王偉杰，李倩倩，李 煒，2，3

(1.東華大學紡織學院，上海201620；2.東華大學民用航空復合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201620；3.東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620)

0 研究背景

蜂窩結(jié)構(gòu)重量輕、強度高、剛度大，多用作結(jié)構(gòu)尺寸大、強度要求高的結(jié)構(gòu)件。而且蜂窩結(jié)構(gòu)由于孔洞的存在，其吸聲性能優(yōu)良，保溫、隔熱性能好，所以被廣泛地用于建筑、包裝工程、軌道交通等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的蜂窩狀復合材料大多是分層復合而成，但這種生產(chǎn)工藝會造成材料在外力作用下產(chǎn)生分層現(xiàn)象，大大降低了材料的承力能力和使用周期。而蜂窩狀紡織復合材料因在Z向有纖維增強，不存在層間界面，從而消除了分層現(xiàn)象，并且它的壓縮強度、彎曲強度、彎曲模量都超過了二維編織物和層壓板[1－3]，因此值得深入研究。

針對蜂窩狀紡織復合材料，呂麗華[4]對蜂窩狀三維機織復合材料的彎曲性能做了有限元分析，其結(jié)果與實驗一致。崔婧蕊[5]研究了蜂窩狀三維機織復合材料不同截面形狀的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)六邊形的蜂窩復合材料性能最佳。Santosh Kumar Sahu[6]等人開發(fā)了一種一體化三維間隔緯編針織復合材料，并且研究不同形狀(三角形和矩形)的中空復合材料的壓縮性能，結(jié)果表明截面為三角形的中空復合材料的最大壓縮強力要小于截面為矩形的中空復合材料。Sanaz Hassanzadeh[7]使用ANSYS14軟件模擬了不同壁厚的尼龍蜂窩芯的平面外準靜態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明1.5mm厚的蜂窩芯的吸能能力最好，抗壓能力最強。盧士艷[8]探討了不同規(guī)格孔徑的蜂窩狀三維機織復合材料的隔熱性能，發(fā)現(xiàn)蜂窩孔徑的復合材料的隔熱性能最佳。Tochukwu[9]利用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)技術(shù)制備了纖維增強蜂窩芯，并建立了失效機理圖，對復合材料夾層板的失效進行了預測。荊云娟[10]將碳纖維編織網(wǎng)、三維編織面板和聚合物泡沫組裝，形成蜂窩夾芯復合材料，并研究了材料的力學性能、體積分數(shù)與桁架拓撲結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Xiaogang Chen[11－12]通過有限元研究，發(fā)現(xiàn)開口角度對復合材料的變形和能量吸收有顯著影響。

由于黃麻纖維可降解，可回收，有利于環(huán)保，在力學性能方面，堿處理過的黃麻纖維的比強度與玻璃纖維相當[13－16]，因此本文采用黃麻制備了具有不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料，并研究了其壓縮性能。

1 實驗

1.1 原料與設(shè)備

實驗原料:編織紗為1250tex的黃麻；上緯(天津)風電材料有限公司2511－1A型環(huán)氧樹脂和2511－1BS型固化劑。

實驗設(shè)備:實驗室自制三維編織機、LABSANS LD26電液伺服萬能試驗機和Correlated Solutions公司3D—DIC測量系統(tǒng)。

1.2 織造與制備

1.2.1 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料的編織

蜂窩織物采用四步法編織，在編織過程中，利用紗線的回轉(zhuǎn)原理和控制紗線的運動規(guī)律來改變紗線的交織狀態(tài)，實現(xiàn)編織體的分合可控[17]。編織一共分為四個步驟，每個步驟可以通過控制四步法編織的循環(huán)個數(shù)，達到控制各邊邊長的目的。在編織時，控制攜紗器在編織機底盤上的路徑就可以使紗線發(fā)生交織，在打緊作用下編織出蜂窩狀三維編織復合材料的預成型體。下圖1為蜂窩織物的四步編織法示意圖，圖中a、b和c縱條中的紗線在編織時只參加左右運動，不參加上下運動。

圖1 編織過程紗錠移動軌跡圖

按照以上步驟，六邊形蜂窩織物編織完成，結(jié)合不同的芯模形狀，可以獲得開口角度(如圖2所示)為30°、45°和60°的蜂窩狀三維編織物，實物圖如圖3所示，織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 不同開口角度三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 蜂窩織物的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 不同開口角度的三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物

1.2.2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料的制備

采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制作三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料，如圖4所示。

圖4 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料試樣

采用密度法測定纖維體積含量[18]，三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料纖維體積含量如表2所示。

表2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料纖維體積含量

1.3 性能測試

三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料的壓縮性能測試參考GB1454－2005(夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能試驗方法)。在LABSANS LD26電液伺服萬能試驗機上進行測試(測試和加載方向如圖5所示)，測試速度為2mm/min，同時利用DIC技術(shù)記錄材料壓縮過程中的全場應變。

圖5 萬能試驗機測試示意圖

2 測試與結(jié)果分析

2.1 壓縮實驗結(jié)果

圖6是不同開口角度蜂窩狀三維編織復合材料的壓縮位移曲線。從圖6可知，蜂窩狀三維編織復合材料的壓縮載荷－位移曲線大致分為三個階段，如試件8所示，第一個階段(OA階段):在加載初期，載荷隨著位移的變化呈線性變化，樹脂與纖維結(jié)合良好，材料處于彈性變形階段，復合材料表現(xiàn)出良好的彈性性能。隨著載荷繼續(xù)增加，樹脂基體開始開裂，材料表面出現(xiàn)裂紋，此時可聽到細小的開裂聲。隨著載荷進一步增大，達到材料極限承力峰值狀態(tài)。第二階段(AB階段):當載荷增大到峰值時，會出現(xiàn)不同幅度震蕩下降現(xiàn)象，形成無序且不重復的壓縮峰。從圖中看到，最大載荷并不是由第一個變形峰決定，在實驗中曲線到達每個峰值后都會聽到非常大的斷裂響聲。與采用相同編織工藝的三維編織復合材料壓縮載荷－位移曲線[19－21]相比，三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料在壓縮平臺存在許多壓縮峰，這是由于蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮過程中起到了緩沖作用。第三階段(BC階段):曲線突然下降，復合材料的主要承力纖維斷裂，伴隨著巨大斷裂聲，材料徹底失效。

從圖6壓縮載荷－位移曲線可知，不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料的最大壓縮載荷不同，開口角度為60°的復合材料的峰值載荷是13152.28N，在三者當中最大，其次是開口角度45°的載荷8411.3NN居中，載荷最小的是30°的蜂窩7807.19N。這是因為材料的開口角度不同，導致材料能承受的載荷不同。從受力層面分析，蜂窩材料在受到垂直于加載平面的壓力作用時，主要的承力結(jié)構(gòu)是與壓縮平面有一定角度的呈傾斜狀態(tài)的傾斜壁，所以本文將垂直于平臺的壓力分解到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁上(如圖7所示)。從圖中可以看出，在施加相同的力的情況下，60°復合材料的傾斜壁上的分力最大，而30°復合材料的傾斜壁上的分力最小，而傾斜壁是蜂窩材料的主要承力結(jié)構(gòu)，所以開口角度小的復合材料的傾斜壁在壓縮過程中沒有發(fā)揮出最大的支撐作用。與之相反的是，指向面內(nèi)的分力，30°復合材料最大，60°材料最小，分力會使蜂窩復合材料的孔壁彎曲(如圖8所示)，材料受力越大，彎曲程度越大，變形越大，并且不同開口角度的復合材料的變形空間(如圖9所示)不同，60°蜂窩結(jié)構(gòu)材料的變形空間最大，30°材料最小，在這兩種因素的作用下，具有較小開口角度的蜂窩復合材料的孔壁的彎曲阻力較低，所能承受的壓力較低，載荷也就較小。

圖6 壓縮載荷－位移曲線圖

圖7 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力分析圖

圖8 傾斜壁的受力圖

圖9 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力變形圖

2.2 破壞模式分析

不同開口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料進行壓縮實驗時，利用3D－DIC進行圖像采集，將兩臺高速相機采集的數(shù)字圖像利用VIC－3D軟件進行處理，分析試件應變分布情況及變化規(guī)律。

圖10是不同時刻開口角度為60°的三維編織蜂窩復合材料應變圖。13s時，圖10(a)是試樣在線彈性階段的應變圖，沒有明顯的高應變區(qū)域。隨著載荷的增加，62s時高應變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端，此時材料表面的應變也突然增加(如圖11所示)。66s時高應變擴散到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁，此時復合材料的載荷達到峰值。80s時非傾斜壁上出現(xiàn)裂紋，應變突然增大，復合材料失效。

圖10 60°試件壓縮過程中應變圖

圖11 60°試件應變－時間圖

圖12 是不同時刻開口角度為60°的三維編織蜂窩復合材料應變圖。圖12(a)是加載初期試件應變圖。14s時圖像顯示，加載初期沒有明顯的高應變區(qū)域。如圖12(b)所示，92s時蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)明顯裂紋，此時應變突然增大(如圖13所示)。隨著材料變形量的增加，蜂窩結(jié)構(gòu)的非傾斜壁上也出現(xiàn)了高應變區(qū)域。圖12(d)顯示了151s卸載荷載時的應變場。此時，高應變區(qū)域出現(xiàn)在試樣的自由端以及加載端的頂部和底部。雖然此時損傷分布較為離散，但試樣頂部出現(xiàn)裂紋，導致復合材料失效。

圖12 45°試件壓縮過程中應變圖

圖13 45°試件應變－時間圖

圖14 分別為開口角度為30°試件在不同時刻的應變圖，圖14(a)為試件加載前期全場應變圖，11s時復合材料處于線彈性階段。62s時試件表面出現(xiàn)明顯的高應變區(qū)域，且在出現(xiàn)高應變的地方出現(xiàn)明顯的裂紋(如圖14(b)所示)。在這些裂紋出現(xiàn)的時間段內(nèi)，應變也發(fā)生了驟增或驟減(如圖15示)。與前面的材料破壞階段相一致，高應變區(qū)集中出現(xiàn)在復合材料的自由端和傾斜壁處，但與60°和45°的試件不同的是，30°試件的高應變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)非傾斜壁處，因為傾斜壁是主要承力結(jié)構(gòu)，而30°的試件在壓縮過程中，其首先斷裂的是非傾斜壁，在后續(xù)的進程中，其傾斜壁并沒有發(fā)揮出最大的承力能力，復合材料已發(fā)生斷裂失效，這也就是30°試件載荷峰值明顯低于其他兩種試件的原因，與上文在受力層面的分析一致。

圖14 30°試件壓縮過程中應變圖

圖15 30°試件應變－時間圖

3 結(jié)論

使用VARTM工藝制備了不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料，在萬能試驗機下進行壓縮試驗，并結(jié)合3D－DIC技術(shù)分析三維編織復合材料損傷演變過程。

(1)三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料壓縮曲線在壓縮平臺區(qū)有大量的不規(guī)則且不重復的壓縮峰，且最大載荷并不是由第一個變形峰決定，蜂窩結(jié)構(gòu)提供了緩沖作用，使得復合材料抗壓能力得到提高。

(2)不同開口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料壓縮載荷最大值相差較大。60°開口角度載荷明顯高于30°和45°的復合材料。

(3)不同開口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料在壓縮過程中破壞模式大致相同，破壞過程可分為三個階段。

第一階段:隨著載荷的增加，復合材料表面的樹脂基體開裂，裂紋逐漸向纖維內(nèi)部延伸，且首先出現(xiàn)在材料的自由端。這是因為在壓縮過程中，傾斜壁在材料端部周圍發(fā)生彎曲變形，隨著變形量的增大，表面出現(xiàn)應力分布不均現(xiàn)象，接頭處出現(xiàn)應力集中，且材料自由端的長度較短，因此最先受到破壞。

第二階段:蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)裂紋后，傾斜壁隨著載荷的增加也受到了破壞，這些區(qū)域的應變也在急劇增加。原因是載荷增大，傾斜壁的彎曲度增加，向內(nèi)收縮，但復合材料的彈性性能有限，到達收縮極限時，傾斜壁破壞。

第三階段:載荷繼續(xù)增大，復合材料整體的彎曲度增大，六角形蜂窩的傾斜壁向內(nèi)收縮，在連接點處產(chǎn)生拉力。拉力通過連接點傳遞到蜂窩的非傾斜壁上，導致非傾斜壁向內(nèi)彎曲運動，產(chǎn)生裂紋。