Z—pin增強技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料中的現(xiàn)狀與展望

楊鵬　張黎

摘 要：Z-pin增強技術(shù)在復(fù)合材料層間增強與聯(lián)結(jié)增強中是簡便、影響最小、有效的方法。Z-pin增強技術(shù)是在碳纖維預(yù)浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒然后成型。從理論與試驗的角度分別說明Z-pin的嵌入能減少層間I，II型破壞和聯(lián)結(jié)破壞，大大增加層間強度與聯(lián)結(jié)強度。Z-pin增強技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)向工藝方面、金屬Z-pin方面、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面和環(huán)形搭接方面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：Z-pin增強；I型；II型；層間增強；聯(lián)結(jié)增強

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.031

1 引言

樹脂基碳纖維復(fù)合材料層合板在多次沖擊下容易產(chǎn)生層間分層，這使層合板在較低的載荷下就發(fā)生分層失穩(wěn)和擴展，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1]。針對層間失效，大量學(xué)者提出改進方法，一是改善樹脂基體性能，二是三維增強，即增加法向材料，如編織、縫合、Z-pin增強等，三是層間增韌。其中Z-pin增強技術(shù)是最簡便、影響最小和有效的方法[2]。

在解決樹脂基碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，特別是增強層間性能時， Z-pin增強技術(shù)具有明顯的前景，并且Z-pin聯(lián)結(jié)也有很大優(yōu)點和發(fā)展空間。

2 Z-pin增強技術(shù)

Z-pin技術(shù)工藝過程是在預(yù)浸件中直接嵌入固化好的纖維棒或金屬棒，然后再按傳統(tǒng)方法對含Z-pin的復(fù)合材料固化成型。Z-pin可選用的材料非常廣泛，可用鋼、鋁等金屬，也可用碳纖維、玻璃纖維等非金屬，其直徑一般在0.2mm～0.6 mm之間，體分比一般2%～5%左右。Z-pin嵌入預(yù)浸件中可多個排列有序的一次性整體嵌入和利用高壓槍單個射入，其中常用整體嵌入有熱壓灌法和超聲植入法（UAZ）兩種工藝，如圖1為整體嵌入，圖2為超聲植入機器人[3]。

目前，Z-pin增強技術(shù)在樹脂基碳纖維復(fù)合材料的層間增強、X-cor夾層復(fù)合材料增強和聯(lián)結(jié)增強研究比較活躍，另外孔邊增強等也有學(xué)者研究。除此外Z-pin增強技術(shù)在陶瓷基碳纖維復(fù)合材料中也有所發(fā)展[4]。

3 層間增強

層間破壞有I型層間破壞（層間張開）與II型層間破壞（層間相對錯動）兩種形式，Z-pin層間增強也就是阻礙兩種形式破壞的發(fā)生。學(xué)者從不同方面對Z-pin影響I，II型層間斷裂韌性做了大量研究。Ivana K、鄭錫濤[5]等利用雙懸臂梁（DCB）、端部開口彎曲（ENF）模型從應(yīng)變能的角度進行研究，說明Z-pin的加入增強了應(yīng)變釋放率。褚奇奕、王曉旭、Vazquez[6] 等對Z-pin拔脫過程進行研究，并提出了埋入深度、直徑、與基體的共固化效應(yīng)等影響因素。

4 聯(lián)結(jié)增強

相對于機械聯(lián)結(jié)增加質(zhì)量、破壞纖維，膠接傳遞載荷小等不足，Z-pin聯(lián)結(jié)有對層合板破壞小、質(zhì)量輕、聯(lián)結(jié)強度大等優(yōu)點。Z-pin聯(lián)結(jié)增強常用結(jié)構(gòu)形式有T型聯(lián)結(jié)、搭接等。

4.1 T型聯(lián)結(jié)

T型聯(lián)結(jié)中與載荷同向的Z-pin聯(lián)結(jié)增強機理與層間增強機理是相同的。因為T型聯(lián)結(jié)在受載荷時（對Z-pin來說是偏心載荷）， Z-pin同樣受 I、II型破壞，只是不同位置的Z-pin ，I、II型變形比重不同。T型聯(lián)結(jié)中與載荷垂直的Z-pin聯(lián)結(jié)增強機理與下文中搭接增強機理是相同的。

同樣，學(xué)者也從整體力學(xué)性能角度用試驗和有限元分析說明了Z-pin的T型聯(lián)結(jié)增強。Z-pin的增加大大提高了T型結(jié)頭承載能力，其承載能力與Z-pin直徑、排列、植入密度、植入角度、間距、Z-pin與載荷距離等有關(guān)[7]。與層間增強一樣，Z-pin的嵌入對碳纖維復(fù)合材料也有相同的影響和損傷，但這此影響或損傷只是破壞了層合的板的部分性能，對聯(lián)結(jié)性能幾乎沒有負(fù)面影響。

4.2 搭聯(lián)

Z-pin搭結(jié)承受的載荷方向是垂直于Z-pin的，承受載荷時Z-pin主要受II型變形。若Z-pin搭結(jié)承受的載荷由于工況而方向不垂直于Z-pin或是變化的，這會使Z-pin 受I、II型混合變形。

由于搭接的結(jié)構(gòu)、施加載荷不同，它的破壞的表現(xiàn)形式與前兩者也不同。Z-pin搭接中的失效破壞形式主要有：Z-pin剪斷破壞；層合板被Z-pin擠壓破壞；Z-pin拔脫失效。

對于Z-pin搭結(jié)，同樣與Z-pin直徑、位置、排列、植入密度、植入角度等因素有關(guān)[8]。

5 展望

（1）工藝方面。Z-pin層間增強與聯(lián)結(jié)增強主要應(yīng)用在高新技術(shù)方面，這是與復(fù)合材料在民用方面的不夠廣泛所導(dǎo)致，這也是工藝發(fā)展緩慢的原因。Z-pin技術(shù)工藝成熟與Z-pin技術(shù)應(yīng)用廣泛是相互影響發(fā)展的。

（2）金屬Z-pin方面。在國內(nèi)外學(xué)者研究Z-pin增強技術(shù)試驗中，金屬Z-pin棒的試驗相對較少，金屬z-pin的層間增強與聯(lián)結(jié)增強會有與碳纖維z-pin不同的增強機理和破壞形式。

（3）金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)方面。現(xiàn)研究的Z-pin聯(lián)結(jié)增強是碳纖維復(fù)合材料之間的聯(lián)結(jié)，隨著碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域增加，碳纖維與金屬之間的聯(lián)結(jié)不可避免。工業(yè)常用的聯(lián)結(jié)為機械聯(lián)結(jié)、膠接等，發(fā)展碳纖維/金屬之間的Z-pin聯(lián)結(jié)是有必要的。這也與金屬Z-pin的發(fā)展相關(guān)。

（4）環(huán)形聯(lián)接方面。隨著碳纖維在傳動軸的大量應(yīng)用，環(huán)形聯(lián)結(jié)接頭需要更多研究。環(huán)形聯(lián)結(jié)、金屬與碳纖維聯(lián)結(jié)、金屬Z-pin應(yīng)用的成熟可解決碳纖維傳動軸/金屬法蘭的聯(lián)結(jié)問題。

參考文獻：

[1]Tay T.E.Characterization and analysis of delamination fracture in composites： An overview of developments from 1990 to 2001[J]. Applied Mechanics Reviews，2003.56（1）：1-32.

[2]李朝光，矯桂瓊，黃濤，杜龍，李俊.Z向增強復(fù)合材料層壓板沖擊后壓縮性能試驗研究[J].機械強度，2010，32（03）：373-377.

[3] Freitas G，Magee C. fiber insertion process for improved damage tolerance in aircraft laminates[J].Journal of Advanced Materials，1994（25）：36-43.

[4]董曉陽，李勇，張向陽，肖軍，李吻.Z-pin增強樹脂基復(fù)合材料單搭接連接性能[J].航空學(xué)報，2014，35（05）：1302-1310.

[5]王曉旭，陳利.Z-pin的拔出強度試驗研究[J].材料工程，2011（11）：1-3.

[6]孫先念，鄭長良.層合復(fù)合材料z-pinning增強技術(shù)的力學(xué)進展[J].航空學(xué)報，2006，27（06）：1194-1202.

[7]鄭錫濤，李澤江，楊帆.Z-pin增強復(fù)合材料層合板斷裂韌性試驗研究[J].航空學(xué)報，2010，27（04）：180-188.

作者簡介：楊鵬（1990-），男，湖北安陸人，研究生，研究方向：碳纖維傳動軸連接。