、加載速度和編織結(jié)構(gòu)對(duì)多次沖擊損傷的影響規(guī)律。同時(shí)建立了完整的復(fù)合材料熱力耦合沖擊加載破壞研究方法，可應(yīng)用于其他纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料沖擊加載破壞性能研究，也可以應(yīng)用于不同溫度環(huán)境中紡織復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)抗沖擊損傷設(shè)計(jì)。

Li 等[20]采用霍普金森壓桿技術(shù)，在350～600 s-1高應(yīng)變率下對(duì)三維五向碳纖維和酚醛編織復(fù)合材料單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

Tan 等[21]采用分裂式霍普金森壓力棒研究了三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)，并且建立了中尺度有限元模型來(lái)表征其壓縮行為。結(jié)果表明，在動(dòng)態(tài)加載條件下，三維編織復(fù)合材料的破壞應(yīng)力和抗壓剛度在縱向最高，其次是面外厚度方向，而在橫向上最弱。

Lyu 等[22]建立了基于真實(shí)結(jié)構(gòu)特征的三維編織復(fù)合材料的全尺寸細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，探討了在不同應(yīng)變率時(shí)該材料的面內(nèi)橫向動(dòng)態(tài)沖擊性能和失效模式，結(jié)果表明，復(fù)合材料的應(yīng)力波分布有四個(gè)周期，且應(yīng)力波周期逐漸減小。隨著沖擊速度的增加，所有數(shù)值均增大。

2.3 疲勞性能

張明等[23]基于有限元軟件ABAQUS，通過(guò)編寫用戶子程序UMAT，建立了可以詳細(xì)表征材料在靜力和疲勞載荷下各個(gè)組分損傷演化過(guò)程的有限元模型。在三維五向編織復(fù)合材料有限元模型中引入界面和缺陷，模擬三維五向編織復(fù)合材料疲勞失效過(guò)程，分析材料疲勞失效模式，預(yù)測(cè)疲勞壽命。

Li 等[24]制備了三維六向編織復(fù)合材料，研究其拉伸疲勞性能，分析了三維五向編織復(fù)合材料在壓縮疲勞下的疲勞行為和破壞機(jī)理。此外，小編織角復(fù)合材料在縱向和橫向上都具有較高的疲勞壽命，材料在縱向荷載作用下的抗疲勞能力優(yōu)于橫向荷載下的抗疲勞能力。

余海燕等[25]對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板進(jìn)行了25～50 ℃加速水浴吸濕試驗(yàn)以及吸濕后單向拉伸和3 點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了吸濕率、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨吸濕時(shí)間、水浴溫度的變化規(guī)律，討論了層合板的失效機(jī)理。擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了層合板的剩余強(qiáng)度模型，并基于環(huán)境當(dāng)量系數(shù)對(duì)層合板的濕熱老化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 三維七向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于三維編織復(fù)合材料的研究大多集中于對(duì)三維四向和五向編織材料靜態(tài)力學(xué)性能的研究。近年來(lái)，對(duì)三維六向編織材料的研究逐漸增多，而未見關(guān)于三維七向編織復(fù)合材料靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其失效機(jī)理的研究相關(guān)文獻(xiàn)。因此，有必要進(jìn)一步探索編織結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的關(guān)系，制備并研究三維七向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，考慮溫度、編織參數(shù)和加載方向?qū)ζ湫阅艿挠绊懀瑸樵摬牧系膽?yīng)用建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 三維七向編織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備

本文選用東麗公司生產(chǎn)的碳纖維作為編織紗線，采用三維七向編織工藝編織的織物，該織物具備兩個(gè)大小不同編織角。通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑成形工藝，將環(huán)氧樹脂與該編織預(yù)制件復(fù)合固化成形，獲得三維七向編織復(fù)合材料。

3.2 試驗(yàn)進(jìn)程

根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D3410—87，在高溫電子試驗(yàn)機(jī)上分別在不同溫度(25～180 ℃)進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)[26-27]。在每個(gè)溫度水平上至少測(cè)試3 個(gè)樣品，以獲得試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

溫度是影響三維七向編織復(fù)合材料壓縮性能的重要因素。如圖1所示，在面外壓縮條件下，隨著溫度的升高，樣品的強(qiáng)度逐漸下降，這說(shuō)明面外壓縮性能逐漸減弱，同時(shí)，模量隨著溫度上升也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于溫度上升使得樹脂內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)劇烈，纖維與基體之間的熱膨脹系數(shù)差增大，纖維與基體之間的應(yīng)力減小，性能下降。

圖1 材料在面外方向上的壓縮強(qiáng)度及模量

除此之外，編織角較大的材料壓縮性能優(yōu)于編織角較小的材料。因此，平面外壓縮性能隨編織角的增大而增大。這是由于第七向纖維束和編織纖維束在平面外承擔(dān)了大部分的負(fù)荷。編織角越大，纖維分量在面外方向上越大，承載能力越高；編織角越大，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，復(fù)合材料越難斷裂。

如圖2 所示，在25 ℃時(shí)，材料產(chǎn)生45°的裂紋。在90 ℃時(shí)，材料發(fā)生變形，并且四角剝落。在180 ℃高溫時(shí)，樹脂在高溫下發(fā)生軟化現(xiàn)象、基體嚴(yán)重開裂、界面出現(xiàn)脫粘，材料性能顯著下降。這主要是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂基體在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生軟化現(xiàn)象，使得材料在高溫下承載不了這樣的壓縮載荷，從而通過(guò)基體碎裂來(lái)消耗壓縮帶來(lái)的能量。

圖2 在25 ℃、90 ℃和180 ℃時(shí)材料面外觀破壞情況

圖3為材料在不同溫度下，通過(guò)掃描電鏡觀察到的微觀破壞照片。在25 ℃常溫條件下，纖維剪切斷裂拉出，但是基體與纖維的界面附著力仍然很強(qiáng)。在90 ℃條件下，基體呈現(xiàn)塑性破碎。在180 ℃高溫條件下，樹脂發(fā)生熔化，塑性基體在剪切中斷裂，基體嚴(yán)重?fù)p壞并發(fā)生分層。對(duì)于面外壓縮，以碳纖維為主要承載對(duì)象，復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能，但隨著溫度的升高，由于基體的性能退化，其壓縮性能有所下降。

圖3 在25 ℃、90 ℃和180 ℃時(shí)材料面外微觀破壞情況

因此，在面外壓縮時(shí)，軸向紗線和六向、七向紗線垂直于壓縮方向都受到正壓力作用，編織紗線受到壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力的耦合作用，由于材料內(nèi)部的交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維承載了主要的壓力。軸向纖維和六向、七向纖維發(fā)生屈曲和撕裂，編織纖維發(fā)生剪切斷裂并拔出，基體產(chǎn)生裂紋，纖維完全斷裂后，材料被壓實(shí)，最終完全失效。在室溫下，材料出現(xiàn)45°剪切斷裂，邊緣纖維束向外擴(kuò)張，對(duì)于大編織角的材料，剪切斷裂和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象更為明顯。隨著溫度的升高，基體的軟化和塑化作用使樹脂與纖維的結(jié)合能力減弱，基體從纖維束上脫落，界面發(fā)生嚴(yán)重的脫粘，導(dǎo)致材料失效。

4 總結(jié)與展望

三維編織復(fù)合材料作為主要承載構(gòu)件，通常要承受多方向載荷，例如發(fā)動(dòng)機(jī)殼體經(jīng)常受到復(fù)雜的多向載荷。本文從力學(xué)試驗(yàn)、仿真模擬、理論分析3個(gè)方面概述了現(xiàn)階段三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能和失效模式研究進(jìn)展，分析了三維結(jié)構(gòu)、溫度和加載方式對(duì)材料失效形式的影響。進(jìn)一步研究了三維七向編織復(fù)合材料在常溫和高溫條件下的壓縮性能，探索了編織角對(duì)該材料的壓縮性能影響，從宏觀和微觀角度觀察了材料的失效模式和破壞形貌，分析并揭示其失效機(jī)理，為三維七向編織復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文根據(jù)以上分析，可以得出結(jié)論：

三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能受溫度影響較大，隨著溫度上升到一定高度，材料的強(qiáng)度下降，模量減小，溫度升高，三維編織復(fù)合材料的失效模式發(fā)生變化，由常溫下的纖維斷裂、基體開裂轉(zhuǎn)變?yōu)榛w熔融、纖維剪切斷裂。同理，溫度過(guò)低也會(huì)降低材料的強(qiáng)度和模量，使其在低溫環(huán)境下發(fā)生脆性開裂。除此之外，編織角和載荷方向?qū)?fù)合材料的力學(xué)性能也存在一定影響。

三維編織結(jié)構(gòu)由其常見的三維四向逐步發(fā)展到已有初步研究的三維七向結(jié)構(gòu)，隨著結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，材料的受力情況更加多變。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究有限元模型，模擬疲勞環(huán)境下拉壓彎剪的受力情況，結(jié)合理論分析預(yù)測(cè)材料力學(xué)特征，從理論角度對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行解析，以不同結(jié)構(gòu)的材料來(lái)匹配合適的應(yīng)用場(chǎng)景。