復合材料Z-pin的壓縮試驗研究

王曉旭， 陳 利

(天津工業大學復合材料研究所教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300160）

復合材料Z-pin的壓縮試驗研究

王曉旭， 陳 利

(天津工業大學復合材料研究所教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300160）

通過三種復合材料Z-pin的軸向壓縮試驗，觀察了各Z-pin的壓縮行為，分析了三種復合材料Z-pin在不同長度時的極限應力及其失效形式。結果表明，直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin的壓縮性能最好，其各長度Z-pin所能承擔的極限應力都較大。直徑0.28mm的碳纖維Z-pin易發生失穩現象，芳綸纖維Z-pin在壓縮力的作用下，接觸端容易受到破壞。兩種碳纖維Z-pin臨界應力的理論值與試驗值吻合較好，但芳綸纖維Z-pin的臨界應力的試驗值比理論值偏低。

Z-pin;復合材料;壓縮試驗;臨界應力

Z-pin增強技術是一種能夠提高復合材料層間性能的新技術，主要用于層合復合材料和泡沫夾層復合材料［1～4］。該技術是在未固化的預浸料或泡沫夾層材料的厚度方向植入具有一定剛度的細棒，這種細棒稱為Z-pin或pin。Z-pin材料可以用不銹鋼、鋁合金和鈦合金等金屬材料，也可以用高性能纖維增強樹脂的復合材料，直徑為0.50mm和0.28mm的最為常見［1，5～7］。研究表明 Z-pin 能夠顯著提高復合材料的層間斷裂韌度，損傷容限和搭接強度［5～12］。此外還因其成本較低，能夠制備大型的復合材料等優點，美國已將此技術用于制造F/A-18超級大黃蜂戰斗機，一級方程式賽車和聯合攻擊戰斗機［13，14］。Z-pin增強技術可分為兩大類，一類是單根植入式，就是將一根根Z-pin分別植入未固化的層板里。另外一類是整體植入式，將若干Z-pin同時植入到層板中，例如美國Aztex公司的超聲波輔助植入技術(Ultrasonically Assisted Z-fiber insertion，UAZ）［1～3，15］。在 Z-pin 增強技術中，無論是哪種方法都需要對Z-pin施加一定的壓力才能將其植入層板或泡沫等材料中，壓力過小不能順利地進入材料內部，而壓力過大會對Z-pin造成損傷，尤其是單根植入式的方法，需要夾持一定長度的Z-pin來完成植入動作，若Z-pin的長度過長，在較小的壓應力下將會導致失穩現象。

目前，國內外對Z-pin增強復合材料的性能研究較多［8～14，16～19］，而對 Z-pin 增強技術的工藝及 Z-pin本身的性能還沒有清楚的認識，我國對Z-pin增強技術的工藝設計還處于初級階段，明確Z-pin的壓縮行為是Z-pin增強工藝設計的基礎。本工作對兩種直徑的碳纖維Z-pin和芳綸纖維Z-pin進行了軸向壓縮試驗，測量Z-pin在不同長度時所能承擔的極限應力，觀察各種Z-pin在軸向壓縮過程中的形態變化及失效形式，表征不同長度復合材料Z-pin的壓縮性能。

1 試驗材料與方法

復合材料Z-pin的制備通過拉擠工藝實現，由于Z-pin的直徑與傳統拉擠材料直徑的差別較大，我們對傳統的拉擠工藝進行了改進，將成型模具從升溫裝置中獨立出來，工藝流程如圖1所示。增強材料分別為T300 3k碳纖維、T300 1k碳纖維和 Kevlar49 158tex的芳綸纖維，樹脂為TDE-86環氧樹脂，制得的三種復合材料Z-pin的相關參數如表1所示。

圖1 復合材料Z-pin的拉擠流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of improved pultrusion for composite Z-pins

表1 三種復合材料Z-pin的相關參數Table 1 Parameters of three kinds of composite Z-pins

壓縮試驗方法采用試樣軸向下端夾持，另一端壓頭以勻速施加位移載荷。壓縮試驗設備為島津(SHIMADZU）公司的AGS-J型萬能材料試驗機。為防止Z-pin接觸端滑移，將壓頭中央部位粘貼型號為CW-600的防滑砂紙。加載速率為1mm/min。試驗環境為室溫。試驗夾具如圖2所示，其中L對應值為受壓試樣長度。

2 試驗結果與分析

2.1 Z-pin的壓縮過程分析

2 .1 .1 直徑為0.50mm碳纖維Z-pin的壓縮過程

圖3是直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin各長度試樣壓縮的載荷位移曲線?？梢钥闯觯L度為15mm，20mm和25mm的Z-pin的三條曲線具有相同的特征，在最大載荷前都呈現出了非線性增長。當載荷達到最大值后，隨著位移的增加，載荷緩慢下降，直到試樣破壞。這三種長度的Z-pin都表現為壓桿失穩的現象，當載荷達到其臨界載荷時，Z-pin突然彎曲，不再保持原有的平衡穩定狀態，出現失穩失效，接著Z-pin產生彎曲變形，直到發生劈裂破壞。這三種長度的Z-pin破壞形式相同，破壞時的狀態如圖4a所示。

試樣長度為10mm和6mm碳纖維Z-pin的壓縮載荷位移曲線，其特點與另外三種長度的曲線形式存在較大的差異。其中，長度為6mm的Z-pin載荷呈現出上下波動的現象。這是因為，當載荷達到某一較大值時，Z-pin接觸端的纖維與樹脂之間局部黏結較弱的界面所受應力達到了它的破壞應力，接觸端界面發生局部破壞后應力將重新分配，接著又會造成新的界面破壞現象。曲線的波動是界面的破壞與應力重新分配持續并存的結果，破壞時的狀態如圖4b所示。長度為10mm的Z-pin失效形式比較復雜，載荷在達到最大值后迅速下降，Z-pin受到壓縮產生了輕微彎曲變形后，試樣從軸向迅速折斷，體現了材料失穩和破壞混合的失效形式，如圖4c所示。

圖4 直徑為0.50mm碳纖維Z-pin各長度受壓破壞形式(a）長度為15mm，20mm和25mm;(b）長度為6mm;(c）長度為10mmFig.4 Compression failure modes for carbon fiber Z-pins with diameter of 0.50mm(a）L=15mm，20mm or 25mm;(b）L=6mm;(c）L=10mm

2 .1 .2 直徑為0.28mm碳纖維Z-pin的壓縮過程

直徑為0.28mm，長度為15mm和10mm碳纖維Z-pin與直徑為0.50mm，長度為25mm，20mm，15mm的碳纖維Z-pin的曲線形式和受壓破壞過程相對應;直徑為0.28mm，長度為6mm與直徑為0.50mm，長度10mm的碳纖維Z-pin曲線形式和破壞過程相對應，在此不再多做陳述。

2 .1 .3 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin的壓縮過程

圖5為芳綸纖維Z-pin的壓縮載荷位移曲線，長為15mm的芳綸Z-pin載荷達到最大值失穩失效后，隨著豎向位移的增加，逐漸彎曲，直到發生彎曲破壞。與其他長度相比，長度為15mm的芳綸Z-pin載荷下降的較為光滑，Z-pin徑向并未發現明顯的纖維劈裂的現象，破壞時的狀態如圖6a所示。長度為10mm的芳綸Z-pin，載荷在最大值前發生了波動，可見在其明顯的彎曲變形前，芳綸Z-pin與壓頭接觸端纖維與樹脂的界面已經有一定程度的破壞，其破壞形式除彎曲破壞外，也可看到接觸端有明顯的界面破壞現象，如圖6b所示。長度為6mm的芳綸Z-pin在載荷達到最大值以后，并不呈現明顯下降趨勢，這與直徑0.50mm，長度為6mm碳纖維Z-pin類似，都是受壓Z-pin的接觸端界面發生破壞所致，破壞形式如圖6c所示。

圖5 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin壓縮試驗的載荷位移曲線Fig.5 Compression experimental load-displacement curve for aramid fiber Z-pins with diameter of 0.50mm

圖6 直徑為0.50mm芳綸纖維Z-pin各長度受壓破壞形式 (a）長度為15mm;(b）長度為10mm;(c）長度為6mmFig.6 Compression failure modes for aramid fiber Z-pins with diameter of 0.50mm(a）L=15mm;(b）L=10mm;(c）L=6mm

2.2 極限應力及其對應狀態

將Z-pin在壓縮試驗中所能承擔的最大軸向載荷所對應的橫截面上的正應力稱為極限應力，即載荷位移曲線中載荷最大值所對應的應力。臨界應力是指即將發生失穩的Z-pin的橫截面上的正應力。

表3為各長度復合材料Z-pin的極限應力及其對應狀態(表3中用字母D代表破壞，B代表失穩）。三種復合材料Z-pin隨著試樣長度的增加，極限應力都呈現了隨之降低的趨勢，但是不同長度Z-pin極限應力所對應的狀態并不一致。試樣長度較短時材料易發生破壞，長度較長時易出現失穩的現象。直徑為0.50mm的碳纖維Z-pin各長度的極限應力與另外兩種Z-pin相比都較大，可見，這種Z-pin的抗壓能力最強，因此，其 Z-pin植入工藝的靈活性最好;直徑0.28mm的Z-pin長于10mm時在極限應力狀態都出現失穩現象，因此，Z-pin的植入時應盡量縮短其受壓長度;長度為6mm和10mm的芳綸Z-pin的極限應力值都比較低，且對應狀態為破壞，因此在具體工藝中應防止植入力度過大而造成芳綸Z-pin的接觸端界面受到破壞。

表3 復合材料Z-pin的極限應力(UCS）Table 3 The ultimate compressive stress(UCS）of composite Z-pins

2.3 Z-pin的臨界應力

本研究的壓縮試驗方法為試樣一端夾持固定，另一端受到壓頭壓應力的作用，由于壓頭表面防滑紙提供水平方向上的摩擦力，限制了試樣接觸端的水平滑移，同時Z-pin的接觸端又具有可旋轉的自由度，因此Z-pin的受壓狀態近似于一端固定、一端鉸支的壓桿受壓情形。根據細長壓桿理論歐拉公式，壓桿臨界力的計算公式為:

式中，EI為材料的彎曲剛度，L為壓桿的長度。壓桿在一端鉸支一端固定的約束情況下:

設σcr為臨界應力，則有:

式中D為Z-pin的直徑。聯立式(1），(2）和(3）得到:

對于具體的材料來說K為一常數，則:

可見，壓桿的臨界應力只與長度的平方呈反比，其比例常數由材料本身的性能決定。

為得到Z-pin的彎曲剛度，對Z-pin進行的彎曲性能試驗，采用了三點彎曲的試驗方法。試驗設備為島津公司AGS-J型萬能材料試驗機，加載速率為1mm/min，試驗環境為室溫。直徑0.50 mm碳纖維 Z-pin、直徑0.28mm碳纖維 Z-pin和直徑0.50mm芳綸纖維Z-pin的試驗試樣，分別用 WT50，WT28，WF50表 示。試 樣 長 度 為50mm，跨距為30mm。試樣數量為5件，試驗結果取其平均值。

根據彎曲剛度的計算公式:

式中，EI為彎曲剛度(N·m2）;ΔP為載荷撓度曲線初始直線段的載荷增量(N）;b為跨距(m）;Δs代表與載荷增量對應的跨距中點處撓度增量(m）。

根據各試樣的試驗數據，求得每種Z-pin彎曲剛度的平均值，根據公式(5）計算相應比例常數K的值，得到每種Z-pin臨界應力與長度之間的關系。試驗結果及相對應比例常數K的值見表4。

表4 復合材料Z-pin的彎曲剛度及K的值Table 4 Bending rigidity and the value of K of composite Z-pins

圖7為發生失穩的Z-pin，其臨界應力值與其長度的平方分之一的關系，用 TC50，TC28和TA50代表直徑為0.50mm的碳纖維 Z-pin、直徑為0.28mm的碳纖維Z-pin和直徑為0.28mm的芳綸纖維Z-pin。各離散點代表各種Z-pin不同長度的試驗值，直線上的各點為理論值。從圖中可以看出兩種碳纖維Z-pin臨界應力的試驗值與理論值吻合較好，但芳綸纖維Z-pin的試驗值比理論偏小。

圖7 Z-pin臨界應力理論值Fig.7 Theoretical solutions for the critical stress of composite Z-pins

3 結論

(1）直徑0.50mm的碳纖維Z-pin的壓縮性能最好，各長度能承擔的極限應力都較大。直徑0.28mm的碳纖維Z-pin易發生失穩現象。由于芳綸纖維與樹脂較弱的界面性能，芳綸Z-pin在壓縮作用下，接觸端界面容易被破壞，其所能承擔的極限應力也較低。因此，在Z-pin增強的植入工藝中，應防止碳纖維Z-pin失穩后的劈裂破壞，對于直徑為0.28mm碳纖維Z-pin應盡量縮短其受壓長度。芳綸Z-pin應避免施加過大壓力而造成接觸端的破壞。

(2）產生失穩的兩種碳纖維Z-pin臨界應力的理論值與試驗值吻合，但芳綸Z-pin臨界應力的試驗值比理論值偏低。

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Experimental Studies on Compressive Properties of Composite Z-pins

WANG Xiao-xu，CHEN Li
(Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials，Ministry of Education，Institute of Textile Composites，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

The axial compressive behavior of three kinds of composite Z-pins was investigated.The ultimate compressive stress and failure modes of composite Z-pins with different length were analyzed.The results show that carbon fiber Z-pins with the diameter of 0.50mm have the best compressive properties.Those with the diameter of 0.28mm are apt to be buckled.And aramid fiber Z-pins are easily failures on the contact point.Theoretical predictions of critical stress of carbon fiber Z-pins agree well with the experimental results，but the experimental value of the critical stress value of aramid fiber Z-pins is lower than the theoretical value.

Z-pins;composite materials;compression experiment;critical stress

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.4.017

TB332

A

1005-5053(2011）04-0090-05

2010-06-28;

2011-01-11

國家自然科學基金項目(11072175）

王曉旭(1983—）女，博士研究生，主要從事Z-pin增強復合材料性能研究，(E-mail）xuxu1983@163.com。

陳利(1968—），博士，教授，主要從事復合材料的設計與開發，(E-mail）chenli@tjpu.edu.cn。