曲面结构碳纤维复合材料冲击性能研究

Study on the impact performance of carbon fiber composites with curved structure

摘要

固体火箭发动机的复合壳体是由树脂基碳纤维复合材料缠绕而成的，然而壳体头部区域由于弯曲应力和应力集中较高，经常发生低压脆性损伤。在液压爆破试验期间，纵向纤维断裂是这个薄弱区域常见的损伤形式。为了加固这个薄弱区域，利用普通材料制作了一个150 mm半径的固体火箭发动机壳头加固件作为研究对象，探讨由平纹和双轴向织物制备的曲面复合材料对低速冲击的力学响应，使用真空辅助成型工艺制备了曲面复合层板用以评估两种结构织物、不同曲率和不同能量对低速冲击的力学响应。结果表明，在15 J的冲击能量下，双轴向结构织物的平均损伤面积是平纹结构织物的54.6%，背面裂纹长度为平纹结构织物的43.8%，凹坑深度为平纹结构织物的82.5%。双轴向结构织物具有更小的整体形态损伤和更好的抗冲击性能。此外，对于不同曲率的双轴向结构织物，在相同能量冲击作用下，整体损伤随曲率逐渐增加而减小，曲率结构可以在一定程度上抑制冲击损伤，然而，随着冲击能量的增加，在双轴结构织物范围内会造成更多的损伤，甚至产生穿透损伤。

Abstract

The composite shells of solid rocket motors are wound by resin-based carbon fiber composites, but low-pressure brittle damage often occurs in the head area of the shell due to high bending stress and stress concentration. Longitudinal fiber fracture is a common form of damage in this weak area during hydraulic burst testing. In order to reinforce this weak area, a 150 mm radius solid rocket motor shell head reinforcement made with plain material was used as a specimen. The study aimed to investigate the mechanical response of curved composite material prepared from plain and biaxially oriented fabrics to low-velocity impact. Curved composite laminates were prepared using a vacuum-assisted molding process to assess the mechanical response of two structural fabrics, different curvatures, and different energies to low-velocity impacts. The results indicate that under an impact energy of 15 J, the average damage area of biaxial structure fabric is 54.6% of that of plain structure fabric. The back crack length is 43.8%, and the crater depth is 82.5% of that of plain structure fabric. Biaxial structure fabric has less overall morphological damage and better impact resistance than plain structure fabric. Moreover, for biaxial structure fabric with different curvatures, overall damage decreases when curvature gradually increases under the action of the same energy impact. The curvature structure can inhibit impact damage to a certain extent. However, as impact energy increases, more damage is caused within the biaxial structure fabric range, even producing penetration damage.

Graphical abstract

关键词

曲面复合材料 / 碳纤维 / 头部加固件 / 低速冲击

Key words

curved composite material / carbon fiber / head reinforcement / low velocity impact

复合材料具有重量轻、强度大、模量高、耐高温、耐腐蚀及抗疲劳的优良性能，不仅广泛应用于卫星运载火箭、战术导弹飞机、宇宙飞船等航空航天尖端领域，还应用于船舶、高速列车及汽车制造等民用领域。在军工企业实际生产中常用平纹碳纤维复合材料(CFRP)作为封头补强复合材料增强体，与传统的壳体封头复合材料Kevlar49纤维相比，碳纤维复合材料的比模量高1.5~4倍。碳纤维树脂基复合材料压力容器的容积特性系数(PV/W)达到41~50 km，因此，碳纤维以及碳纤维复合材料在先进武器固体火箭发动机壳体上得到更广泛应用，成为新型固体导弹发动机壳体的首选材料^[1-2]。然而，套管的水力爆破试验以及其他服役过程表明，头部区域已成为套管损坏的主要位置^[3-6]。壳体封头材料主要包括玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等。其中，使用的碳纤维复合材料主要有平纹碳纤维织物、碳纤维束、预浸料等，较少使用双轴向碳纤维织物^[7]，此外，头部加强研究主要采用平板复合材料层合板试验、壳体水动爆破试验和有限元模拟，而对头部加强结构的研究较少。较少采用曲面复合材料进行研究和仿真，虽然壳体水压试验能够较好地从宏观上反映壳体承载能力以及壳体损伤部位的情况，但是缺乏对壳体头部损伤机理分析的精细描述，同时试验成本消耗较大。

对于不同曲率的树脂基复合材料的制备，采用的方法有手糊成型、树脂转移成型、模压成型、缠绕成型等。例如，李晓英^[8]采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了不同曲率的复合材料，并对其低速冲击性能和残余压缩强度进行了研究，结果表明，材料越弯曲，低速冲击试验中的增益效应越突出，横向压缩时的残余压缩强度也越大。孙奋丽等^[9]通过模压热固性预浸料制备了复合材料层合板，发现最佳树脂含量为38%，此时制备的复合材料拉伸强度达到520.18 MPa，冲击韧性为32.35 J/cm²。Früh等^[10]研究的多级纤维缠绕(MSFW)方法可以实现复杂几何形状轻质纤维复合材料的可持续生产。

复合材料产品在使用过程中不可避免地受到外部冲击、自由跌落、倾覆等瞬态作用，这些瞬态作用使复合材料产品在强度和性能稳定性方面出现问题甚至失效。因此，有必要对冲击效应进行研究，利用冲击效应的规律对产品进行设计，提高产品的性能。基于冲击试验准则，可将冲击分类为落锤冲击、摆锤冲击（简支梁冲击和悬臂梁冲击）等^[11]。Sun等^[12]制备了不同类型的混杂层合板，并基于落锤试验准则进行了低速冲击试验。研究发现，与芳纶纤维复合材料层合板相比，碳纤维复合材料层合板具有最高的峰值接触力。Caminero等^[13]研究了CFRP层合板的厚度和铺层顺序，发现层合板的抗冲击性能随着冲击能量的增加而降低，随着层合板厚度的增加，吸收的能量逐渐减小，变形量变大。Kao等^[14]对由聚乳酸和聚氨酯泡沫制成的具有三明治结构的复合材料进行了低速冲击试验，结果表明，小模量的聚合物有助于提高复合材料的冲击性能。孙杰等^[15]对CFRP层合板的抗冲击和损伤容限性能进行了试验研究，得出冲击过程中冲击能量被吸收或转化，层合板分层阈值与冲击能量无关，而与材料有关，Bhoominathan等^[16]对CFRP层合板的冲击剩余强度进行了冲击后弯曲试验，发现CFRP层合板的剩余弯曲强度随着冲击能量和温度的升高而逐渐降低。其他学者的曲面复合材料冲击试验，建立相应的低速冲击模型进行验证，做出同样的理论预测。通过分析不同能量下的冲击损伤和冲击后的损伤形貌，得出具体的损伤形式受能量大小、曲率以及分层织物角度和厚度的影响，且曲面复合材料的侵彻能量更高^[17-18]。

基于壳体封头存在的上述问题，采用一种双轴向碳纤维织物，对比研究普通碳纤维织物，制备不同曲率的复合材料层合板，从增强体结构、曲率、冲击能量的角度研究该复合材料的低速冲击性能，为优化壳体封头增强体、预测曲面复合材料的力学性能补充数据理论。

1 材料与制备

1.1 试验材料

选取碳纤维双轴向(0°/90°)经编结构织物和碳纤维平纹结构织物作为增强体材料（安庆卡芙新材料科技有限公司提供），两种不同结构的碳纤维织物部分参数如表1所示。

平纹织物因其均衡的经纬向性能，广泛应用于航空航天、汽车工业和体育器材等领域中。经编双轴向织物因其出色的强度和模量，在船舶工业、风力发电、桥梁建筑等领域中广泛应用。

碳纤维平纹结构织物的纤维束处于上下起伏的状态，纤维弯曲点较多，同时由于经纬纱交织点处纤维束的滑动出现眼孔，故平纹结构的碳纤维织物在异形结构成型时出现黏合不良的现象。而碳纤维双轴向(0°/90°)经编结构织物，利用经编组织结构将纱线层沿厚度方向捆绑在一起，形成整体织物结构。该结构可以在经纬方向和其他方向铺放平行无捻丝束，避免机织结构中存在的纱线交结、弯曲等引起的应力集中现象。双轴向经编织物具有准各向同性和良好的树脂导流性、浸润性，成型性能优异，可制备超薄、超厚的平面或曲面复合材料。

基体材料选择双组分透明环氧树脂AB胶（深圳市郎搏万先进材料有限公司提供），其中环氧树脂(NO.1-692-2A)及固化剂(NO.1-692-2B)的配比质量分数为100∶30，部分性能参数如表2所示。

1.2 复合层板制备

使用PROE5.0建立不同曲率曲面的实体模型，然后使用Anycubic/纵维立方3D打印机（由Anycubic 3D打印机官方商店提供）将光敏树脂添加到打印模具中，打印完成后使用Mono光固化成型，不同曲率的低速冲击模具如图1所示。

完成不同曲率模型制备后，采用真空辅助树脂传递模型(VARTM)工艺制备复合材料，确保复合材料厚度均匀，无表面损伤。VARTM成型系统如图2所示。

1.3 低速冲击试验

根据《纤维增强聚合物基复合材料落锤冲击试验方法》(ASTM D 7136/D 7136M—20)进行试验，如图3所示。图3中左侧为落锤低速冲击试验机，右上为试样夹持及冲击区域，右下为冲击试样。采用落锤冲击试验机对复合材料层合板进行低速冲击试验，冲头选择为半球形，直径为12.7 mm，冲击试验方案参数如表3所示。试验时，对复合材料试件施加一次冲击载荷，记录试件破坏时单位横截面积吸收的能量，通过力-时间、能量-时间等力学曲线分析得到试样的抗冲击性能。

根据试样的平均厚度确定冲击能量，平纹结构复合材料平均厚度为1.99 mm，双轴向结构复合材料平均厚度为2.23 mm，根据式(1)得到冲击能量为13.3 J和14.94 J，取平均值14.12 J，因此，确定冲击能量为15 J并设置三个梯度冲击能量，以10、15、25 J为研究对象。冲击能量由式(1)确定：

E=C_E\times h(1)

式中：E为下落前冲击头的势能，J；C_E 为规定的冲击能量与试件厚度之比，6.7 J/mm；ℎ为试件名义厚度，mm。

如表3所示，依据曲率、增强体织物结构和冲击能量依次编号，如Bp8J2，代表曲率为B，织物为p8，受到J2能量的冲击。

2 结果与分析

2.1 不同增强体对复合材料低速冲击性能的影响

以15 J冲击能量对曲率150 mm的8层平纹复合材料和双轴向复合材料进行低速冲击，研究两种不同织物对低速冲击的力学响应。

图4(a)为两种复合材料的接触力-时间曲线，曲线存在一个上升区域和一个下降区域。曲线初始阶段的斜率基本保持一致，力随时间增加达到最大载荷，随后开始下降，表明力随时间推移而减少。平纹复合材料曲线在峰值区域出现波动，存在三个峰值载荷，可认为是平纹组织相互交织的结构使得冲击载荷作用下，局部应力集中和接触位置的部分纤维断裂。双轴向结构复合材料存在一个峰值载荷，达到最大载荷后力便开始下降，表明当受到冲击时，双轴向结构复合材料中的纤维能够快速传递应力，通过基体与纤维共同承担接触力，从而达到极限载荷时间晚于平纹碳纤维复合材料，而极限载荷却大于平纹碳纤维复合材料。结果表明，双轴向结构织物比平纹结构织物具有更高的抗冲击损伤能力和更好的韧性。

图4(b)为两种结构织物的吸收能量-时间曲线。从图中可以看出，两层合板的曲线基本相似，能量随时间增加达到最大冲击能量，在此过程中没有能量耗散。当能量达到最大值后，由于试样发生纤维断裂和损伤，能量开始随时间减少，经过一定时间后，能量的吸收过程结束，吸收的能量在30%左右。由于冲击能量设置较低，没有完全破坏弯曲层合板，因此吸收的能量较少。

2.2 不同曲率对复合材料低速冲击性能的影响

以双轴向结构复合材料为例，设置冲击能量15 J进行冲击试验，研究不同曲率复合材料力学性能响应。

如图5(a)所示为四组试样的接触力-时间曲线。在达到最大接触力前，曲线呈线性变化，其中由A至D曲率逐渐减小直至平板。达到最大载荷后，C、D两组曲线载荷急速下降直至为0，A、B则急速下降一定时间后开始缓慢下降，由此可知，曲率的变化对层合板的接触力-时间曲线有着很大影响。随着曲率的减小，接触力响应先减小后增大，而后再减小。Db8J1组的力学响应更有规律，归因于层合板不受曲率影响使得层板中纤维束伸直排列，从而使其在受到载荷冲击时产生了更直接的传递效应。同时仅在Db8J1组曲线观察到两个波峰，第一个波峰是在冲头直接接触的瞬间产生的，在此之前层合板未受到损伤，随着载荷和层合板受损导致承载力下降而出现第二个峰值，其出现是由于继续加载情况下，第一个峰值产生的局部应力集中现象消退，复合材料的负载能力下降，接触力出现波动，载荷继续传递，故接触力不断增大，直至发生破坏。

在图5(b)中，从曲线的斜率可以观察到，在低速冲击过程中，快速能量响应随着曲率的减小而减小，而快速能量吸收随着曲率半径的增大而减小。在冲击能量为15 J时，从最大能量产生到能量吸收结束的曲线与时间轴保持平行，能量吸收率的大小随曲率半径的增大而增大。值得一提的是，平板对低速冲击的力学响应主要受纤维束材料本身性质的影响，而弯曲层合板的力学响应则同时受纤维束性质和曲率的影响。

2.3 不同能量对复合材料低速冲击性能的影响

选择曲率半径为150 mm的双轴向经编碳纤维复合材料，以10、15、25 J能量分别冲击双轴向经编碳纤维复合材料，研究不同冲击能量对双轴向经编复合材料力学性能的影响，如图6所示。

图6(a)为不同冲击能量下试样的接触力-时间曲线。当冲击能量为10 J时，试样未被冲头穿孔，曲线在整体上呈现出平滑的轴对称图形，即存在一个上升区域和一个下降区域。首先，力随时间线性上升直至达到最大载荷，然后，在下降区域力随时间推移而减少。当冲击能量较小时，层板以弹性变形为主，试样未出现较为严重的纤维断裂损伤，图像中也未发现载荷力骤降的现象。当冲击能量为15 J时，曲线不再呈现为平滑的轴对称，说明在此冲击能量下试样出现了一定程度上的纤维拉伸断裂、纤维分层和基体裂纹。当冲击能量为25 J时，可以从图中观察到载荷力经历线性上升至最大值、随时间突然下降再上升、最后下降的三个阶段，曲线表明，试样此时出现严重的纤维断裂破坏，层板存在部分穿透或完全穿透。

如图6(b)所示，不同冲击能量下的吸收能量-时间曲线具有相似的变化趋势。在低速冲击过程中达到最大接触能之前，弯曲层合板表现出能量吸收的线弹性规律。此外，曲线的斜率随着冲击能量的增加而增加，表明弯曲层合板对更高水平的冲击能量响应更快，但超过最大接触能后，更高的能量水平更容易造成纤维拔出、损伤，甚至断裂，因此，能量曲线下降得更快。

2.4 复合材料损伤形貌分析

2.4.1 不同增强体复合材料低速冲击损伤形貌分析

选用日本Keenes VR5200型表面轮廓仪对低速冲击后的织物进行无损扫描，捕捉损伤后的表面轮廓和粗糙度，测量损伤后凹坑深度。通过对比分析损伤区域，研究了不同织物对低速冲击的力学响应。

图7表明，在相同冲击能量下，双轴向结构织物和平纹结构织物沿冲击方向均出现一定凹陷形态的冲击表面发白和裂纹扩展现象，两种织物的背面均出现纤维断裂。由于冲击能量较小，层合板具有一定的抗冲击能力，冲头没有穿透层合板，能量集中于冲头冲击区域，同时能量被传递扩大到背面。

2.4.2 不同曲率复合材料低速冲击损伤形貌分析

图8为不同曲率双轴向织物在相同冲击能量下的损伤形貌。从图中可知，与具有曲率的双轴向结构织物相比，冲击后Db8J1结构织物两侧的纤维束断裂更加明显，这表明弯曲结构复合材料抵抗低速冲击的能力增强，但损伤表面积随着曲率半径的减小而增大。与平面结构织物相比，具有弯曲结构的双轴向结构织物具有更好的承载能力，可以在更薄的厚度上承受更大载荷。然而，损伤表面积随着曲率半径的减小而逐渐增大，表明曲率半径达到一定值后，对曲率结构和材料本身性能的促进作用转变为对曲率结构和材料本身性能的抑制作用，导致整体力学性能下降，承载能力减弱。

2.4.3 不同能量下复合材料低速冲击损伤形貌分析

图9所示是曲率半径为150 mm的双轴向结构织物在不同冲击能量下的损伤轮廓。随着冲击能量的增加，复合材料的损伤表面积也逐渐增加。在10 J的冲击能量下，只有层合板的冲击面表现出一定的损伤。此时，层合板损伤面积最小，仅在冲击区中部出现白化区域，冲击变形在弹性范围内，背面几乎没有裂纹发白，这表明较少的能量被转移到背部。在15 J冲击能量下，层合板两侧均出现不同程度的损伤，背面纤维束有断裂拔出。在25 J的冲击能量下，层合板两侧出现贯穿损伤，冲击面出现大裂纹，背面纤维凸起断裂。

这些结果表明，当一定厚度的碳纤维织物受到冲击能量大于其抵抗变形的强度时，就会发生贯穿损伤。然而，由于冲头尺寸限制和损伤主要向后侧传递和扩展，前侧损伤区域不会扩散太多。双轴向结构层合板中纤维束平行、平直排列，并通过绑扎纱线连接在一起，这在一定程度上避免了双轴向结构层合板向平纹结构层合板出现裂纹周围区域的扩展，并导致冲击能量在冲击部位聚集和层合板局部区域出现纤维断裂、裂纹扩展、贯通孔洞等严重破坏现象。

3 结论

复合材料在使用过程中往往具有一定的曲率，研究其力学性能不仅有实际应用意义，还可以为设计曲面场景下的复合材料提供数据。曲面复合材料也会受到不同程度的冲击从而造成内部损伤，降低其承载能力，因此，研究曲面复合材料及其对低速冲击的力学响应是十分必要的。

本研究中，重点以固体火箭发动机壳体封头加固为工程应用背景。通过研究平纹结构层合板在服役过程中的冲击力学性能，并将其与制备成曲面复合材料的双轴向结构层合板进行对比，以评估其对低速冲击的力学响应，旨在为固体火箭发动机壳体封头增强材料的选择提供对比数据，主要结论如下：

1) 对比两种不同结构织物制备的曲面复合材料低速冲击力学性能，进行了能量为15 J的冲击试验，双轴向结构织物的最大冲击载荷比平纹结构织物提高了23%，双轴向结构织物在最大载荷时的挠度变形比平纹结构织物提高了12%，说明双轴向结构织物具有更高的抗冲击损伤能力和更好的韧性，两种结构织物均表现出内部损伤面积大于低速冲击造成的表面损伤面积。当冲击能量传递到背面时，基体和纤维表现为拉伸断裂损伤，虽然冲击表面没有明显的凹坑，但在弯曲复合材料层合板的背面观察到了凸起的裂纹。

2) 选取不同曲率的双轴向结构织物，进行能量为15 J的冲击试验。结果表明，不同曲率导致双轴向结构织物的承载能力存在差异。当曲率逐渐增大到一定值时，双轴向结构织物的弯曲结构开始发挥作用，使其能够承受更大的载荷，减少损伤面积。曲面结构可以在一定程度上抑制冲击损伤，在一定范围内，曲率越大，损伤抑制能力越强。

3) 选取曲率半径为150 mm的双轴向结构织物，进行了能量等级递增的冲击试验。结果表明，随着能量水平的增加，双轴向结构织物的整体损伤增加，当冲击能量超过层合板抵抗变形的强度时，就会产生贯穿性损伤，但由于冲头尺寸一定，且损伤主要向后侧传递和扩展，正面损伤区域并没有扩散太多。

参考文献

[1] 张德刚, 陈纲. 碳纤维树脂基复合材料在防空导弹上的应用[J]. 现代防御技术, 2018, 46(2): 24-31, 164.

[2] ZHU M M, MIN L, QING W, et al. Effect of processing temperature on the micro-and macro-interfacial properties of carbon fiber/epoxy composites[J]. Composite Interfaces, 2014, 21(5): 443-453.

[3] CRAVEN R, GRAHAM D, DALZEL-JOB J. Conceptual design of a composite pressure hull[J]. Ocean Engineering, 2016, 128: 153-162.

[4] 耿宇欣, 强洪夫, 王路仙. 复合材料壳体封头补强技术研究[J]. 纤维复合材料, 2007, 24(4): 23-26.

[5] LIU C, SHUICHI T, CHEN Y T. Reliability analysis on solid rocked engine vessel[J]. International Journal of Earth Sciences and Engineering, 2017, 10(2): 354-357.

[6] 袁松, 翟建广, 张斌, 等. 纤维增强热塑复合材料高压容器制备工艺[J]. 上海工程技术大学学报, 2019, 33(2): 102-105.

[7] 李莹新, 莫纪安, 王秀云, 等. 固体火箭发动机壳体复合材料研究进展[J]. 航天制造技术, 2020(4): 65-69.

[8] 李晓英. 三维横编间隔结构曲面复合材料制备及低速冲击性能[D]. 无锡: 江南大学, 2019.

[9] 孙奋丽, 郭平安, 边翊, 等. 热固性预浸料模压成型工艺参数实验研究[J]. 锻压技术, 2021, 46(3): 146-150.

[10] FRÜH N, KNIPPERS J. Multi-stage filament winding: integrative design and fabrication method for fibre-reinforced composite components of complex geometries[J]. Composite Structures, 2021, 268: 113969.

[11] 许燕杰, 赵一权. 复合材料中高速与低速落锤冲击对比分析[J]. 工程技术研究, 2021, 6(17): 133-134, 139.

[12] SUN Y, TANG M Y, RONG Z J, et al. An experimental investigation on the low-velocity impact response of carbon-aramid/epoxy hybrid composite laminates[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2017, 36(6): 422-434.

[13] CAMINERO M A, GARCÍA-MORENO I, RODRÍGUEZ G P. Damage resistance of carbon fibre reinforced epoxy laminates subjected to low velocity impact: effects of laminate thickness and ply-stacking sequence[J]. Polymer Testing, 2017, 63: 530-541.

[14] KAO Y T, AMIN A R, PAYNE N, et al. Low-velocity impact response of 3D-printed lattice structure with foam reinforcement[J]. Composite Structures, 2018, 192: 93-100.

[15] 孙杰, 赵娟, 卢凯文. 环氧基CFRP冲击性能及损伤容限性能研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2022, 45(1): 114-121.

[16] BHOOMINATHAN R, VELLAYARAJ A, THOMPSON A, et al. Residual strength estimation of CFRP laminates subjected to impact at different velocities and temperatures[J]. Polymer Composites, 2017, 38(10): 2182-2193.

[17] BABA B O. Curved sandwich composites with layer-wise graded cores under impact loads[J]. Composite Structures, 2017, 159: 1-11.

[18] ARACHCHIGE B, GHASEMNEJAD H, AUGOUSTI A T. Theoretical approach to predict transverse impact response of variable-stiffness curved composite plates[J]. Composites Part B-Engineering, 2016, 89: 34-43.

基金资助

全国大学生创新创业训练计划项目(202310128007)