三維五向編織復合材料的沖擊壓縮特性及破壞機制

崔 燦, 茅獻彪

（1.江蘇工程職業技術學院 建筑工程學院, 江蘇 南通 226006；2.中國礦業大學 力學與土木工程學院, 江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 江蘇 徐州 221116）

三維編織復合材料是由多向紗線相互交織形成的整體網狀結構，具有高度的整體性，不僅具有高比剛、高比強以及良好的抗腐蝕和抗疲勞能力，還在沖擊載荷作用下具有較高的沖擊損傷容限[1-2]，逐漸成為目前工程應用的主要承力部件。

近年來針對三維編織復合材料的動態力學性能的相關實驗研究主要包括沖擊壓縮和拉伸、沖擊剪切、低速沖擊以及彈道侵徹實驗等[3-5]。研究表明高應變率下三維編織復合材料的動態力學性能與準靜態加載條件下的力學性能存在較大差異，且由于材料本身的各向異性特征以及其編織結構的特殊性，導致三維編織復合材料具有顯著的應變率效應和編織角效應。

目前，分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）實驗技術已作為一種標準方法被廣泛應用于應變率在101～103 s-1范圍內的材料動態力學特性測試。Tang 等[6]對三維碳/環氧和三維玻璃/環氧編織復合材料分別進行準靜態和爆炸沖擊加載實驗，確定編織參數對材料力學性能具有顯著影響。Sun 等[7]和Gu 等[8]利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）技術對三維編織復合材料進行面外和面內的動態壓縮實驗，分析材料力學性能變化規律，并對其破壞模式以及能量吸收機制進行研究，表明三維編織復合材料在面內和面外的壓縮力學性能具有很大差異，均表現出應變率敏感性，且面內壓縮具有更高的應變率敏感性。譚柱華等[9]利用三維編織復合材料的動態橫向壓縮實驗研究得到了材料的壓縮強度和模型與應變率的變化關系。Li 等[10-12]利用SHPB 技術測試500～1500 s-1的高應變率下材料的橫向壓縮性能，并利用掃描電鏡（SEM）觀察其微觀斷口形貌，結果表明，應變-應變曲線表現出明顯的非線性特征和軟化現象，材料具有應變率敏感性，隨著應變率的增加，其損傷和失效模式逐漸變化。Wan 等[13]對纖維（玄武巖纖維）/基體（乙烯基酯樹脂）的編織復合材料進行沖擊加載實驗和數值研究。Li 等[14]研究高應變率下三維編織復合材料的沖擊剪切性能，并結合全尺寸有限元模擬和CT 斷層掃描技術對高應變率下材料的沖擊剪切響應和漸進破壞規律進行詳細系統的研究。Pan 等[15]利用高速成像系統對在沖擊載荷作用下三維編織，雙軸經編和角互鎖機織復合材料的漸進破壞進行研究。Huang 等[16-17]研究編織角和承載方向對三維四向編織碳纖維增強樹脂基復合材料動態壓縮性能的影響，并結合高速攝影記錄的動態壓縮過程進行分析，結果表明，應變率、壓縮方向及編織角是影響材料的動態壓縮性能的重要因素，不同編織角以及不同加載方向上材料的失效形式各有不同。此外，還有一些研究者也從溫度、振動、疲勞等角度[18-25]分別對三維編織復合材料的標準試件或者異形構件進行動態力學性能研究。綜上所述，雖然目前的研究指出應變率、編織角和加載方向對三維編織復合材料的力學性能有重要影響，但是極少綜合考慮不同應變率下材料在高速沖擊中的漸進破壞過程以及破壞后的失效形式，而且由于目前國內外還沒有統一的針對三維編織復合材料動態力學性能的測試標準，相關參考文獻間的試樣尺寸各不相同，使得相關實驗結果無法相互間進行比較分析。

本研究利用SHPB 實驗系統和高速攝像技術對三維五向碳/環氧編織復合材料進行沖擊壓縮實驗，分別沿縱向和橫向壓縮方向分析應變率對其在高速變形下的漸進破壞規律進行分析，并綜合試樣的宏觀破壞特征和微觀斷口形貌等兩方面對材料的破壞模式及破壞機理進行研究，為提高三維編織復合材料抗沖擊性能的結構設計提供詳細的實驗依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為三維五向碳/環氧編織復合材料，由天津工業大學復合材料研究所研制，如圖1 所示，采用1×1 四步法編織工藝，增強纖維為T300-6K 碳纖維，基體材料為TDE-86#環氧樹脂，纖維體積分數保持在51.1%～52.0%之間。由于本研究主要針對不同應變率下材料在高速變形中的漸進破壞規律，故控制編織角效應對材料力學性能的影響，本研究選擇編織角22.3°的三維五向碳/環氧編織復合材料作為研究對象。三維五向編織復合材料即在三維四步法編織工藝基礎上，在縱向方向添加軸向不動紗線編織，定義材料的編織方向（沿Z軸）為縱向方向，XY方向為橫向方向。如圖2 所示，材料尺寸為360 mm×10 mm×10 mm 的長方體結構，參考Sun 等[7]和Gu 等[78]、譚柱華等[9]、Pan 等[15]、Li 等[10-12]的研究，將實驗材料切割成尺寸大小約為10 mm×10 mm×10 mm 的立方體，確保試樣內至少包含一個完整的編織循環結構（即一個花節長度）。

圖1 三維五向編織工藝示意圖Fig. 1 Braiding process diagram of 3D five-directional braided composites

1.2 實驗方法

本研究中動態沖擊壓縮實驗采用的是中國礦業大學國家深部巖土重點實驗室的分離式霍普金森壓力桿(SHPB)實驗系統。圖3 所示為分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗系統示意圖。SHPB 實驗原理[26-28]的本質即為應力波在入射桿、透射桿以及試樣間發生多次反射和透射，并利用兩桿接收到的應變信號通過三波法數據處理間接地獲得試樣的應力、應變以及應變率隨時間的變化。

圖3 分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗系統 （a）SHPB 實驗設備；（b）高速攝像；（c）SHPB 實驗裝置示意圖Fig. 3 Separated Hopkinson pressure bar test system （a）SHPB test equipment；（b）high speed photography；（c） schematic diagram of SHPB test device

通過對入射應變信號 εI(t)、反射應變信號εR(t)和 透射應變信號 εT(t)進行測量，由超動態應變儀進行數據采集。子彈速度則由平行光束-計時器組成的測速系統測量。實驗系統的桿的長度分別為400 mm、2500 mm、2000 mm、600 mm，桿直徑為50 mm。圖3(b)為高速攝像裝置。它被用來捕捉動態圖像，以顯示復合材料的漸進破壞過程。經過多次實驗調試，確定高速攝像的分辨率為800×600，采樣頻率為11001fps。

此外，為獲得穩定的應變率，需要在SHPB 實驗系統中通過氣壓控制器調節氣壓實現；整個加載裝置的軸心需保持在同一水平高度；在透射桿后增加緩沖器，用以吸收透射脈沖，避免因為重復沖擊影響實驗精度；而在入射桿的前端涂抹凡士林，黏貼一塊尺寸?10 mm×3 mm 的橡膠作為波形整形器，對入射波進行整形，用以獲得光滑且無明顯振蕩現象的半正弦入射波形，從而保證實驗結果的準確性和可靠性。

在實際的SHPB 實驗中，實驗需要基于兩個基本假設為前提：（1）一維應力波傳播假設；（2）試樣整體應力/應變均勻化假設。根據一維應力波傳播假設，當試樣應力達到平衡時，有

2 不同應變率下三維五向編織復合材料的壓縮特性

為研究應變率對三維五向編織復合材料的動態力學性能的影響，針對22.3°編織角的立方體試件分別沿縱向和橫向方向進行沖擊壓縮實驗。具體的實驗方案設置如下：（1）縱向沖擊壓縮實驗，設定沖擊氣壓P分別為0.15 MPa，0.20 MPa，0.25 MPa，0.30 MPa，0.35 MPa，其中，0.15 MPa 沖擊氣壓是保證實驗中試樣破壞的最低氣壓。（2）橫向沖擊壓縮實驗，設定沖擊氣壓P分別為0.20 MPa，0.25 MPa，0.30 MPa，0.35 MPa，0.40 MPa。在整個實驗過程中，相同氣壓條件下進行至少5 組實驗以上，確保選取3 組以上合理的實驗結果作為后續的研究與討論。

2.1 高應變率下試樣的壓縮力學特性

（1）縱向沖擊壓縮實驗中獲得的應變率約在200～1000 s-1之間，不同應變率 ε˙下試樣的應力應變曲線如圖4 所示，表1 為試樣的縱向動態抗壓強度縱向動態壓縮模量、縱向峰值應變和縱向殘余承載能力及其平均值隨應變率ε˙的變化規律。

圖4 不同應變率下試樣縱向壓縮應力-應變曲線Fig. 4 Longitudinal compression stress-strain curves of specimens under different strain rates

表1 縱向沖擊壓縮下試樣力學性能參數隨應變率的變化規律Table 1 Variations of mechanical properties parameters under longitudinal compression

圖5 不同應變率下試樣橫向壓縮應力-應變曲線Fig. 5 Transverse compression stress-strain curves of specimens under different strain rates

表2 橫向沖擊壓縮下試樣力學性能參數隨應變率的變化規律Table 2 Variations of mechanical properties parameters under transverse compression

2.2 動態壓縮下試樣的動態破壞過程

（1）縱向沖擊壓縮下試樣的動態破壞過程

圖6是應變率379.82s-1和615.08s-1下試樣的高速攝像記錄的動態壓縮過程以及對應的應力應變特征曲線。由圖6 可知，試樣的漸進破壞過程主要為裂紋的漸進擴展過程，試樣的破壞主要集中在BC 段和CD 段。隨著應變率 ε˙的增加，試樣的CD 段曲線延長，說明試樣在峰后的破壞程度加劇，隨著應變率的增加，試樣的延性有所增強。曲線主要可以分成三個階段：線彈性增長階段（OB 段）、快速下降階段（急劇軟化，BC 段）和穩定下降階段（近似平臺退化，CD 段）。試樣應力近似呈線性增長至峰值后開始迅速下降，表明試樣主要呈現為脆性破壞。

圖6 縱向壓縮下試樣動態破壞過程以及對應的應力應變特征曲線 （a）379.82 s-1；（b）615.08 s-1Fig. 6 Progressive failure characteristics of specimens and the corresponding stress-stain curves under longitudinal compression （a）379.82 s-1；（b）615.08 s-1

在整個沖擊壓縮過程中，高速攝影圖像前2 張對應曲線的OB 段，試樣表面基本保持完整，無明顯裂紋產生；第3 張圖像對應曲線的BC 段，試樣表面呈現凹凸不平的網狀形態結構，說明裂紋在快速下降階段呈爆炸式迅速沿著編織結構擴展貫穿；第4 張和第5 張圖像對應曲線的CD 段，試樣沿軸向完全破裂，纖維束發生斷裂，基體大量飛濺溢出，說明裂紋在穩定下降階段進一步累積擴展，試樣的破壞程度加劇。隨著應變率 ε˙的增加，裂紋快速開裂越厲害，試樣破壞越嚴重。

（2）橫向沖擊壓縮下試樣的動態破壞過程

圖7是應變率624.67s-1和819.94s-1下試樣的高速攝像記錄的動態壓縮過程以及對應的應力應變特征曲線。由圖7 可知，試樣的破壞主要集中在AB 段和BC 段。隨著應變率 ε˙的增加，試樣的AB 段和BC 段曲線延長，說明試樣在屈服階段和峰后卸載階段的破壞程度加劇，試樣的延性增強。曲線主要可以分成三個階段：線彈性增長階段（OA 段）、非線性增長階段（AB 段）和快速下降階段（急劇軟化，BC 段）。試樣應力首先近似以線性快速增長，在進入AB 段后，表現出明顯的非線性增長趨勢，應力增長速度減緩，曲線斜率逐漸下降，直到峰值后應力快速下降，表明試樣主要呈現為脆性破壞。

圖7 橫向壓縮下試樣動態破壞過程以及對應的應力應變特征曲線 （a）624.67 s-1；（b）819.94 s-1Fig. 7 Progressive failure characteristics of specimens and the corresponding stress-stain curves under transverse compression （a）624.67 s-1；（b）819.94 s-1

在整個沖擊壓縮過程中，高速攝影圖像前2 張對應曲線的OA 段，試樣表面基本保持完整，試樣被壓實；第3 張圖像對應曲線的AB 段，試樣表面主要存在一條貫穿整體的主裂紋，且沿加載方向呈一定角度，說明試樣發生剪切破壞；第4 張和第5 張圖像對應曲線的BC 段，試樣在主裂紋的基礎上，繼續產生新裂紋，并沿加載方向呈一定角度開裂，破碎試樣相互錯位，試樣碎裂程度加劇。隨著應變率 ε˙的增加，裂紋產生并擴展得越多，試樣的碎裂程度越大。

3 高應變率下三維五向編織復合材料的破壞機制

3.1 動態壓縮下試樣的宏觀破壞機制

圖8 和圖9 分別是不同應變率下試樣的縱向壓縮破壞特征及破碎形態特征示意圖。由圖8 可知，應變率越高，試樣的破壞程度越大。在應變率為214.47s-1時，少部分樹脂基體從試樣表面溢出，裂紋處出現纖維束與基體剝離現象；應變率為379.82 s-1時，破碎形態近似呈矩形松散的纖維束交織結構，表現為更大范圍的纖維與基體分離現象；應變率 ε˙為615.08s-1時，破碎形態呈一堆散紗，但大部分紗線呈相對完整的單根纖維束形態；隨著應變率 ε˙的增加，破碎試樣逐漸變為更為細小的纖維碎屑形態，表現為纖維斷裂現象。因此，從不同應變率下試樣的破壞形貌可以看出，試樣的破壞方式主要為基體壓潰和纖維與基體間界面剪切破壞，但隨著應變率的增加，纖維斷裂現象逐漸加重。

圖8 不同應變率下試樣縱向壓縮破壞特征 （a）214.47 s-1；（b）379.82 s-1；（c）615.08 s-1；（d）724.22 s-1；（e）981.15 s-1Fig. 8 Longitudinal compression failure characteristics of specimens under different strain rates （a）214.47 s-1；（b）379.82 s-1；（c）615.08 s-1；（d）724.22 s-1；（e）981.15 s-1

圖9 縱向壓縮下破碎試樣形態特征示意圖Fig. 9 Schematic diagram of morphology characteristics of broken specimens under longitudinal compression

圖10 和圖11 分別是不同應變率下試樣的橫向壓縮破壞特征及破碎形態特征示意圖。由圖10可知，在應變率ε˙為435.91s-1時，破碎試樣形態主要為三角形截面塊體，表現為試樣發生剪切破壞；隨著應變率 ε˙的增加，試樣的碎裂程度加劇，破碎試樣逐漸形成更多數量的小體積碎塊，且碎塊形態多呈多邊形截面塊體，表明試樣受橫向壓縮作用產生的剪切破裂面逐漸增多，試樣的破壞程度加劇。因此，從不同應變率下試樣的破壞形貌可以看出，試樣宏觀上主要發生剪切破壞，隨著應變率的增加，試樣剪切破壞程度加劇。

圖10 不同應變率下試樣橫向壓縮破壞特征 （a）435.91 s-1；（b）624.67 s-1；（c）819.94 s-1；（d）988.14 s-1；（e）1091.36 s-1Fig. 10 Transverse compression failure characteristics of specimens under different strain rates （a）435.91 s-1；（b）624.67 s-1；（c）819.94 s-1；（d）988.14 s-1；（e）1091.36 s-1

圖11 橫向壓縮下破碎試樣形態特征示意圖Fig. 11 Schematic diagram of morphology characteristics of broken specimens under transverse compression

3.2 動態壓縮下試樣的微觀破壞機制

圖12 和圖13 分別為不同應變率下破碎試樣在縱向壓縮和橫向壓縮下的斷口掃描圖像。通過對不同放大倍數下的破碎試樣形貌進行觀察，可以看出：縱向壓縮下，在較低應變率下破碎試樣的斷口形貌主要表現為基體斷裂和界面剪切破壞，但隨著應變率的增加，纖維束完整程度逐漸降低，纖維剪切斷裂現象越來越嚴重。這說明隨著應變率的增加，更多能量作用于試樣的破壞，使得試樣在發生基體斷裂和界面剪切破壞之外，更多纖維參與試樣的破壞從而發生剪切斷裂。

圖12 縱向壓縮下不同應變率破碎試樣的斷口掃描圖像 （a）214.47 s-1；（b）379.82 s-1；（c）615.08 s-1；（d）724.22 s-1；（e）981.15s-1；（1）低倍；（2）高倍Fig. 12 Fracture scan images of specimens with different strain rates under longitudinal compression （a）214.47 s-1；（b）379.82 s-1；（c）615.08 s-1；（d）724.22 s-1；（e）981.15s-1；（1）low magnification；（2）high magnification

橫向壓縮下，在較低應變率下破碎試樣塊體體積較大，斷口棱角分明，主要表現為基體斷裂、纖維束剪切斷裂以及大面積的界面剪切破壞形貌。隨著應變率的增加，破碎試樣塊體體積逐漸變小，斷口棱角區域趨于圓滑，纖維剪切斷裂現象越來越嚴重。這說明隨著應變率的增加，更多能量作用于試樣的剪切破壞，使得試樣產生更多的剪切破裂面，破碎試樣塊度逐漸減小，更多的纖維發生剪切斷裂，試樣破壞程度更加嚴重。

4 結論

（1）加載方向是試樣動態壓縮特性變化的重要影響因素。相同編織角時，材料在縱向和橫向方向受壓，隨著應變率的增加，其在縱向和橫向的動態抗壓強度和動態壓縮模量均有不同程度的增幅，尤其在橫向時數值增幅較高，說明材料在縱向和橫向均具有一定的應變率強化效應，其中材料在橫向方向的應變率強化效應更為顯著。

（2）試樣的沖擊壓縮破壞的主要表現為能量的積累與釋放以及裂紋的動態擴展過程。高應變率下，材料在縱向和橫向壓縮下的動態破壞過程以及應力應變曲線特征具有明顯差異。縱向壓縮下，試樣的動態破壞過程主要為裂紋大范圍沿編織結構的漸進擴展過程，試樣的破壞主要集中在急劇軟化和平臺退化階段，試樣發生脆性破壞，迅速失去承載能力。橫向壓縮下，試樣的動態破壞過程主要為一條主裂紋以及多條次生裂紋的擴展貫穿過程，試樣的破壞主要集中在非線性增長階段和峰后卸載階段，試樣主要呈現為脆性破壞。

（3）高應變率下，材料在縱向和橫向壓縮下的破壞模式具有明顯差異。縱向壓縮下，試樣的破壞方式主要為基體壓潰和纖維與基體間界面剪切破壞，但隨著應變率的增加，纖維斷裂現象逐漸加重。橫向壓縮下，試樣宏觀上主要發生剪切破壞，其破壞方式主要為基體斷裂、纖維束剪切斷裂以及大面積的界面剪切破壞，隨著應變率的增加，試樣剪切破壞程度加劇。