三维五向编织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能实验研究

三维五向编织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能实验研究严实;郭留雨;赵金阳;陆夏美;曾涛

【摘要】通过实验研究三维五向碳纤维/环氧树脂编织复合材料低速冲击及其冲击后压缩(CAI)性能.测试试件虽然有不同的编织角度,但承受相同的冲击能力.采用冲击后压缩测试表征不同编织结构的冲击后剩余力学性能.结果表明:编织角较大的试件由于其更紧密的空间结构,能承受更高的冲击载荷且冲击损伤区域更小.CAI强度和损伤机理主要取决于编织纤维束的轴向支撑.随着编织角的增加,CAI强度降低,材料的破坏模式也由横向断裂转变为剪切破坏.%The low-velocity impact and compression after impact (CAI) properties of three-dimensional (3D) five-directional carbon fiber/epoxy resin braided composites were experimentally investigated . Specimens prepared with different braiding angles were tested at the same impact energy level .Resid-ual post-impact mechanical properties of the different configurations w ere characterized by compres-sion after impact tests .Results show that the specimens with bigger braiding angle sustain higher peak loads ,and smaller impact damage area ,mainly attributes to a more compact space construction . The CAI strength and damage mechanism are found to be mainly dependent on the axial support of the braiding fiber tows .With the increase of braiding angle ,the CAI strength decreases ,and the damage mode of the composites is changed from transverse fracture to shear failure .

【期刊名称】《材料工程》

【年(卷),期】2017(045)012

【总页数】6页(P65-70)

【关键词】三维五向;编织复合材料;低速冲击;冲击后压缩;损伤机理

【作者】严实;郭留雨;赵金阳;陆夏美;曾涛

【作者单位】哈尔滨理工大学建筑工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学建筑

工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学建筑工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理

工大学建筑工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学建筑工程学院,哈尔滨150080

【正文语种】中文

【中图分类】TB332

复合材料在制造、保养、正常操作等场合下易于遭受动态冲击而产生各种损伤，例如基体裂纹、分层和纤维断裂等。这类损伤往往表面痕迹较小，甚至观测不到，但是在继续使用中，不可见分层损失会继续扩展，最终导致整体结构损伤和破坏，使得层压板复合材料的性能得不到充分发挥[1]。

三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念，具有多向纱线构成空间互锁网状结构，从根本上克服了层板复合材料易分层、开裂和抗冲击性能差等缺点，具有较高的比强度、比刚度、冲击韧性和结构可设计性等，在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用[2]。在三维四向(4D)编织复合材料中沿编织方向(即轴向)加入不参与编织的轴纱，可形成三维五向(5D)编织复合材料，进而使其在轴向上的力

学性能得到较大的提高[3-5]。

研究人员已经对简单外形正交层压板的冲击损伤进行了广泛的研究[6]，但是由于

编织复合材料的各向异性和非均匀性，对其冲击损伤的研究还较少，目前主要采用实验方法来研究编织复合材料的冲击力学行为和破坏机理。Matemilola和Strong[7]通过弹击实验研究了碳纤维编织复合材料的冲击损伤演化问题，分析了

试件尺寸、冲击惯性等因素对损伤状态的影响。Fukuta[8]通过实验对三维三向﹑

三维四向编织碳/环氧复合材料和层合板材料冲击后压缩(CAI)强度进行了比较，给出了三维编织复合材料的CAI强度比层合复合材料高的结论。Zeng等[9]对承受

轴向冲击载荷的三维编织圆筒进行有限元模拟，并分析其能量吸收特性及压溃行为。Gu等[10]针对三维编织芳纶/环氧复合材料采用准静态侵彻实验模拟动态侵彻。此外，Sun和Gu等还对三维编织复合材料的横向冲击特性进行了实验研究[11]，并对其冲击损伤过程进行了有限元分析[12]。郑海燕和刘元镛等[13]对编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度进行了实验研究。杨灵敏等[14]对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维多向编织结构复合材料进行了低速冲击实验。李明等[15]对2.5D机织复合材料采用落锤法预制冲击损伤，进行剩余拉伸实验，基于软化夹杂模型进行刚度衰减模拟，并预测了剩余抗拉强度。皇甫劭炜和童小燕等[16]应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术，建立了适用于编织型复合材料板低速冲击及冲击后压缩破坏过程的一种全程分析方法。胡靖元等[17]以碳纤维编织复合材料和芳纶编织复合材料为研究对象，研究了编织复合材料的低速冲击响应和破坏模式，分析了冲击速率对材料冲击特性的影响。本课题组也通过实验研究了不同编织工艺参数的三维六向碳纤维/环氧树脂编织复合材料在不同冲击能量作用下的低速冲击过程[18]。

本工作针对不同编织工艺参数(编织角度)的三维五向编织复合材料低速冲击损伤机理及其剩余强度进行研究：对三维编织复合材料试件进行低速冲击实验，分析其损伤类型和演化规律；对三维编织复合材料试件进行冲击后剩余压缩强度实验，分析其损伤演化规律。本研究目的在于探索低速冲击条件下三维五向编织复合材料的损伤机理及剩余强度，控制材料的失效与破坏以提高其抗冲击能力。