二维三轴编织碳纤维复合材料的冲击响应及冲击后压缩行为

Impact response and post-impact compression behavior of two-dimensional triaxially braided carbon fiber composites

摘要

采用树脂传递塑膜工艺制备碳纤维二维三轴编织复合材料，分别通过空气炮系统和落锤冲击实验系统开展了二维三轴编织复合材料在不同冲击能量下的高、低速冲击实验，并通过超声C扫描获取了不同冲击能量下的分层损伤情况，分析了二维三轴编织复合材料的高、低速冲击响应及损伤失效特性。然后，对低速冲击试样开展压缩实验，结合数字图像同步测试技术，阐明了不同冲击能量下二维三轴编织复合材料的冲击后压缩性能。结果表明，在低速冲击载荷下，随着冲击能量的增加，二维三轴编织复合材料的损伤面积等比例增大，但能量吸收增大了近2倍，在6.7 J/mm的冲击能量下，材料内部产生严重的损伤，导致其剩余强度大幅下降。二维三轴编织复合材料的弹道极限速度约为138.5 m/s，当弹体入射速度大于弹道极限速度时，其损伤面积随弹体入射速度的增大而降低。

Abstract

The two-dimensional triaxially braided composites are prepared by the resin transfer molding process. The mechanical response of two-dimensional triaxially braided composite under high and low velocity impact are investigated through the air gun system and drop hammer impact test system with different energies. The delamination damage under different impact energies are obtained by ultrasonic C-scan to analyze the damaged failure characteristics. The behaviors of compression after impact are studied in combination with digital image correlation. It is shown that the damaged area of the two-dimensional triaxially braided composite increases proportionally with the low velocity impact energy， but the energy absorption increases almost 2 times. Severe damage occurs and extends along the axial fiber under impact with an energy of 6.7 J/mm， leading to a significant reduction in its residual strength. The ballistic limit velocity of the two-dimensional triaxial braided composite is about 138.5 m/s. The projectile is embedded in the plate. When the impact velocity is greater than the ballistic limit velocity， a rectangular hole is formed on the impact surface， and a tearing fracture can be observed on the back surface. The damage area decreases with the increase of the incident velocity.

Graphical abstract

关键词

二维三轴编织 / 碳纤维复合材料 / 高速冲击 / 低速冲击 / 冲击后压缩

Key words

two-dimensional triaxially braid / carbon fiber composite / high velocity impact / low velocity impact / compression after impact

在冰雹、砂石、飞鸟的撞击作用下，高速旋转的航空发动机风扇叶片很可能断裂飞出，穿透机体危及飞行安全，因此发动机机匣必须具有一定的包容能力^［1］。在燃油效率和推重比不断提高的驱动下，航空发动机风扇机匣先后经历了全金属结构机匣、金属与复合材料组合机匣、全复合材料结构机匣3个阶段。全复合材料硬壁包容机匣首次在美国GE公司的GEnx涡扇发动机上得到应用，由碳纤维二维三轴编织物经环氧树脂增韧制备，成功使包容效率提升了约30%，单台发动机减重160 kg^［2-4］。

作为航空发动机中尺寸最大的静止结构件，复合材料机匣在成型、装配和服役过程中不可避免地遭受冲击载荷的作用，其中低速冲击会造成材料内部分层失效，严重削弱其承载能力，而抗高速冲击性能是评估复合材料风扇机匣包容性的重要指标。因此，开展高、低速冲击和冲击后压缩（compression after impact，CAI）性能的研究对提高复合材料构件可靠性和包容性具有重要意义。大量的研究表明，复合材料平板的高速冲击响应和损伤过程受冲击速度^［5］、冲头质量及形状^［6］、平板铺层方案^［7-8］等因素的影响。Villanueva等^［7］和Kim等^［8］的研究均表明，相比于单向铺层复合材料，二维织物铺层复合材料在高速冲击载荷下的分层损伤面积更小，抗冲击能力更好。二维三轴编织复合材料由两根纤维束分别以±60°的方向绕0°的轴向纤维束周期性交织穿插而成，复杂的编织结构给材料的冲击性能研究带来了困难，目前针对二维三轴编织复合材料冲击性能的研究主要来自美国A&P技术公司、NASA格林研究中心和美国Arkon大学。Griffiths^［9］的研究结果表明，二维三轴编织复合材料有效抵抗了层间分层，限制了损伤的大面积扩展。Roberts等^［10］采用明胶弹对二维三轴编织复合材料平板进行了高速冲击实验，发现初始损伤是靶板背弹面中心区域的纤维拉伸断裂，随后裂纹沿±60°方向快速扩展，冲击造成的损伤面积仅稍大于初始撞击区域面积。随后，Cheng^［11］通过实验研究了编织角对二维三轴编织复合材料软体冲击临界穿透速度的影响。在国内，赵振强^［12］的研究表明，二维三轴编织复合材料同样对硬物的高速冲击表现出了良好的抗冲击和止裂特性，破坏区域集中在撞击点周围。Liu等^［13］采用钛合金圆柱弹体冲击二维三轴编织复合材料平板，分析了其在高速冲击载荷下的破坏模式。

区别于高速冲击，低速冲击造成的损伤通常难以发现，目视不可见的损伤可能导致复合材料突然和灾难性的失效。在低速冲击中复合材料板的损伤形态随着冲击能量的提升而改变，沈真等^［14-15］的研究发现冲击凹坑深度和冲击能量之间的关系曲线有明显的拐点，并提出用拐点附近的剩余压缩强度值表征复合材料的损伤容限。王心淼等^［16］通过落锤冲击实验研究了多轴向机织复合材料的低速冲击损伤特性，发现斜向纱的引入可增强其承载能力和能量吸收。Yu等^［17］的实验结果同样表明，纤维束在空间中的交织提升了机织复合材料的损伤阻抗。刘鹏等^［18］基于红外热成像技术研究了二维三轴编织复合材料的抗低速冲击性能和剩余压缩强度。

作为一种具有潜力、易于实现自动化的编织复合材料，二维三轴复合材料因其良好的止裂能力在航空发动机上得到了应用，但复杂的编织结构给其性能的研究带来了挑战，开展高、低速冲击性能的综合研究对提高航空发动机构件的可靠性和包容性具有重要意义。本工作分别开展二维三轴编织碳纤维复合材料在不同冲击能量下的高、低速冲击实验，采用超声C扫描表征和对比分析分层损伤情况。然后，对低速冲击后的试样开展CAI实验，结合数字图像相关技术（digital image correlation，DIC）采集试样表面的应变分布。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料制备

二维三轴编织结构由两根偏轴纤维束分别沿±60°方向绕轴向纤维束周期性交织穿插而成，如图1所示，其中轴向纤维束沿0°方向，对应编织复合材料的轴向方向，将面内垂直于轴向的方向定义为横向方向。本实验中的二维三轴编织复合材料由10层二维三轴织物堆叠而成，厚度为5 mm，编织物预制体采用T700碳纤维束（购自威海拓展纤维有限公司）编织而成，采用树脂传递模塑（resin transfer moulding， RTM）工艺增韧固化，将碳纤维预制体铺敷在模具中，在模具温度达到50 ℃左右时，将环氧树脂LT5078（购自惠柏新材料科技（上海）股份有限公司）以0.1 MPa的压力注入闭合模具，完成充模，80 ℃下固化2 h。固化结束后待温度降至室温脱模，得到二维三轴编织碳纤维复合材料平板，碳纤维体积分数为58.37%。

1.2 实验方法

1.2.1 低速冲击实验

低速冲击实验和冲击后压缩实验分别参照标准ASTM D7136和ASTM D7137进行。低速冲击实验在Instron 9250HN试验机上进行，采用直径为16 mm、质量为5.6 kg的半球形钢头对试样施加冲击载荷，冲击试样由尺寸为100 mm×150 mm的矩形夹具夹持边缘，有效冲击区域为75 mm×125 mm，实验设置如图2所示。本工作选取的冲击能量为3.3 J/mm和6.7 J/mm，实验过程中分别采用载荷传感器和位移传感器记录冲击力和时间、位移的关系等数据。

1.2.2 冲击后压缩实验

低速冲击实验结束后，采用超声C扫描仪对冲击后试样进行无损检测。随后，采用ASTM D7137标准推荐的夹具约束冲击后的试样，在PLD/250 kN电液伺服动静实验机上进行压缩实验，加载速率为2.5 mm/min。采用DIC技术采集试样冲击背面的位移场和应变场，在试样表面喷涂白色底漆和黑色散斑，结合大恒工业相机拍摄试样表面，采集频率为2 Hz，相关实验装置如图3所示。由于二维三轴编织复合材料机匣在制造时，首先在编织机上将碳纤维束编织成0°与±60°结构的编制筒，然后通过芯轴的转动将编织筒缠绕在预设的机匣形状上，材料的轴向（0°纤维方向）为机匣的周向，横向为机匣的轴向。在服役过程中，机匣的轴向为主要承载方向，因此本文中的冲击后压缩载荷沿二维三轴编织复合材料的横向引入。为了对比冲击后的剩余压缩强度，本工作参照标准ASTM D6641对二维三轴编织复合材料开展了压缩实验，得到其横向平均压缩模量为39.74 GPa，平均压缩强度为325.78 MPa。

1.2.3 高速冲击实验

为研究二维三轴编织复合材料的包容性，采用空气炮系统进行弹道冲击实验，如图4所示。复合材料平板通过四周固支的方式夹持，有效冲击区域为200 mm×200 mm，为保持弹体冲击姿态，靶板与出弹口距离约为205 mm。采用尺寸为50 mm×50 mm×6 mm，质量约为（65±1） g的长方体钛合金弹片冲击复合材料平板，并通过3D打印弹托固定。在航空发动机机匣的包容性问题中，考虑到飞断叶片的质心速度，本工作在130~200 m/s范围内选取3种不同的冲击速度进行实验，为了记录弹片在实验过程中的冲击姿态和冲击速度，在平板的前方、侧方各放置一台高速摄像机，拍摄频率为30000 帧/s。高速冲击实验结束后，采用超声C扫描对复合材料平板进行检测，获取3种冲击速度下平板的损伤形态和面积。

2 结果与分析

2.1 低速冲击特性

图5（a）所示为3.3 J/mm和6.7 J/mm冲击能量下二维三轴编织复合材料的冲击力-时间曲线，材料在两种冲击能量下的反作用力峰值分别为9.90 kN和14.33 kN。整个冲击过程大致可以分为3个阶段，在初始加载阶段，冲头与试样接触，载荷随时间的增加而增大，试样处于弹性变形阶段；随着冲击时间增加，载荷上升趋势变缓，在这一阶段，二维三轴编织复合材料出现第一次载荷骤降，表明复合材料内部产生纤维/基体界面开裂、层间开裂等初始损伤，之后载荷以波动形式继续增大，在6.7 J/mm的冲击能量下，二维三轴编织复合材料在冲击接触时间为1.75 ms时，载荷达到峰值，随后骤降至9.58 kN，此时材料内部结构产生基体开裂、纤维断裂，分层损伤急剧扩展；然后进入卸载阶段，冲击力-时间曲线平稳下降，直至冲头与试样完全分离。

图5（b）为两种冲击能量下二维三轴编织复合材料的冲击力-位移曲线。两条曲线在加载阶段斜率非常接近，随着试样损伤的萌生，载荷波动达到峰值后开始下降，在两种能量下试样加载点位移的峰值分别为3.09 mm和4.71 mm，且在卸载段都产生了不同程度的残余变形。

分别对两种能量冲击后的试样进行超声C扫描检测，得到的损伤分布如图6（a）所示。在3.3 J/mm的冲击能量下，x轴向和横向分布相对均匀，损伤区域沿轴向和横向的尺寸相差不大；在6.7 J/mm的冲击能量下，材料的损伤明显向轴向扩展。由图6（b）可知，当冲击能量由3.3 J/mm增大至6.7 J/mm时，损伤面积接近等比例增大，但能量吸收量增大了约2倍。在较低的冲击能量下，复合材料的损伤以分层为主，随着冲击能量提升，复合材料内部出现大量的纤维断裂损伤，相比于分层，这种损伤失效模式吸收的能量更多。

2.2 冲击后压缩强度（CAI）

二维三轴编织复合材料在3.3 J/mm和6.7 J/mm两种冲击能量下的冲击后压缩应力-应变曲线和破坏前的压缩应变云图分别如图7所示，两种能量冲击后试样的压缩应力-应变曲线总体仍旧呈现线弹性和脆性断裂的特征。由表1可知，在3.3 J/mm的冲击能量下，复合材料的强度损失了约18.91%，当能量增大至6.7 J/mm时，材料的剩余强度仅为无损压缩试样的一半。倾斜的斜向纱在压缩载荷的作用下产生了附加弯矩，挤压纤维束交织区域的树脂，在试样表面形成了沿轴向分布的高应变带。如图7（b-1）所示，在3.3 J/mm的冲击能量下，冲击点周围的树脂开裂、分层，冲击试样表面形成了局部的应变集中。如图7（b-2）所示，在6.7 J/mm的冲击能量下，试样表面没有产生规律的应变带，冲击点周围区域的应变集中现象更加显著，这主要是由于材料内部产生了纤维断裂等严重的损伤失效，同时分层失效区域增大，破坏了应力在编织结构中的传递路径，大幅度降低了材料的承载能力。

图8为二维三轴编织复合材料在3.3 J/mm和6.7 J/mm两种冲击能量下的冲击后压缩失效形貌。两种试样的断裂形貌基本一致，以斜向纤维束的断裂和开裂为主要失效模式，两根斜向纱交织区域的树脂在附加弯矩的作用下开裂损伤，导致斜向纱失去支撑发生断裂，因此试样的断口沿斜向纱的交织区分布。

2.3 高速冲击特性

钛合金弹体分别以138.5，153.4，176.3 m/s的速度入射二维三轴编织复合材料平板，其冲击后试样的照片如图9所示。在138.5 m/s的入射速度下，弹体刚好嵌入平板，平板背面的纤维在拉伸和弹体冲击剪切作用下断裂失效，因此可以认为138.5 m/s基本接近二维三轴编织复合材料的弹道极限；当入射速度超过弹道极限时，平板在应力波的作用下分层开裂，层内纤维和基体在弹体的冲击剪切作用下断裂挤出，导致背弹面的纤维受拉伸作用产生断裂失效，随后弹体穿透平板形成撕裂断口；随着入射速度进一步增大，靠近背弹面且已经变成薄层的材料在弹体的带动下以一定的速度向后运动，最终部分铺层在分层根部区域折断脱落，形成炸裂形的损伤，同时，从根部折断飞出的平板冲击产物也会带走相应的动能。

图10所示为3种入射速度下二维三轴编织复合材料平板的超声C扫描图像。平板内部出现大面积分层损伤，损伤区域面积在弹道极限速度下最大，当弹体的入射速度超过弹道极限时，损伤区域面积随速度增大而减小，如图11所示。在弹道极限速度下，弹体刚好嵌入平板，冲击能量几乎全部被二维三轴编织复合材料吸收，转化为纤维束断裂、分层等损伤和平板的塑性变形，因此损伤区域的面积最大。分层损伤由冲击应力波在平板中的传播导致，是二维三轴编织复合材料的主要吸能方式，随着入射速度的增大，弹体的冲击速度与应力波的传播速度间的相对关系发生转变，应力波还没有传递到距离冲击点较远的区域冲击过程就已经结束，因此弹体的剩余动能更高，复合材料平板的损伤区域变小。

3 结论

（1）分层是二维三轴编织复合材料的主要吸能方式，在低速冲击载荷下，损伤面积随冲击能量等比例增大，但能量吸收增大了近2倍。

（2）二维三轴编织复合材料的冲击后压缩应力-应变曲线呈线弹性和脆性断裂特征，倾斜的斜向纱在压缩载荷的作用下产生附加弯矩，导致了以斜向纤维束的断裂和开裂为主的失效模式。在6.7 J/mm的冲击能量下，材料损伤明显向轴向扩展，内部产生了纤维断裂等严重损伤，大幅度降低了材料的承载能力。

（3） 二维三轴编织复合材料的临界穿透速度约为138.5 m/s，其高速冲击破坏模式与冲击速度有关，在较低的冲击速度下，复合材料背弹面的纤维在拉伸作用下断裂，形成撕裂断口，随着冲击速度的增大，背弹面的纤维随弹体运动折断脱落，形成炸裂断口。

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基金资助

江苏省自然科学基金资助项目(BK20220165)