謝順利，張彩麗，張春麗，殷曉三

(中原工學院建筑工程學院，鄭州　450007)

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厚度增強復合材料研究現(xiàn)狀及進展

謝順利，張彩麗，張春麗，殷曉三

(中原工學院建筑工程學院，鄭州450007)

簡單介紹了厚度方向增強復合材料的優(yōu)點及缺點。重點綜述了Z-pinned增強復合材料由于pin的插入造成的對復合材料分層破壞的抑制，微觀損傷以及由于損傷帶來的面內(nèi)力學性能的下降；同時，對國內(nèi)外近年來發(fā)表的Z-pinned復合材料層合板面內(nèi)力學性能的實驗結果和理論預測模型進行了分析比較。最后，對厚度增強復合材料面內(nèi)力學性能的研究提出了幾點建議。

厚度增強復合材料；面內(nèi)力學性能；Z-pinned復合材料；預測模型

1　引　言

纖維增強復合材料由于其輕質(zhì)、高強，良好的抗疲勞和抗腐蝕性能，及其優(yōu)于單一材料的可設計性，已被廣泛的應用于橋梁、海洋以及地下工程結構中[1]。例如，用纖維增強復合材料對混凝土結構進行加固，代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制作梁和橋面板等。但傳統(tǒng)纖維增強復合材料層合板的不足之處在于相對較低的層間斷裂強度和韌性以及較低的沖擊損傷容限，在橫向載荷尤其是低速沖擊載荷作用下很容易發(fā)生分層破壞。為了提高纖維復合材料層合板的厚向強度和層間韌性，國內(nèi)外開展了大量研究，提出了各種方法使其在厚度方向引入增強纖維或材料(pin)[2,3]。常采用的手段有工業(yè)縫紉和厚度方向釘入pin針(Z-pinning)技術。但是這些厚度增強技術在提高層間性能的同時也會引起復合材料面內(nèi)剛度和強度以及疲勞壽命一定程度的降低，如何在層間性能的增加和面內(nèi)性能的損傷之間尋找到一個平衡點，以免pin加固后復合材料層間性能提高的優(yōu)勢被面內(nèi)力學性能的降低所掩蓋，這是一個迫切需要解決的問題。

本文綜述了國內(nèi)外近幾年來發(fā)表的厚度方向上釘入pin針增強(Z-pinned)的復合材料層合板面內(nèi)力學性能的實驗結果和理論預測模型。不僅介紹了Z-pinned增強復合材料復合材料分層破壞的抑制作用以及增韌機理，還特別對由于pin針的插入造成的微觀損傷以及由于損傷帶來的面內(nèi)力學性能的下降機理進行了分析和總結；最后，對厚度增強復合材料面內(nèi)力學性能的研究提出了幾點建議。

2　Z-pinning技術的優(yōu)點及增韌機理

Z-pinning技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種提高復合材料層間力學性能的三維增強技術，利用高壓槍將具有一定剛性的pin針嵌入到疊層的厚度方向，然后固化成型成為層合板[2]。相比縫紉技術而言，其施工便捷，而且減小了縫紉的邊線對復合材料造成的損傷。研究表明[4-6]，通過在厚度方向上不連續(xù)的插入pin，能夠大幅度的提高其層間性能。對于I型裂紋，Z-pin增強后的層合板隨pin含量的增加其斷裂韌性也不斷增加，二者成線性的比例關系；對于II裂紋，增強后的層合板的斷裂韌性也有一個穩(wěn)定的提高[7]。Z-pin增強的結構在低能、高能以及爆炸動態(tài)載荷作用下表現(xiàn)良好的抗沖擊容限，尤其是沖擊后的壓縮強度(CAI)[8]。一般認為Z-pinned復合材料能夠增韌的機理是，Z-pinned復合材料在荷載的作用下發(fā)生分層時，pin和周圍的基體會產(chǎn)生一個相對運動，二者之間的粘結力會阻止分層，隨著裂紋的產(chǎn)生，pin逐漸被拉長和拔出，拔出的pin會在分層裂紋的后面形成了橋連地帶，大量能量被用來克服由于pin拔出產(chǎn)生的摩擦力，從而減少了裂紋尖端擴展需要的應變能，達到了抑制分層的作用。由于厚度方向的pin的增強作用，分層破壞已經(jīng)不是Z-pin增強復合材料層合板的主要破壞形式[2]。

3　Z-pin對面內(nèi)力學性能的影響

由于Z-pinned的技術特點，也使得復合材料的微結構發(fā)生很大的變化，由于pin的直徑比纖維大很多，原來均勻分布的面內(nèi)纖維由于pin的插入發(fā)生彎曲變形和聚集，造成面內(nèi)結構的嚴重非均勻性，部分纖維發(fā)生斷裂破損，同時在Z-pin周圍形成了較大的純樹脂區(qū)，在固化過程中的體積膨脹造成的纖維體積含量的減小，這些都會引起復合材料面內(nèi)性能一定程度的降低[9,10]。一般有兩個方面的因素對Z-pinned復合材料的面內(nèi)彈性模量造成影響。，一方面是纖維的撓曲變形，纖維的彎曲總是引起面內(nèi)模量的降低。另一個方面是面內(nèi)纖維體積含量的變化。纖維體積含量的變化較為復雜，pin的擠入造成局部的纖維含量增加，pin周圍的樹脂填充區(qū)沒有纖維的存在，同時固化過程中體積膨脹對纖維體積含量的稀釋作用。因此，Z-pin增強層合板面內(nèi)模量的影響取決于纖維的彎曲程度以及纖維體積含量兩方面的綜合作用。

Chang等[4,11]研究了不同pin體積含量不同直徑的pin對復合材料單向板以及準各項同性層合板的影響。結果表明，由于纖維的彎曲和體積膨脹對面內(nèi)纖維的稀釋作用，面內(nèi)彈性性質(zhì)會隨著pin的體積含量和直徑的增加而降低。其影響相對于準各向同性板，單向板降低的更加顯著，同時研究表明pin的直徑相對pin的體積含量對彈性性質(zhì)的損傷更大，也就是說，大直徑的pin會造成更嚴重的面內(nèi)彈性性質(zhì)的損失。Grassi[12]采用有限元對Z-pin增強復合材料層合板的力學性能進行了研究，其目的在于研究邊緣效應對pin增強層合板彈性性能的影響。研究表明增加2%體積含量的pin可以增加厚度的方向的楊氏模量22%～35%，同時造成面內(nèi)彈性模量7%～10%的降低。當pin放置在靠近自由邊緣一個pin直徑的特征長度范圍內(nèi)，靠近自由邊的層間應力會顯著發(fā)生變化。Z-pinning造成的彈性模量的損失和纖維的鋪層角度也有關系[2,13]。其中對于單向板減少的程度最大，而且當加載方向上的纖維減少時，也會對彈性模量造成降低。Z-pin對復合材料面內(nèi)彈性模量降低的程度由大到小的順序依次是，單向板[0]，正交鋪層[0/90],準各向同性鋪層[0/45/45/90],最后是角鋪層[+45/45]。

人們對Z-pin增強聚合物基復合材料層合板的面內(nèi)強度進行了大量實驗研究，幾乎都得同樣的結論，就是面內(nèi)強度隨著pin的體積含量和直徑的增加而降低。

Mouritz等[2,14]通過實驗研究了不同的pin參數(shù)對面內(nèi)拉伸性能的影響，研究表明強度性質(zhì)與pin的體積含量和pin的尺寸滿足一個準線性的關系。Childress 和Freitas[15]對AS13501-5A的編織疊層板進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)對于5%的pin密度(0.28 mm的直徑)增韌后會造成2%的拉伸強度的損失。Freitas等[16]研究了pin面密度和拉伸強度的關系，其中對2%，5%和10%pin增韌的AS4/3501的疊層板進行了實驗，拉伸強度的減少達到2%～9%。Partridg等[17]對常用的兩種pin直徑(0.28 mm和0.51 mm)增韌的疊層板進行了標準開洞拉伸試驗，實驗發(fā)現(xiàn)試樣的最終拉伸強度的減少在11%～14%之間，同時指出這種減少是由于發(fā)生了層間劈裂破壞造成的。

大多數(shù)學者認為這種面內(nèi)拉伸強度的降低主要由于Z-pinning工藝過程中引起的纖維斷裂造成的[13,18]。在pin打入時，每個pin附近會引起一小簇的纖維斷裂，纖維斷裂的位置往往便是拉伸失效的位置。纖維斷裂的數(shù)量會隨著pin體積含量的增加以及pin直徑的增加而增加。而面內(nèi)壓縮強度的降低是由于Z-pinning工藝引起的纖維彎曲和纖維卷曲導致了細觀屈曲和扭折[14,18,19]。另外，膨脹引起的纖維體積含量的稀釋也是強度降低的一個因素[13]。

Chang等[13]提出了包含pin的含量和直徑影響的線性經(jīng)驗公式來預測Pin加固纖維復合材料的強度。Fleck等[11,18]基于Cosserat偶應力理論，提出一種本構關系來描述包含纖維彎曲的單向纖維增強復合材料，同時對纖維微屈曲導致基體壓縮破壞的破壞模式進行了有限元分析，分析表明隨著纖維彎曲的增加，壓縮強度逐漸下降。但模型沒有精確分辨纖維和基體相，而是理想化的把復合材料整體看作一種可以承擔偶應力的smear-out均勻材料。O'Brien 和Kruege[20]利用Fleck發(fā)展的有限元模型(Flash)對Z-pin加固的復合材料在壓縮和剪切作用下的力學性能進行了模擬。模擬結果表明，pin密度的增加比pin直徑的增加對單向復合材料面內(nèi)壓縮強度造成的損傷更加顯著。Steeves和Flash[18]利用Flash模型pin的排列對pin加固單層板的影響。他們的實驗和數(shù)值模擬都表明Pin造成的纖維扭曲和樹脂富集區(qū)對厚度增強復合材料的面內(nèi)壓縮強度至少有30%降低，當pin的排列角和纖維的排列方向一致時，造成最小的纖維擾動，因此這時的壓縮強度最大。Huang等[9,10]建立了3D代表性胞元模型對Z-pin加固編織復合材料進行模擬，分析了胞元數(shù)目和層數(shù)對復合材料強度的影響，發(fā)現(xiàn)復合材料的強度與鋪層有關，并進行了實驗驗證。

4　Z-pinned復合材料的細觀理論模型

在Z-pinning的過程中，由于pin的加入使得面內(nèi)纖維發(fā)生了彎曲變形并且出現(xiàn)了纖維聚集現(xiàn)象[2,4,14,21]。纖維的方向和纖維的體積含量在面內(nèi)呈現(xiàn)非均勻分布的形態(tài)。由于纖維數(shù)量巨大，各點的纖維偏轉角和纖維體積含量在試驗中難以對進行準確的測量，于是對pin附近的局部細觀結構建立理論模型，從而預測非均勻的纖維偏轉角和體積含量是必要。由于Z-pin造成的局部細觀結構和縫紉工藝造成細觀結構具有很大的相似性，因此可以利用縫紉結構的理論模型對pin結構進行描述。桂良進等[22]等通過觀察鋪層纖維由于縫線造成的面內(nèi)彎曲是近似呈正弦波狀周期性的，提出了纖維連續(xù)彎曲模型。該模型假設鋪層纖維沿x方向上按正弦曲線同相排列，在y方向上均勻排列；鋪層纖維的彎曲程度是隨著遠離pin逐步變緩。進而得到纖維的體積含量和偏轉角的非均勻分布。但是該模型沒有考慮縫線的性能，同時模型假設纖維在縫紉線的擠壓下沿橫向均勻分布，這與實際情況不符。魏玉卿等發(fā)展了纖維彎曲模型(FDM)[23]，該模型從細觀結構出發(fā)，將代表性胞元劃分為纖維變形區(qū)，樹脂富集區(qū)、縫線和纖維未變形區(qū)不同四個不同的區(qū)域，同時提出變形區(qū)長度和寬度兩個參數(shù)來描述纖維的變形區(qū)域，從而得到胞元內(nèi)部各點處的纖維體積含量和扭轉角。但在Z-pinned復合材料中纖維變形區(qū)的界限難以明確區(qū)分，如何準確的確定兩個關鍵參數(shù)；文獻中采用余弦函數(shù)來表述復雜的纖維變形是否合適還待進一步實驗確定。李晨等[24]基于有限元法和周期性邊界條件提出了一種三維纖維彎曲模型來分析縫合層板壓縮強度的分析方法,該模型考慮面內(nèi)纖維彎曲和體積含量改變的同時也考慮了厚度方向的纖維彎曲和體積含量改變，利用橋聯(lián)模型和最大應力判據(jù)分析損傷擴展，得到縫合層合板的壓縮強度，但建立有限元模型工作量大，參數(shù)的改變要建立相應的模型，通用性比較差。劉兵山等[25]從縫紉復合材料由于縫線造成的纖維變形與繞流流場中流線形狀的相似性出發(fā)，建立與縫紉單胞相對應的有限空間定常二維無粘性不可壓理想流體的無旋繞流流場模型，以流場中流速的變化模擬面內(nèi)纖維體積含量的非均勻分布，用繞流物來表述縫線，用流線形狀描述縫線周圍的纖維變形。但模型中用流體的速度來表示固體中體積含量的過于牽強，且其取值無法用試驗來驗證。

5　結論與建議

綜上所述，Z-pinning作為一種新型的三維增強技術能夠大幅度提高復合材料的層間力學性能，但是同時pin插入造成的纖維彎曲、纖維卷曲等局部細觀結構的改變也會對面內(nèi)的一些性能造成損傷。因此，細觀結構的系統(tǒng)研究對深入理解Z-pinning工藝對復合材料層合板面內(nèi)力學性能變化以及失效機理的影響是必不可少的。以下幾個方面有待進一步研究。

(1)針對Z-pin植入復合材料后誘導的纖維非均勻分布，建立出參數(shù)少、能準確描述非均勻細觀結構的方法和模型;

(2)通過Z-pin增韌層板的逐步損傷破壞機理進行研究，分析工藝參數(shù)對Z-pin增強復合材料強度的影響，為制定合理的復合材料厚度增強工藝提供理論支持;

(3)目前大部分研究都致力于Z-pinned復合材料制成以后的力學性能研究，而在pin插入后固化成型過程也會對Z-pinned增強復合材料的力學性造成影響，應在以后的研究中考慮。

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Development of Composite Laminates with Through-thickness-reinforcements

XIE Shun-li,ZHANG Cai-Li，ZHANG Chun-Li,YIN Xiao-san

(Department of Civil Engineering,Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007,China)

The advantages and disadvantages of composite laminates with through-thickness-reinforcements are briefly introduced. Inhibition effects of delamination ,micro damage and declination of mechanics properties caused by micro-damage are reviewed emphatically. And the paper analysis and compared experiment results and theoretical models on in-plane mechanical properties of Z-pinned reinforced composite laminate in paper delivered recently years. Finally,some advices are given for research on in-plane mechanics properties of composite reinforced in thickness.

composite laminates with through-thickness-reinforcements;in-plane mechanics property;Z-pinned composite;prediction model

河南省教育廳科學技術研究重點項目(16A130003)

謝順利(1980-)，男，博士，講師.主要從事復合材料方面的研究.

V257

A

1001-1625(2016)02-0464-04