低温场下三维编织复合材料的冲击压缩性能

蒋　欢， 潘忠祥， 张　威， 钱建华， 孙宝忠

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 华东理工大学 华昌聚合物有限公司， 上海 200237)

低温场下三维编织复合材料的冲击压缩性能

蒋欢1， 潘忠祥1， 张威1， 钱建华2， 孙宝忠1

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 华东理工大学 华昌聚合物有限公司， 上海 200237)

利用搭载低温装置的分离式霍普金森压杆装置，测试三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在温度范围-100～ 23 ℃内沿面内方向的冲击压缩性能，分析三维编织复合材料面内压缩刚度、失效应力和比能量吸收在低温环境下随温度的变化规律.结果表明，三维编织复合材料压缩刚度、失效应力以及比能量吸收随温度的下降而升高，其脆性随着温度的下降而增加，在低温环境下面内冲击压缩破坏模式为基体碎裂和增强结构压缩变形.

三维编织复合材料； 低温； 冲击压缩性能

纺织结构复合材料由于轻质高强而在飞行器、高速车辆和弹道防护材料等应用上具有较大发展潜力.三维纺织结构复合材料由二维纺织结构复合材料发展而来，具有很好的整体性，因此具有更高的断裂韧性和冲击损伤容限，且在冲击载荷作用下不会发生分层现象[1].三维编织复合材料作为三维纺织结构复合材料的典型代表，被广泛应用于航天、航空等领域，在实际应用中会受到低温与冲击载荷条件的考验.全面了解三维编织复合材料在低温下的动态冲击行为对于结构设计和安全使用非常重要.

关于三维编织复合材料的压缩性能有很多报道.文献[2-3]报道了三维编织复合材料的压缩力学性能，发现编织角是影响材料纵向压缩性能和压缩破坏机理的主要参数，编织角较小时，材料表现为脆性破坏，随着编织角增大，材料更多地表现为屈曲破坏.文献[4]研究了玻璃纤维/环氧三维编织复合材料动态压缩性能，发现玻璃纤维/环氧树脂三维编织复合材料是一种应变率敏感材料.文献[5]研究了碳纤维酚醛树脂三维编织复合材料在高应变率下的轴向压缩应力应变性质，发现复合材料具有很明显的应变率效应.文献[6]研究了三维编织复合材料面内和面外压缩性能，发现材料失效应力、失效应变和压缩刚度对应变率很敏感，面内和面外压缩方向主要失效模式分别为基体碎裂和剪切变形.文献[7]研究了常温和液氮温度条件下不同编织参数复合材料的面内和面外压缩性能，发现在液氮温度下复合材料相比于常温下压缩性能得到显著提高，低温环境下材料在压缩破坏时表现为脆性失效.文献[8]研究了高温条件下不同温度场和不同应变率对复合材料冲击压缩性能的影响，发现温度和应变率对复合材料的压缩模量、峰值应力、破坏应变和比能量吸收均有不同程度影响，且复合材料破坏模式也受应变率与温度影响.

上述研究主要集中于不同编织参数和不同加载条件下三维编织复合材料压缩性能的研究，对于三维编织复合材料在低温和高应变率条件下的压缩性能研究未见报道.为此，本文在分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)上搭建低温装置，并进行低温场下三维编织复合材料面内方向冲击压缩性能的研究，探讨包括材料压缩刚度、失效应力以及比能量吸收等随温度的变化规律.

1　试　验

1.1试验材料制备

采用T700S-12K型碳纤维和JA-02型环氧树脂作为试验原材料.为保证编织试样在宽度和厚度上不超出Hopkinson压杆的直径尺寸，试样选用10×10矩形截面的四步法1×1三维编织物，编织后预制件真实结构图如图1所示.然后通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺，将预制件与树脂固化成型制备成复合材料试样，如图2所示.制成的三维编织增强结构复合材料厚为11.5 mm，宽为11.5 mm，碳纤维体积分数约为45.6%.其中，图2(a)中箭头方向表示试验过程中试样的压缩方向，即复合材料面内方向.

图1　10×10型三维四向碳纤维编织预制件Fig.1　3D 4-direction carbon fiber braided perform in 10×10

(a) 表面　　(b) 横截面

1.2树脂的热力学性质测试

采用Q 800型动态力学分析仪对环氧树脂基体的热力学性质进行测试，如图3所示.测量物质在振动载荷下的动态模量和力学损耗与温度的关系.本文对环氧树脂进行-100～25 ℃间的温度扫描，采用单悬臂梁的加载模式，测试环境升温速度为3 ℃/min， 树脂试样尺寸为28 mm×5.5 mm×2.8 mm.

图3　环氧树脂的动态力学分析测试Fig.3　The dynamic mechanical analyse test of epoxy resin

1.3动态压缩试验

压缩试验在SHPB上完成，分别测试三维编织复合材料在低温(-100 和-50 ℃)及常温(23 ℃) 共3个温度点的面内冲击压缩性能.SHPB装置示意图如图4所示，装置包括气枪、冲击杆、输入杆、输出杆、吸收杆、阻尼器以及信号采集系统.冲击杆和吸收杆的长度分别为400和600 mm，输入杆和输出杆长度均为2 000 mm，杆的圆截面直径都为30 mm. 装置采用高压氮气提供冲击动力，本文采用0.4 MPa气压条件进行试验.为实现-100～23℃试验环境温度，特别研制了与SHPB匹配的低温装置，其示意图如图5所示.当试样冷却到指定温度时，立即进行冲击压缩试验，每个温度点至少进行3次重复试验.

图4　试验装置示意图Fig.4　Schematic of experimental set-up

图5　低温装置示意图Fig.5　Schematic of low temperature device

2　结果与讨论

2.1环氧树脂的热力学性质

环氧树脂基体的动态力学分析(DMA)温度扫描结果如图6所示.由图6可以看出，基体的存储模量、损耗模量和损耗角正切随着温度的降低而升高，存储模量从2 600 MPa上升到3 600 MPa，反映环氧树脂的弹性性质在降温过程中发生了较大变化，表明环氧树脂的力学性质对温度敏感.

图6　环氧树脂的DMA温度扫描结果Fig.6　DMA temperature sweep results of epoxy resin

2.2应力-应变曲线

三维编织复合材料在不同温度条件下的应力-应变曲线如图7所示.由图7可以看出，材料在压缩初始阶段呈现弹性变形，随着应变的增加，应力很快达到最高值并迅速下降.

2.3三维编织复合材料不同温度下的压缩性能

不同温度下三维编织复合材料的面内压缩性能测试结果如表1所示.由表1可知，三维编织复合材料的压缩刚度随着温度的降低而上升.三维编织复合材料在受压时，压缩刚度受基体模量影响[8]，由环氧树脂的热力学性质可知，环氧树脂模量在低温场下随着温度的降低而升高，故以环氧树脂为基体的三维编织复合材料的压缩刚度产生了相同的变化.

图7　三维编织复合材料应力-应变曲线Fig.7　Stress-strain curves of 3D braided composites

表1　三维编织复合材料在不同温度下面内压缩性能Table 1　In-plane compressive properties of the 3D braided composites under different temperatures

三维编织复合材料的失效应力在低温场下随着温度的降低而呈升高趋势.这主要是因为一方面低温下更多的环氧树脂分子被冻结，分子间的相互作用力增强，材料强度增大；另一方面，当温度降低时，树脂的收缩率较纤维明显，使得纤维与树脂之间的界面结合力提高，从而提高材料的内应力.碳纤维在低温环境下的强度与常温相比变化很小，所起的增强作用不明显.

比能量吸收表示材料单位体积或单位质量吸收的能量，与材料的模量、失效应力和失效应变等性质有关，可直接通过应力-应变曲线起点到终点积分计算得到.三维编织复合材料的比能量吸收在低温场下随着温度的降低而呈升高趋势.从表1可知，在压缩刚度和失效应力都随着温度的降低而升高且失效应变无明显变化的情况下，比能量吸收随着温度的降低而升高.

2.4失效模式

三维编织复合材料在低温和常温下面内破坏形态的光学照片如图8所示.由图8可以看出，在三维编织复合材料的面内压缩中，环氧树脂基体完全碎裂，碳纤维编织结构仅仅发生压缩变形并保持矩形截面.这是因为三维编织复合材料是一种准各向同性材料，在面内发生压缩变形时材料均匀对称地承担压力载荷.

图8　三维编织复合材料不同温度下破坏形态Fig.8　Failure form of 3D braided composites under different temperatures

由图8还可知，随着温度的降低，试样的面积减小，其面内压缩方向的厚度增大，树脂基体脆性碎裂程度加重.这是因为环氧树脂基体与碳纤维的热收缩性质不同，树脂的热收缩更大，随着温度的降低，树脂与碳纤维束结合得越紧，两者之间的接触力增大，从而提高了界面的剪切强度和脱胶后的滑动摩擦力，使得材料的压缩变形更难；另外，随着温度的降低，树脂大分子链段运动性下降，当受到冲击能量时，无法使基体产生大的塑性屈服，树脂脆性碎裂程度增大.

3　结　语

(1) 三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料是一种对温度敏感的材料，其面内方向的冲击压缩刚度、失效应力和比能量吸收都随着温度的降低而升高.

(2) 环氧树脂基体的储存模量随着温度的降低而升高，在冲击载荷作用下，三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料压缩刚度主要受树脂基体影响.

(3) 三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温环境下，其面内高应变下的压缩破坏模式为基体碎裂和增强结构压缩变形，且随着温度的降低，基体脆性碎裂程度加重.

[1] 顾伯洪，孙宝忠.纺织结构复合材料冲击动力学[M].北京：科学出版社，2012：8-9.

[2] 卢子兴，胡奇.三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究[J].复合材料学报，2003，20(6)：67-72.

[3] 严实，孙雨果，吴林志，等.板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究[J].复合材料学报，2007，24(4)：133-139.

[4] 刘芳，杨柳，张传雄.玻纤/环氧三维编织复合材料动态压缩性能研究[J].玻璃钢/复合材料，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.

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[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] 张威.三维编织复合材料在高温环境下冲击压缩破坏性质[D].上海：东华大学纺织学院，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

上海市科学技术委员会资助项目(12dz1100407)

蒋欢(1988—)，男，江西上饶人，硕士研究生，研究方向为纺织复合材料冲击动力学. E-mail: jiang_huan_915@126.com

孙宝忠(联系人)，男，教授，E-mail: sunbz@dhu.edu.cn

TB 332

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