织物剪切对盔壳复合材料弯曲性能的影响研究

关键词：复合材料； 头盔壳体； 剪切角； 弯曲刚度； 纬编双轴向织物

头盔的主体结构是由外部壳体以及衬垫组成，通过彼此间的协调作用来保证整体的安全性和舒适性。虽然头盔壳体在安全性方面发挥着重要作用，但当壳体的刚度和强度足以抵抗过度的变形和断裂后，壳体刚度和强度的再度提高无法明显改善头部在遭受冲击时的损伤状况[1-2]。因此，在满足安全性的条件下，利用复合材料各向异性的特征，仍有一定的空间对头盔壳体进行舒适性优化。

头盔壳体属于复杂曲面的薄壳结构，由于其应用特点及厚度限制，表面需要平整光滑，且难以采用加强筋、格栅及夹芯等加强结构[3-5]。因此，头盔壳体的性能主要依赖于薄壳本身。壳体所选用的材料在保证安全性的同时还需要尽可能地减轻重量（质量），因为战机在急转弯或速度急剧提升时，飞行员身体承受巨大的过载，头盔所带来的重量会增加到几倍之多，重量的小幅度增加都会对飞行员的颈部带来沉重的负担[6]。纤维增强复合材料质轻、比强度和比模量高，符合航空航天材料高强度以及轻量化的需求，其中民用飞机的复合材料用量占比已超过50%[7]。在应用于头盔壳体的复合材料中，纺织结构复合材料占据重要地位，碳纤维和芳纶纤维等高性能纤维常被制作为织物结构，用作制备头盔壳体复合材料的预制件。二维织物结构在头盔壳体的预制件中应用最为广泛，其中二维机织物纤维排列紧密，可提高头盔壳体的纤维体积分数进而减少壳体重量。同时，机织物在编织过程中对纱线的强力损伤小，可以更大程度地发挥高性能纤维的强度优势，方平结构和平纹结构是复合材料头盔壳体预制件中使用最多的织物结构[8]。但二维机织物的变形能力较差，通常将织物裁剪后拼接成头盔壳体的形状，不仅工艺复杂而且会造成材料的浪费。二维针织物可以实现一块织物整体成形，但结构松散，织物密度较小，织造过程对纤维损伤大，制作的头盔壳体刚度不足。同时，二维织物制作的头盔壳体因采用铺层方式而导致层间结合强度低，具有一定厚度的三维织物可较好地解决这一问题。三维织物在厚度方向上通过捆绑纱加强了层间连接，减少了经纬纱之间的交织，变形时摩擦力更小，提高了变形能力。三维织物由于出色的成形性，制作头盔壳体时多采用一体成形的方式，操作简单快捷并且具备突出的抗冲击性能[9-11]。纬编双轴向多层衬纱（MBWK）织物由绑缚纱和衬纱系统组成，其特点是衬纱处于平直状态，可编织柔韧性较差的高性能纤维[12-13]，处于无屈曲状态下的纤维束，强力利用率可达90%以上[14]。同时，衬纱具有较大的滑动范围，各个方向拥有优异的延伸性，作为头盔壳体预制件成形性突出[15]。但织物在一体成形过程中出现的较大变形，会在壳体内部产生残余应力，进而影响头盔壳体尺寸稳定性[16-17]。

Mitchell 等[18]研究了不同剪切角的玻璃纤维平纹织物复合材料板的弯曲刚度，发现在纬纱方向（纤维被剪切的方向）上的刚度随着剪切角的增加而增加。然而，在垂直于纬纱的方向上，刚度在较小的剪切角范围内（20°）是下降趋势，剪切角较大时刚度回升，并通过数值研究确定了纤维的重新定向和随剪切引起的厚度变化是影响板弯曲刚度的重要因素[19]。织物以平面内剪切变形与剪切收缩的相互作用完成壳体曲面成形[20]，成形效果受织物的剪切刚度与弯曲刚度的影响[21]。由于织物发生变形，壳体不同位置的纤维分布不一致[22]，导致壳体各部位的性能也存在差异[23-24]。Marouene 等[25-26]通过改变复合材料板材内部的纤维分布状态，所制作的两种变刚度板材在预屈曲刚度、屈曲载荷和破坏载荷方面分别提高了35%、19%和44%。在圆柱壳体中改变部分的纤维铺设角度后能够降低对初始几何缺陷的敏感性，并在压缩过程中破坏区域较小。同样，Labans 等[27]对圆柱壳体中的占比50%的纤维层进行优化，可实现18.5%的屈曲载荷提升。因此，通过改变复合材料内部纤维的结构状态，可以在一定范围内优化材料力学性能[28-29]。MBWK织物因其结构特征纤维束有充足的变形空间，其结构存在很大的设计潜力。头盔壳体在弹性范围内形状发生变化时，主要是由壳体不同部位产生弯曲变形后协同作用的结果。因此，了解织物作为预制件成形头盔壳体时的变形行为，以及复合材料内部织物状态对弯曲性能的影响，可以更好地促进头盔壳体设计制造的发展。

本文为探究织物剪切角对盔壳用复合材料弯曲性能的影响，采用划区域方法研究了纬编双轴向织物成形头盔壳体时的剪切变形行为，并选出了42°、50°、61°、68°、75°、82°和88°共7 个夹角制作复合材料板材。通过三点弯曲试验测定了不同试样的弯曲性能得到不同剪切角度下复合材料的弯曲强度和弯曲模量。利用超景深显微镜观察试样破坏形貌，比较不同剪切变形下复合材料损伤状态，分析剪切角度对复合材料弯曲性能的影响机理。

1 试验

1.1 织物在盔壳不同位置的剪切变化

1.1.1 划区域分析

采用将整块织物铺覆在盔壳模型表面的方法，模拟头盔壳体内部的织物变形状态。通过划区域方法，将未变形的织物划分出若干个方形区域，织物成形后方形区域形状的变化可以反映织物的变形行为。同时，可以将头盔壳体划分出不同的区域，便于分析盔壳不同位置的织物剪切程度。

织物的区域划分和成形如图1 所示，将纬编双轴向织物铺平后划分为沿纬纱对称的两部分，在一侧区域画出网格线，为便于观察网格形状变化和区域内剪切角测量，将每个区域大小设定为5cm×5cm。织物采用对称铺覆的方式，保证织物对称线与头盔中心线重合，成形过程中两侧变形对称。在铺覆完成并确保织物无褶皱之后，采用真空袋法将织物压实以更加贴近盔壳的形状。

1.1.2 代表性角度的选择

将纬编双轴向织物经纬纱之间夹角的余角作为剪切角，剪切角的大小反映了织物的变形程度。测量织物成形后各个区域的纱线夹角，将变形结果进行整理，以5°的剪切角变化范围将所有测量数据分为7 组，分别取每组纱线夹角的平均值作为代表性角度，见表1。选择出的7 个角度接近织物在头盔壳体内部最普遍存在的剪切状态，接下来将作为复合材料板材的制备参数。

1.2 弯曲试验

1.2.1 材料

试验中所选用的芳纶纬编双轴向织物的面密度为800g/m2，芳纶纤维为Kevlar-49，由美国杜邦公司生产，材料性能见表2；E51 环氧树脂AB组分，由南通星辰合成材料有限公司提供，材料性能见表3（表中1kgf≈9.8N）。

1.2.2 样品制备与测试

纬编双轴向织物作为预制件制作复合材料，其中添加相应的剪切变形为制备的关键，织物预设的剪切变形程度依照表1 选定的角度。采用真空辅助树脂传递法，制备流程如图2 所示。在本文试验中依照选定的角度制作出7 组复合材料板材。

参照GB/T 1449—2005[30《] 纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，将板材沿纬纱方向切割为60mm×15mm的长条状试样，厚度为1.5mm，每种参数下准备5 个样品。采用三点弯曲测试方法，使用Instron5969 万能材料试验机对材料的弯曲性能进行测试，其中弯曲试样跨厚比为16∶1，压头的速率为2mm/min，压头半径为5mm，弯曲试验如图3 所示。为探究材料经过三点弯曲后的损伤状态和破坏模式，使用超景深电子显微镜（VH-Z500R）观察试样表面形貌并作图像记录。

2 结果与分析

2.1 剪切角变化分析

织物在头盔不同区域的纱线夹角测出后，根据对应关系得出剪切角，并按照表1 中的汇总结果，将织物剪切角变化在5°范围内的区域用同一颜色标识。头盔不同区域的织物剪切角如图4 所示，可以看到头盔顶部中心线附近织物变形较小，在中心线方向呈现出中部向边缘变形逐渐加剧的特点。这与对称铺覆的成形方式相对应，中心线附近为织物覆合曲面的起始位置，织物剪切变化较小。红色线为织物剪切方向发生变化的分界线，可以看到分界线两边织物的剪切方向大致是对称的。织物沿分界线方向的变形呈现出由顶部向两耳处收缩逐渐变大的现象，分界线附近织物的剪切变形相对较小。

根据织物对称铺覆的成形方式，结合试验结果可以推测出织物在整个头盔的变形行为。织物以头盔顶部为中心作为剪切变化的初始区域，剪切变形从中心向四周增大，在帽檐与脸颊侧相交的区域以及头盔后方两侧的边缘区域剪切变形严重，最大剪切角为51°。在头盔顶部中心线以及剪切方向发生变化的分界线两侧，织物的剪切方向呈现出对称性。因此，在这两条线附近的区域剪切变形较小，距离较远的区域剪切变形较大，在中心线与分界线角对称线方向的最远处，剪切变形最大。这是由于在成形过程中织物的剪切变形有向角对称线方向汇聚的趋势，在角对称线附近的区域倾向于发生起皱，因此需要更大的收缩变形来保证铺覆表面平整。

2.2 弯曲结果分析

不同参数试样经三点弯曲后得到如图5 所示的载荷位移曲线，测试过程中试样并未发生脆性断裂，载荷随挠度的增加而增加，最终稳定在一定数值范围内。在弹性范围内，每个参数下的曲线保持线性状态，斜率基本一致。由于内部缺陷的差异，发生塑性变形后每个试样的破坏程度不同，曲线发生分散，但整体趋势一致。对比不同剪切角度下的载荷位移曲线，初始斜率和最大载荷产生了变化，为更好地分析剪切角度对复合材料弯曲性能的影响，通过式（1）和式（2）计算出不同剪切角度下复合材料的弯曲强度和弯曲模量

式中，ε为应变；S为跨距终点处的挠度。

根据以上分析可知，纬编双轴向织物可剪切变形的范围为0°～50°，织物在不同纱线夹角下制作的复合材料弯曲强度和弯曲模量如图6 和图7 所示。随剪切变形的加剧，复合材料的弯曲强度和模量呈现出先上升后下降再上升的趋势。在本文试验范围内，纱线之间的角度为42°时，复合材料的弯曲强度和模量同时出现最大值。纬编双轴向织物发生剪切变形时，由于捆绑纱的zfX54fybo0COCQVCTckMFZPsxW89Z+GNNeb9GB8WU+4=束缚作用，在达到一定的剪切角度后，纤维束会收紧，织物在厚度方向上增加，密度变大。因此，当剪切变形增大时，复合材料的纤维体积分数上升。同时，剪切变形发生时，纤维束以及捆绑纱的结构状态改变，影响到弯曲变形时复合材料内部纱线的受力状况。织物共三层衬纱，两层纬纱的方向平行，中间层的经纱与纬纱呈一定角度。弯曲变形时上层纬纱受到压缩作用，在变形中心的纱线受到挤压作用。下层纬纱受到拉伸作用，同样在变形中心的纱线受到最大拉伸力。受织物结构影响，在与经纱垂直的方向上施加弯曲变形需要的力最小。因为这个方向上中间层的纱线无法很好地抵抗外力，并且树脂与纤维的界面是最易受损失效区域。随着剪切变形的增加，中间层的经纱逐渐向纬纱方向靠拢。试样弯曲时，一方面经纱可以更好地承担外力，纱线与树脂的界面扩大，抵抗损伤能力变强。另一方面，随变形增加受力系统逐渐向垂直于经纱的方向偏移，纬纱的受力状态发生变化，承载能力下降。因此，复合材料弯曲性能的变化是纱线结构与纤维体积分数相互作用的结果，从图6 和图7 中可以看到，复合材料的弯曲强度和模量分别在经纬纱夹角为61°和68°时降到最小值。因此可以推断出，当织物增强体的剪切角为20°～30°时，会使复合材料的弯曲性能降至最低。对比发现，复合材料的弯曲模量会对剪切角度的变化更为敏感，织物增强体的剪切角在10°以内时，弯曲模量与剪切变形之间呈正相关关系；当剪切角为10°～20°时，弯曲模量会迅速降至最小值，在20°～50°的范围内逐步回升。相对而言，复合材料的弯曲强度受剪切变形的影响较小，当织物增强体的剪切角为20°～30°时，会降低复合材料的弯曲强度；在其他剪切变形范围内，复合材料弯曲强度的变化并不显著。

总的来讲，复合材料的弯曲模量相比弯曲强度而言，受剪切角变化的影响更为显著，剪切角为20°～30°时，会降低复合材料的弯曲性能；织物增强体的剪切角在20°左右时，复合材料的弯曲模量降至最低；剪切角在30°左右时，弯曲强度会降至最低；剪切角在50°左右时，复合材料的弯曲强度和弯曲模量同时达到最高。

2.3 弯曲形貌分析

复合材料试样经过三点弯曲后在中部区域产生了明显的损伤，试样弯曲破坏形貌如图8 所示。结合上表面损伤形貌（见图8（a））和侧面（见图8（c）），可以看到试样上表面局部纤维束产生了凸起，表明复合材料上表面的纬纱层受到了压缩，在变形中心的纱线受到挤压作用。从放大图中可以看到，纤维束与树脂之间产生了分层现象，纱线与树脂连接的界面受损严重。对比不同纱线夹角下的试样，可以发现剪切变形较大的试样破坏范围从中心向边缘处扩大（见图9（a）～图9（g）），说明纱线角度的变化改变了弯曲时的受力状态。在上层受到压缩时损伤区域向试样边缘处扩散，说明剪切变形较大时中心处有更大的面积去承担载荷。当剪切变形较小时，试样发生损伤的区域较为整齐，并且破坏程度较小，说明剪切变形较小时织物结构对力的分散作用小。观察试样的下表面（见图8（b））可以发现，沿捆绑纱产生较为明显的损伤，从放大图中可以看到捆绑纱处的树脂出现了裂纹，并且沿纤维束方向，树脂出现拉伸损伤的痕迹，说明复合材料下表面在弯曲过程中受到了拉伸作用。对比不同纱线夹角下的试样（见图10（a）～图10（g）），下表面整体受损情况弱于上表面，易于观察到的损伤发生在捆绑纱附近的区域。随剪切变形的增加，弯曲变形时试样受力系统也逐渐变化，因此上表面受损区域总是沿最弱的经纱方向，体现在下表面受损区域沿捆绑纱方向。同时，受力状态的变化引起纤维束之间倾向于发生剪切，捆绑纱起到束缚作用抵抗变形，易于发生界面受损。因纤维具有很强的抗拉伸性能，并且试样较薄，只能明显观察到树脂的破坏，而纤维的损伤较小。图9 和图10 中都可以观察到织物随剪切变形的增大，捆绑纱收紧，纤维束宽度减小，纤维束之间的间距缩短，试样在同等宽度下纤维束数量增加，纤维体积分数逐渐提高。

复合材料在弯曲过程中，试样上表面主要的损伤形式为纤维束局部凸起产生分层，下表面主要表现为树脂的损伤，与捆绑纱结合的树脂产生裂痕，与纤维束结合的树脂产生拉伸损伤的痕迹；随剪切变形的增加，复合材料的纤维体积分数提高，当剪切变形较大时，受纤维束内部结构的影响，可在复合材料上表面受到压缩作用时将受力向更大的区域分散。

3 结论

本文通过区域划分的方法，观察织物在成形头盔壳体后的剪切变形，根据变形结果制备出不同纱线夹角的复合材料薄板，结合弯曲测试结果与损伤形貌，分析剪切变形对复合材料弯曲性能的影响。通过研究，得到以下结论：

（1）芳纶纬编双轴向复合材料的弯曲模量受剪切变形的影响较大，织物增强体的剪切角为0°～ 10°时，弯曲模量呈上升趋势，在10°～ 20°的范围内迅速降至最低，随后在20°～ 50°的范围内逐步回升；复合材料的弯曲强度受剪切变形影响较小，当剪切变形为20°～ 30°时，复合材料的弯曲强度相对较低，在其他角度范围内强度变化不明显。

（2）试样经三点弯曲后，上表面受损较为明显，表现为局部纤维束的凸起，出现分层现象。在剪切角度较大时，上表面的损伤区域从中心向边缘处扩大；在试样下表面，捆绑纱周围的树脂产生裂纹，并且沿纤维束方向出现拉伸损伤的痕迹。