诱导角及铺层结构对碳/环氧复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性的影响

马 岩，王 浩，朱中秋，杨维维，黄晓梅，阳玉球，刘光涛，严雪峰*，曹海建

（1.南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019；2.南通大学 安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏 南通 226019；3.南通三荣实业有限公司，江苏 南通 226001；4.东华大学 纺织学院，上海 201620；5.德州卡本梵博复合材料有限公司，山东 德州 253000）

碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）具有轻质、高强、可设计、高吸能等特点[1-2]，是理想的防撞吸能材料。与依靠塑性变形吸能的金属不同，复合材料通过自身纤维断裂，纤维微屈曲，基体开裂，基体破碎，纤维/基体间界面、侧叶弯曲、分层、摩擦等多种损伤失效形式[3-5]，获得渐进稳定的损伤过程实现高吸能。复合材料的能量吸收机理非常复杂，影响因素众多，如组分[6]、界面[7]、增强形式[8]、纤维含量[9]、成型工艺[10]、构件几何形状与尺寸[11-12]、测试条件[6，13-14]及诱导形式[15-16]等。为实现稳定、渐进的压溃过程，吸能复合材料几何结构多以圆形薄壁管为主。圆形薄壁管增强形式多以编织结构、缠绕结构为主，但纤维交织并不利于复合材料力学性能的充分发挥。薄壁管头端的诱导角实质上是一个应力集中诱发器，可实现特定区域渐进压溃。前期研究发现[15-16]，在薄壁管头端设置一定的诱导机制可诱发渐进稳定的压溃过程，诱导机制主要包括倒角、槽、郁金香形等。

本研究利用单向碳纤维增强环氧树脂预浸料，通过预卷绕及热压工艺制备单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管，研究诱导角及卷绕结构对复合材料薄壁管准静态压溃吸能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验所用原料为威海光威复合材料股份有限公司提供的单向碳纤维增强环氧基预浸料USN20000。单向预浸料相关技术指标如表1 所示。

1.2 薄壁管成型及诱导角处理

在涂有脱模剂的金属制圆柱形芯模上，按预定顺序和取向卷绕单向碳纤维预浸料，达到指定卷绕厚度后放入外芯模中，进行加热加压固化处理。本研究卷绕结构有两种：一种为自内到外皆为0°取向（轴向）的单向薄壁管；另一种为内部0°、外部90°取向薄壁管。薄壁管壁厚皆为3.5 mm，其中0°/90°卷绕薄壁管的内、外层厚度分别2 和1.5 mm。固化温度、压强及时间分别为120 ℃、0.1 MPa 及90 min。如图1 所示，固化后的试样通过切割机切成长度为50 mm 的标准件，并通过磨抛机分别对薄壁管头端进行打磨，获得外、内、双倒角3 类，各类倒角角度分别取30°、45°及60°。

表1 单向预浸料技术指标Tab.1 Information of unidirectional prepreg

1.3 压缩测试

准静态压缩测试在10 kN 的万能试验机（Instron 4206，英斯特朗）上进行，试样在两平板压头之间以20 mm/min 的速度进行压缩，实验过程中以50 s-1的频率记录载荷和位移数据，每组样品测试样本数为3。此外，压缩过程中在试验机正前方放置摄像机，以记录压溃过程中的外观变化。

1.4 金相观察

向被破坏后的试样中注入环氧树脂（含固化剂），固化后沿试样轴向截面切割，利用金相磨抛机对切割剖面逐步打磨、抛光，最终通过光学显微镜（MC190 HD，莱卡）对剖面进行光学观察。

2 实验结果与讨论

2.1 压缩载荷-位移曲线

无诱导角单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管准静态压缩载荷-位移曲线如图2 所示。压缩初期，载荷随位移增大呈线性增加。当载荷达到峰值时，载荷皆呈断崖式下降，并随位移增大而逐步降低。

具有不同诱导角的单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管准静态压缩载荷-位移曲线分别如图3 和图4所示。从压头与复合材料薄壁管头端接触开始，压缩载荷从0 开始随位移呈近似线性增长，达到临界破坏条件时载荷达到初始峰值；达到最大载荷后，载荷有一定程度下降但仍然维持较高水平；进入渐进稳定压溃阶段后载荷逐渐回升。对于具有不同诱导角的薄壁管而言，其载荷-位移曲线在趋势上大致相似。

与无诱导角的单向及0°/90°相比，拥有诱导角的薄壁管在压溃初始阶段，载荷上升至最大载荷的速度较慢且最大载荷水平较低；但进入渐进压溃阶段，其平均载荷水平维持在高载荷水平。

如图3、图4 所示，对具有不同形式诱导角的单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管而言，诱导角越大，初始阶段载荷的增长速率越大，最大载荷越高，但达到峰值后下降速率亦最大。具体地，诱导角越大，载荷从0 至最大值的距离越短，初始阶段载荷的增长速率越大，复合材料压溃过程中内部损伤及裂纹无足够时间充分传递，导致载荷水平越高；当达到最大载荷时，由于高水平载荷的薄壁管头端局部应力更大，裂纹传播速度相对于低载荷试样更快，尺度更大，使得后续载荷下降速率更大。

2.2 压溃过程

压缩过程中外观形貌变化如图5 所示。初始阶段，薄壁管头端诱导角处因应力集中首先发生破坏，诱导区逐步压溃过程中载荷随位移呈线性增加；诱导区压溃后载荷达到峰值，管壁压溃形成楔形区，下方出现中央裂纹，两侧叶分别向管内、管外弯曲，形成了渐进稳定的压溃状态，载荷维持较高水平呈现锯齿状波动，最终其损伤模式呈现“开花”失效模式。

2.3 能量吸收性能

典型复合材料薄壁管压缩载荷-位移曲线如图5 所示。压缩载荷-位移曲线与x 轴所围成的面积在数值上等于压缩总能量吸收值E，

式中：P 为载荷；S 为位移；Sb为压溃距离。

比能量吸收值ES为单位质量复合材料所吸收的能量值，是衡量材料吸能的重要参数。计算公式为

式中：V 为薄壁管压溃体积；ρ 为密度。

通过计算，各复合材料薄壁管比能量吸收值ES如图6 所示。

2.3.1 诱导机制对薄壁管吸能的影响

由图6 可知，无倒角单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管压溃过程中比能量吸收值分别约为24 及32 kJ/kg，而有倒角的单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管的平均比能量吸收值范围分别为84～112 kJ/kg及98～131 kJ/kg，比能量吸收值均提升至3 倍以上。

2.3.2 结构对薄壁管吸能的影响

由图6 可知，相同诱导角的0°/90°卷绕复合材料薄壁管的比能量吸收值绝大多数高于单向薄壁管。0°/90°卷绕复合材料薄壁管中90°环向碳纤维更有利于控制中央裂纹在轴向的拓展，促使侧叶以小曲率弯曲，吸收更多能量。

2.3.3 诱导角对薄壁管吸能的影响

由图6 可知，对单向复合材料薄壁管而言，双倒角30°的薄壁管ES高达112 kJ/kg，而内倒角45°的薄壁管ES仅84 kJ/kg；对0°/90°卷绕复合材料薄壁管而言，内倒角45°的薄壁管ES高达131 kJ/kg，而内倒角30°的薄壁管ES仅98 kJ/kg。可见，诱导角度及诱导角形式对薄壁管吸能特性影响显著。

但对于不同形式的倒角，其影响规律差异较大。外倒角单向薄壁管及内倒角0°/90°卷绕薄壁管随着诱导角的增大，能量吸收性能先增后减；内倒角及双倒角单向薄壁管、外倒角0°/90°卷绕薄壁管随着诱导角的增大，能量吸收性能先减后增；双倒角0°/90°卷绕薄壁管随着诱导角的增大，能量吸收性能递增。

2.4 损伤失效形式

单向和0°/90°卷绕复合材料薄壁管轴向压溃25 mm 后的外观分别如图7 和图8 所示。所有薄壁管侧叶分别向管内及管外弯曲，在中间形成压碎区，为典型的“开花”破坏模式。

为分析失效机理，特选具有代表性的45°内倒角单向薄壁管、30°及45°内倒角0°/90°卷绕薄壁管作为分析对象。其中，45°内倒角单向薄壁管的比能量吸收值最低，其失效微观观察结果如图9 所示。可见中央裂纹长度较大，两侧叶分别向内、外弯曲，侧叶中出现一定程度的分层及纤维断裂，但侧叶以较大曲率半径弯曲。对于能量吸收值较低的30°内倒角0°/90°卷绕薄壁管，可见分层的侧叶以较大曲率向管内和管外弯曲，侧叶中分层现象相对较少，同时侧叶中纤维断裂较少，侧叶以较小曲率半径弯曲（如图10 所示）。对于能量吸收值最高的45°内倒角0°/90°卷绕薄壁管，侧叶以较小曲率半径向管内和管外弯曲，侧叶中出现众多分层及大量纤维断裂（如图11 所示）。

上述光学观察结果表明，复合材料薄壁管侧叶以较小曲率半径弯曲，侧叶内应力大，层间分层及纤维断裂程度高，有利于复合材料的能量吸收。

此外，由图9 和图11 对比可知，90°环向取向的纤维，在压溃过程中可以像“紧箍”一样束缚内层纤维向两侧弯曲，从而提升其吸能特性。

3 结论

本研究以单向碳纤维/环氧树脂预浸料为原料，通过卷绕铺层、热压成型工艺，制备单向及0°/90°卷绕复合材料薄壁管。对薄壁管试样头端进行不同形式的倒角处理，研究卷绕结构及诱导角对复合材料薄壁管吸能性能的影响。

1）薄壁管诱导角越大，初始阶段载荷的增长速率越大，最大载荷越高，且达到峰值后下降速率亦最大。

2）具有环向纤维排列的0°/90°卷绕复合材料薄壁管，因90°纤维在环向的“紧箍”作用，其比能量吸收值较单向薄壁管有很大程度的提高。

3）在复合材料薄壁管压溃过程中，侧叶以较小曲率向管内和管外弯曲，有利于侧叶的分层及侧叶中纤维的断裂，对薄壁管吸能具有积极作用。

4）诱导机制对复合材料薄壁管吸能特性影响显著，但诱导角对压溃吸能及失效行为的作用机理有待进一步研究。