缝合铺层碳/环氧复合材料动态压缩性能实验研究

李春昀，孙 颖，张典堂，王国军，潘 宁，吴智磊

（1.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；2.华锐风电科技（集团）股份有限公司，

北京 100000；3.美国加州大学 戴维斯分校，美国戴维斯市 95616）

缝合铺层碳/环氧复合材料动态压缩性能实验研究

李春昀1，孙 颖1，张典堂1，王国军2，潘 宁3，吴智磊1

（1.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；2.华锐风电科技（集团）股份有限公司，

北京 100000；3.美国加州大学 戴维斯分校，美国戴维斯市 95616）

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）动态测试系统对环氧树脂E-51和缝合铺层复合材料厚度方向的压缩性能进行实验研究，得到了不同应变率下的压缩应力-应变关系和压缩强度，并通过冲击破坏形貌来探讨材料的动态压缩破坏模式.结果表明：环氧树脂E-51是应变率相关材料，但其应变率敏感程度并不高；缝合铺层碳/环氧复合材料厚度方向的应力-应变曲线对应变率是敏感的，随着应变率的增加，最大应力增大，应变率在900 s-1比应变率在350 s-1的压缩强度增加120%；破坏的主要原因是纤维和树脂的分离以及纤维之间产生相对位移形成微裂纹，随着载荷的增加和应力集中的作用，促使裂纹扩展导致材料破坏.

缝合；复合材料；动态压缩性能；分离式霍普金森压杆

碳纤维增强复合材料已被大量应用于航空、航天、国防军工以及交通运输、化工和建筑等领域.在这些应用领域中，该材料常经受高应变率加载载荷，因此，研究其在不同应变率载荷下的性能对结构设计就显得尤为重要，尤其是在不同应变率的力学性能与试样的几何尺寸和织物结构密切相关.然而，常用的层合板复合材料具有各向异性、层间强度低、层间断裂韧性差、冲击损伤容限低等缺陷，许多轻质结构在应用中受到限制，但缝合技术的发展有效地提高了复合材料层间的性能[1].研究表明：在高应变率加载条件下，碳纤维增强复合材料的响应明显区别于静态.目前，对于碳纤维增强复合材料层合板厚度方向承受压缩载荷的应变率效应是研究材料抗冲击性能的基础问题之一.在研究复合材料承载应变率效应方面，沿厚度方向引入缝合线是提高碳纤维复合材料层合板厚度方向动态性能的一种典型方式.谭柱华等[2]利用SHPB对碳/环氧三维四向编织复合材料进行动态压缩实验，得到了在应变率为900～1 500 s-1下的应力应变曲线，结果表明：该材料的压缩强度和模量具有一定的应变率强化效应，表现出明显的脆性.曹茂盛等[3]对铺层方式为 [45/0/-45/0/-45/90/0]s的新型碳纤维/环氧树脂复合材料在动态冲击载荷作用下的动态压缩力学性能研究，加载方向是层合板平面纵向和厚度方向，实验结果表明：在高应变率范围内，层合板的厚度方向失效应变以及动态压缩强度要高于平面内的加载方向；在高应变率下的损伤及破坏模式表现出基体分层、开裂及剪切断裂.Ochola等[4]研究了铺层方式为[0/90]的碳纤维/环氧树脂铺层复合材料在应变率为10-4～103s-1之间的静态、动态压缩实验，实验结果表明：碳纤维/环氧树脂铺层复合材料的断裂强度、失效模式和弹性模量都是应变率敏感的，说明该材料是应变率相关材料，低应变率加载时的失效模式是剪切失效和扭结，高应变率加载时的失效模式是试样完全破坏.为了了解铺层缝合碳纤维复合材料在中高应变率下的力学响应特性，本次实验应用SHPB实验技术分别对基体材料和碳纤维增强复合材料进行动态压缩性能研究，探讨其应变率的敏感性.

1 实验部分

1.1 材料与试样

本次实验采用12 k碳纤维平纹布，见图1.将裁好的平纹布铺层，然后采用锁式缝合将铺层织物进行缝合，缝线采用3KT300碳纤维.铺层织物结构参数如表1所示.

图1 平纹布Fig.1 Plain weave cloth

表1 铺层织物结构参数Tab.1 Ply fabric structure parameters

树脂采用江苏常熟佳发化学有限公司生产的环氧树脂，牌号为JL237；使用改性酯环胺JH-0320作为环氧树脂固化剂，实验所用树脂为环氧树脂+固化剂以一定比例配制而成；采用树脂传递模塑（RTM）工艺复合固化350 mm×250 mm×15 mm复合材料平板，纤维体积分数为57.1%；采用高压（磨料）水射流切割加工方法制柱形动态压缩试样和20 mm×20 mm×15 mm长方体压缩试样，如图2所示.

图2 水切割试样Fig.2 Water cutting sample

浇注体试样的制备是将环氧树脂E51加593固化剂按一定比例混合，将混合液搅拌均匀，然后在35℃的烘箱中预热，继续加热3 h，冷却后取出试样，如图3所示.

图3 浇注体试样Fig.3 Casting sample

1.2 实验仪器及原理

Kolsky[5]发明的SHPB实验装置已成为研究各类材料动态力学性能的主要手段，典型的SHPB装置简图如图4所示.

SHPB实验原理建立在2个基本假定基础上：①压杆的一维应力波假定；②试样中的应力、应变沿其长度均匀分布假定.通过输入杆和输出杆记录波形，利用一维应力波理论计算试样的应变率、应变εs和应力σs：

式中：εr和εs分别是压杆反射应变和透射应变；C0为波在弹性杆中的波速；ls是试样初始长度；t为时间；E是压杆的初始模量；A是压杆横截面积；As是试样初始横截面积.

采用中国科技大学研制的SHPB测试系统，通过改变气炮压力阀值控制撞击杆的冲击速度，进行不同应变率下的压缩实验，所有实验重复进行3次.

图4 分离式霍普金森压杆（SHPB）装置示意图Fig.4 Device of split Hopkinson pressure bar

2 实验结果

2.1 环氧树脂E-51的动态压缩性能

基体对于复合材料起到很重要的作用，它与增强材料组合成一个统一的整体，它的作用是均布载荷、传递载荷，决定着复合材料的许多重要性能[6].图5所示为入射杆和透射杆上应变片记录的典型波形图.

图5 应变片记录的动态反应信号Fig.5 Record of dynamic response signal from strain gauge

由图5可见，在0.5 MPa下，反射波在达到波峰后突然下降，这是由于材料发生严重破坏，入射杆与试样分离，入射杆端面相当于自由面，后续的入射波被全部反射，反射波在“失效点”处被拉伸增大.同时，由透射波也可以看到材料的破坏，透射波的峰值表示材料承受的最大载荷.然后，材料在冲击载荷作用下被破坏，从而失去承载能力，载荷急剧下降.观察表明：入射波还在加载，反射波提前卸载，表明材料开始破坏失稳；在反射波的拐点处，冲击载荷使材料达到其屈服强度.

图6为环氧树脂浇注体试样在不同应变率下的应力-应变曲线.

图6 在0.3 MPa、0.5 MPa下的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of 0.3 MPa and 0.5 MPa

由图6可见，应变率从435 s-1增加到934 s-1，最大应力仅增加了9.6 MPa，而最大应力处所对应的应变却降低了66.7%.图7所示为在0.3 MPa和0.5 MPa下冲击后的试样.

图7 SHPB实验在0.3 MPa、0.5 MPa时冲击后的试样Fig.7 Sample of impact test under 0.3 MPa and 0.5 MPa in SHPB experiment

由图7可见，在0.3 MPa的冲击载荷下，试样虽完整但产生裂纹；在0.5 MPa下应力集中在试样中心，达到屈服强度后破坏成多个碎块.

以上实验结果表明：环氧树脂是应变率相关材料，尽管其最大应力随着应变率的增加而增加，但增幅并不大，因此可知环氧树脂E-51浇注体的应变率敏感程度并不高.

2.2 缝合铺层复合材料动态压缩性能

图8所示为0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的气压下的应力-应变曲线.

图8 在0.5、0.8、1.0 MPa的荷载时的应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa

由图8可见，复合材料在不同应变率下所对应的最大破坏强度分别为 313.4 MPa、584.5 MPa、689.9 MPa，在动态载荷下，复合材料的动态压缩强度有着很明显变化，压缩强度从313.4 MPa提高到689.9 MPa，增加了120%，表明碳纤维铺层复合材料的压缩强度具有明显的应变率效应，且最大应力随着应变率的增大而增大.由此说明碳纤维层合复合材料的动态压缩是应变率敏感的.

图9所示为在0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa的冲击荷载下，试样在动态压缩下的表观形态.

图9 SHPB实验在0.5MPa、0.8MPa、1.0MPa时冲击后的试样Fig.9 Sample of impact test under 0.5 MPa，0.8 MPa and 1.0 MPa in SHPB experiment

由图9可见：在0.5 MPa的冲击荷载下，试样没有发生破坏，由应力波形图中的没有出现拐点也可得出以上结论；在0.8 MPa的冲击荷载下，发现试样加载面表层发生破坏，但整体并没有破裂，仅在试样表层出现基体开裂，表层纤维严重损伤，碳纤维束和树脂基体粉碎成大小不等的碎片形状，长短不等的碳纤维束清晰可见；在1.0 MPa下的冲击载荷下，材料完全破坏成大小不等的碎块，碎块的尺寸大小不等，较大的碎块断面呈现明显的阶梯状，具有明显的劈裂特性，较小的碎片由基体碳纤维束和复合材料碎片组成，在断裂面上还可以看到基体碎屑和碳纤维束.

3 结论

利用分离式霍普金森压杆动态测试系统装置在不同应变率下进行压缩力学性能测试，可以得出以下结论：

（1）环氧树脂E-51是应变率相关材料，然而本身的敏感程度不高.

（2）铺层缝合碳/环氧复合材料的应力-应变曲线对应变率是敏感的，随着应变率的增加，最大应力也增大，应变率在900 s-1比应变率在350 s-1的压缩强度增加120%左右.

（3）从破坏模式上进行分析，缝合铺层复合材料只产生微裂纹、树脂裂纹等，而随着载荷的增加、应力作用的集中，试样材料破坏成大小不等的碎块.破坏的主要原因是纤维和树脂的分离以及纤维之间产生相对位移形成微裂纹，随着载荷的增加，应力作用的集中，促使裂纹扩展导致材料破坏.在动态载荷下破坏产生的碎片断面有明显的劈裂台阶，表示它在损伤过程中有更多的微裂纹形成，这减轻了局部的应力集中，消耗了更多的能量，从而使复合材料的承载能力得以改善，提高了复合材料在动态载荷下的压缩强度.

[1] 矫桂琼，宁荣昌，卢智先.层间增韧复合材料研究[J].宇航材料工艺，2001（4）：36-39.

[2] 谭柱华，庞宝君，贾斌，等.三维四向编织复合材料动态压缩性能实验研究[J].工程力学，2008，25（9）：209-213.

[3] 曹茂盛，周伟，雷义龙，等.压缩载荷下碳/环氧复合材料的动力学响应行为[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] 孙曼灵，周希真.高分子材料学[M].西安：西北工业大学出版社，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

：国家自然基金青年基金项目（11102133）

李春昀（1988—），男，硕士研究生.

孙 颖（1974—），女，教授，硕士生导师.E-mail：sunying@tjpu.edu.cn