厚度增强复合材料研究现状及进展

谢顺利，张彩丽，张春丽，殷晓三

(中原工学院建筑工程学院，郑州　450007)



厚度增强复合材料研究现状及进展

谢顺利，张彩丽，张春丽，殷晓三

(中原工学院建筑工程学院，郑州450007)

简单介绍了厚度方向增强复合材料的优点及缺点。重点综述了Z-pinned增强复合材料由于pin的插入造成的对复合材料分层破坏的抑制，微观损伤以及由于损伤带来的面内力学性能的下降；同时，对国内外近年来发表的Z-pinned复合材料层合板面内力学性能的实验结果和理论预测模型进行了分析比较。最后，对厚度增强复合材料面内力学性能的研究提出了几点建议。

厚度增强复合材料；面内力学性能；Z-pinned复合材料；预测模型

1　引　言

纤维增强复合材料由于其轻质、高强，良好的抗疲劳和抗腐蚀性能，及其优于单一材料的可设计性，已被广泛的应用于桥梁、海洋以及地下工程结构中[1]。例如，用纤维增强复合材料对混凝土结构进行加固，代替传统材料制作梁和桥面板等。但传统纤维增强复合材料层合板的不足之处在于相对较低的层间断裂强度和韧性以及较低的冲击损伤容限，在横向载荷尤其是低速冲击载荷作用下很容易发生分层破坏。为了提高纤维复合材料层合板的厚向强度和层间韧性，国内外开展了大量研究，提出了各种方法使其在厚度方向引入增强纤维或材料(pin)[2,3]。常采用的手段有工业缝纫和厚度方向钉入pin针(Z-pinning)技术。但是这些厚度增强技术在提高层间性能的同时也会引起复合材料面内刚度和强度以及疲劳寿命一定程度的降低，如何在层间性能的增加和面内性能的损伤之间寻找到一个平衡点，以免pin加固后复合材料层间性能提高的优势被面内力学性能的降低所掩盖，这是一个迫切需要解决的问题。

本文综述了国内外近几年来发表的厚度方向上钉入pin针增强(Z-pinned)的复合材料层合板面内力学性能的实验结果和理论预测模型。不仅介绍了Z-pinned增强复合材料复合材料分层破坏的抑制作用以及增韧机理，还特别对由于pin针的插入造成的微观损伤以及由于损伤带来的面内力学性能的下降机理进行了分析和总结；最后，对厚度增强复合材料面内力学性能的研究提出了几点建议。

2　Z-pinning技术的优点及增韧机理

Z-pinning技术是20世纪90年代发展起来的一种提高复合材料层间力学性能的三维增强技术，利用高压枪将具有一定刚性的pin针嵌入到叠层的厚度方向，然后固化成型成为层合板[2]。相比缝纫技术而言，其施工便捷，而且减小了缝纫的边线对复合材料造成的损伤。研究表明[4-6]，通过在厚度方向上不连续的插入pin，能够大幅度的提高其层间性能。对于I型裂纹，Z-pin增强后的层合板随pin含量的增加其断裂韧性也不断增加，二者成线性的比例关系；对于II裂纹，增强后的层合板的断裂韧性也有一个稳定的提高[7]。Z-pin增强的结构在低能、高能以及爆炸动态载荷作用下表现良好的抗冲击容限，尤其是冲击后的压缩强度(CAI)[8]。一般认为Z-pinned复合材料能够增韧的机理是，Z-pinned复合材料在荷载的作用下发生分层时，pin和周围的基体会产生一个相对运动，二者之间的粘结力会阻止分层，随着裂纹的产生，pin逐渐被拉长和拔出，拔出的pin会在分层裂纹的后面形成了桥连地带，大量能量被用来克服由于pin拔出产生的摩擦力，从而减少了裂纹尖端扩展需要的应变能，达到了抑制分层的作用。由于厚度方向的pin的增强作用，分层破坏已经不是Z-pin增强复合材料层合板的主要破坏形式[2]。

3　Z-pin对面内力学性能的影响

由于Z-pinned的技术特点，也使得复合材料的微结构发生很大的变化，由于pin的直径比纤维大很多，原来均匀分布的面内纤维由于pin的插入发生弯曲变形和聚集，造成面内结构的严重非均匀性，部分纤维发生断裂破损，同时在Z-pin周围形成了较大的纯树脂区，在固化过程中的体积膨胀造成的纤维体积含量的减小，这些都会引起复合材料面内性能一定程度的降低[9,10]。一般有两个方面的因素对Z-pinned复合材料的面内弹性模量造成影响。，一方面是纤维的挠曲变形，纤维的弯曲总是引起面内模量的降低。另一个方面是面内纤维体积含量的变化。纤维体积含量的变化较为复杂，pin的挤入造成局部的纤维含量增加，pin周围的树脂填充区没有纤维的存在，同时固化过程中体积膨胀对纤维体积含量的稀释作用。因此，Z-pin增强层合板面内模量的影响取决于纤维的弯曲程度以及纤维体积含量两方面的综合作用。

Chang等[4,11]研究了不同pin体积含量不同直径的pin对复合材料单向板以及准各项同性层合板的影响。结果表明，由于纤维的弯曲和体积膨胀对面内纤维的稀释作用，面内弹性性质会随着pin的体积含量和直径的增加而降低。其影响相对于准各向同性板，单向板降低的更加显著，同时研究表明pin的直径相对pin的体积含量对弹性性质的损伤更大，也就是说，大直径的pin会造成更严重的面内弹性性质的损失。Grassi[12]采用有限元对Z-pin增强复合材料层合板的力学性能进行了研究，其目的在于研究边缘效应对pin增强层合板弹性性能的影响。研究表明增加2%体积含量的pin可以增加厚度的方向的杨氏模量22%～35%，同时造成面内弹性模量7%～10%的降低。当pin放置在靠近自由边缘一个pin直径的特征长度范围内，靠近自由边的层间应力会显著发生变化。Z-pinning造成的弹性模量的损失和纤维的铺层角度也有关系[2,13]。其中对于单向板减少的程度最大，而且当加载方向上的纤维减少时，也会对弹性模量造成降低。Z-pin对复合材料面内弹性模量降低的程度由大到小的顺序依次是，单向板[0]，正交铺层[0/90],准各向同性铺层[0/45/45/90],最后是角铺层[+45/45]。

人们对Z-pin增强聚合物基复合材料层合板的面内强度进行了大量实验研究，几乎都得同样的结论，就是面内强度随着pin的体积含量和直径的增加而降低。

Mouritz等[2,14]通过实验研究了不同的pin参数对面内拉伸性能的影响，研究表明强度性质与pin的体积含量和pin的尺寸满足一个准线性的关系。Childress 和Freitas[15]对AS13501-5A的编织叠层板进行了实验研究，发现对于5%的pin密度(0.28 mm的直径)增韧后会造成2%的拉伸强度的损失。Freitas等[16]研究了pin面密度和拉伸强度的关系，其中对2%，5%和10%pin增韧的AS4/3501的叠层板进行了实验，拉伸强度的减少达到2%～9%。Partridg等[17]对常用的两种pin直径(0.28 mm和0.51 mm)增韧的叠层板进行了标准开洞拉伸试验，实验发现试样的最终拉伸强度的减少在11%～14%之间，同时指出这种减少是由于发生了层间劈裂破坏造成的。

大多数学者认为这种面内拉伸强度的降低主要由于Z-pinning工艺过程中引起的纤维断裂造成的[13,18]。在pin打入时，每个pin附近会引起一小簇的纤维断裂，纤维断裂的位置往往便是拉伸失效的位置。纤维断裂的数量会随着pin体积含量的增加以及pin直径的增加而增加。而面内压缩强度的降低是由于Z-pinning工艺引起的纤维弯曲和纤维卷曲导致了细观屈曲和扭折[14,18,19]。另外，膨胀引起的纤维体积含量的稀释也是强度降低的一个因素[13]。

Chang等[13]提出了包含pin的含量和直径影响的线性经验公式来预测Pin加固纤维复合材料的强度。Fleck等[11,18]基于Cosserat偶应力理论，提出一种本构关系来描述包含纤维弯曲的单向纤维增强复合材料，同时对纤维微屈曲导致基体压缩破坏的破坏模式进行了有限元分析，分析表明随着纤维弯曲的增加，压缩强度逐渐下降。但模型没有精确分辨纤维和基体相，而是理想化的把复合材料整体看作一种可以承担偶应力的smear-out均匀材料。O'Brien 和Kruege[20]利用Fleck发展的有限元模型(Flash)对Z-pin加固的复合材料在压缩和剪切作用下的力学性能进行了模拟。模拟结果表明，pin密度的增加比pin直径的增加对单向复合材料面内压缩强度造成的损伤更加显著。Steeves和Flash[18]利用Flash模型pin的排列对pin加固单层板的影响。他们的实验和数值模拟都表明Pin造成的纤维扭曲和树脂富集区对厚度增强复合材料的面内压缩强度至少有30%降低，当pin的排列角和纤维的排列方向一致时，造成最小的纤维扰动，因此这时的压缩强度最大。Huang等[9,10]建立了3D代表性胞元模型对Z-pin加固编织复合材料进行模拟，分析了胞元数目和层数对复合材料强度的影响，发现复合材料的强度与铺层有关，并进行了实验验证。

4　Z-pinned复合材料的细观理论模型

在Z-pinning的过程中，由于pin的加入使得面内纤维发生了弯曲变形并且出现了纤维聚集现象[2,4,14,21]。纤维的方向和纤维的体积含量在面内呈现非均匀分布的形态。由于纤维数量巨大，各点的纤维偏转角和纤维体积含量在试验中难以对进行准确的测量，于是对pin附近的局部细观结构建立理论模型，从而预测非均匀的纤维偏转角和体积含量是必要。由于Z-pin造成的局部细观结构和缝纫工艺造成细观结构具有很大的相似性，因此可以利用缝纫结构的理论模型对pin结构进行描述。桂良进等[22]等通过观察铺层纤维由于缝线造成的面内弯曲是近似呈正弦波状周期性的，提出了纤维连续弯曲模型。该模型假设铺层纤维沿x方向上按正弦曲线同相排列，在y方向上均匀排列；铺层纤维的弯曲程度是随着远离pin逐步变缓。进而得到纤维的体积含量和偏转角的非均匀分布。但是该模型没有考虑缝线的性能，同时模型假设纤维在缝纫线的挤压下沿横向均匀分布，这与实际情况不符。魏玉卿等发展了纤维弯曲模型(FDM)[23]，该模型从细观结构出发，将代表性胞元划分为纤维变形区，树脂富集区、缝线和纤维未变形区不同四个不同的区域，同时提出变形区长度和宽度两个参数来描述纤维的变形区域，从而得到胞元内部各点处的纤维体积含量和扭转角。但在Z-pinned复合材料中纤维变形区的界限难以明确区分，如何准确的确定两个关键参数；文献中采用余弦函数来表述复杂的纤维变形是否合适还待进一步实验确定。李晨等[24]基于有限元法和周期性边界条件提出了一种三维纤维弯曲模型来分析缝合层板压缩强度的分析方法,该模型考虑面内纤维弯曲和体积含量改变的同时也考虑了厚度方向的纤维弯曲和体积含量改变，利用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展，得到缝合层合板的压缩强度，但建立有限元模型工作量大，参数的改变要建立相应的模型，通用性比较差。刘兵山等[25]从缝纫复合材料由于缝线造成的纤维变形与绕流流场中流线形状的相似性出发，建立与缝纫单胞相对应的有限空间定常二维无粘性不可压理想流体的无旋绕流流场模型，以流场中流速的变化模拟面内纤维体积含量的非均匀分布，用绕流物来表述缝线，用流线形状描述缝线周围的纤维变形。但模型中用流体的速度来表示固体中体积含量的过于牵强，且其取值无法用试验来验证。

5　结论与建议

综上所述，Z-pinning作为一种新型的三维增强技术能够大幅度提高复合材料的层间力学性能，但是同时pin插入造成的纤维弯曲、纤维卷曲等局部细观结构的改变也会对面内的一些性能造成损伤。因此，细观结构的系统研究对深入理解Z-pinning工艺对复合材料层合板面内力学性能变化以及失效机理的影响是必不可少的。以下几个方面有待进一步研究。

(1)针对Z-pin植入复合材料后诱导的纤维非均匀分布，建立出参数少、能准确描述非均匀细观结构的方法和模型;

(2)通过Z-pin增韧层板的逐步损伤破坏机理进行研究，分析工艺参数对Z-pin增强复合材料强度的影响，为制定合理的复合材料厚度增强工艺提供理论支持;

(3)目前大部分研究都致力于Z-pinned复合材料制成以后的力学性能研究，而在pin插入后固化成型过程也会对Z-pinned增强复合材料的力学性造成影响，应在以后的研究中考虑。

[1]曹国辉,汪子鹏,王志宏,等.纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究[J].湖南城市学院学报(自然科学版),2011,(04):1-5.

[2]Mouritz A P.Review of z-pinned composite laminates[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2007,38(12):2383-2397.

[3]孙先念,郑长良.层合复合材料 Z-pinning 增强技术的力学进展[J].航空学报,2006,27(006):1194-1202.

[4]Chang P.The mechanical properties and failure mechanisms of Z-pinned composites[D].Dissertation of RMIT University,2006.

[5]Li R N,Huong A.Croskyet al. Improving bearing performance of composite bolted joints using z-pins[J].Composites Science and Technology,2009,69(7-8):883-889.

[6]Pingkarawat K,Mouritz A P.Improving the mode I delamination fatigue resistance of composites using z-pins[J].Composites Science and Technology,2014,92(2):70-76.

[7]Rugg K B,Cox R.Massab Mixed mode delamination of polymer composite laminates reinforced through the thickness by z-fibers[J].Composites Part A:applied science and manufacturing,2002,33(2):177-190.

[8]Zhang X L,Hounslow M G.Improvement of low-velocity impact and compression-after-impact performance by z-fibre pinning[J].Composites Science and Technology,2006,66(15):2785-2794.

[9]Huang H,Waas A M.Compressive response of Z-pinned woven glass fiber textile composite laminates:modeling and computations[J].Composites Science and Technology,2009,69(14):2338-2344.

[10]Huang H,Waa A M.Compressive response of Z-pinned woven glass fiber textile composite laminates:experiments[J].Composites Science and Technology,2009,69(14):2331-2337.

[11]Chang P,Mouritz A P,Cox B N.Flexural properties of z-pinned laminates[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2007,69(2):244-251.

[12]Grassi M.Numerical modelling of composite laminates with through-thickness-reinforcements[D].Cranfield University,2004.

[13]Chang P,Mouritz A P,Cox B N.Properties and failure mechanisms of z-pinned laminates in monotonic and cyclic tension[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2006,37(10):1501-1513.

[14]Mouritz A P.Compression properties of z-pinned composite laminates[J].Composites Science and Technology,2007,67(15-16):3110-3120.

[15]Childress J,Freitas G.Z-direction pinning of composite laminates for increased survivability. in proceedings of the AIAA aerospace design conference[C].Irivina California:1992:92-109.

[16]Freitas G,Fusco T,Campbell,et al.Z-fiber technology and products for enhancing composite design,1997:17-17.

[17]Partridge I K,Cartie D R,Troulis M,et al. Evaluating the mechanical effectiveness of Z-pinning,2004.

[18]Steeves C A,Fleck N A.In-plane properties of composite laminates with through-thickness pin reinforcement[J].International Journal of Solids and Structures,2006,43(10):3197-3212.

[19]Huang H J,Waas A M.Modeling and predicting the compression strength limiting mechanisms in Z-pinned textile composites[J].Composites Part B:Engineering,2009,40(6):530-539.

[20]O'Brien T K,Krueger R.Influence of compression and shear on the strength of composite laminates with z-pinned reinforcement[J].Applied Composite Materials,2006,13(3):173-189.

[21]Mouritz A P,Cox B N.A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven,stitched and pinned composites[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,In Press,Corrected Proof.

[22]桂良进,郦正以.缝纫层合板的本构关系研究 (I)-缝纫单层板有效弹性常数分析[J].复合材料学报,2002,19(001):95-100.

[23]Wei Y,Zhang J.Characterization of microstructure in stitched unidirectional composite laminates[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2008,39(5):815-824.

[24]李晨,许希武.缝合复合材料层板三维纤维弯曲模型及压缩强度预报[J].复合材料学报,2006,23(006):179-185.

[25]刘兵山,燕瑛.缝合复合材料弹性性能分析的新方法-流场模型 Ⅰ:缝合单层板弹性常数计算[J].复合材料学报,2006,23(4):129-135.

Development of Composite Laminates with Through-thickness-reinforcements

XIE Shun-li,ZHANG Cai-Li，ZHANG Chun-Li,YIN Xiao-san

(Department of Civil Engineering,Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007,China)

The advantages and disadvantages of composite laminates with through-thickness-reinforcements are briefly introduced. Inhibition effects of delamination ,micro damage and declination of mechanics properties caused by micro-damage are reviewed emphatically. And the paper analysis and compared experiment results and theoretical models on in-plane mechanical properties of Z-pinned reinforced composite laminate in paper delivered recently years. Finally,some advices are given for research on in-plane mechanics properties of composite reinforced in thickness.

composite laminates with through-thickness-reinforcements;in-plane mechanics property;Z-pinned composite;prediction model

河南省教育厅科学技术研究重点项目(16A130003)

谢顺利(1980-)，男，博士，讲师.主要从事复合材料方面的研究.

V257

A

1001-1625(2016)02-0464-04