碳纖維增強編織復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)力學性能及其損傷機制

谷元慧， 周紅濤， 張典堂， 劉景艷， 王曙東

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇 鹽城 224005； 2. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

碳纖維增強復合材料(CFRP)因其具有高比強度、高比剛度、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、耐化學腐蝕、抗沖擊、耐疲勞等優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、汽車、船舶等領(lǐng)域[1-3]。相比于傳統(tǒng)的金屬傳動軸，碳纖維復合材料汽車傳動軸具有更加優(yōu)越的抗振性、高承扭性以及更小的臨界速度，且能夠滿足全球汽車行業(yè)對于汽車輕量化設(shè)計的要求，從而減少碳排放,降低能源損耗。

扭轉(zhuǎn)性能是復合材料汽車傳動軸在實際使用中最為重要的力學性能之一。各向異性復合材料的破壞模式不同于各向同性復合材料，相比之下，前者更為復雜[4]，因此，系統(tǒng)研究復合材料圓管在扭轉(zhuǎn)工況條件下的力學行為對于設(shè)計復合材料軸類構(gòu)件非常重要。當前，國內(nèi)外已有較多關(guān)于復合材料圓管的壓縮[5-6]、沖擊[7-8]、彎曲[9]等力學性能的相關(guān)研究，但是對于復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)力學性能研究則相對較少。目前，對復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)研究主要是從復合材料結(jié)構(gòu)、預制體原料、制備工藝、加載條件等因素出發(fā)，探究其對扭轉(zhuǎn)力學性能的影響。Lee等[10]引入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以通過誤差反向傳播算法來研究預測在扭轉(zhuǎn)、軸向拉伸/壓縮復雜載荷綜合作用下的復合材料管的失效強度，這為復合材料管的復雜力學行為研究提供了新的表征方法。Wang等[11]基于扭轉(zhuǎn)測試和損傷區(qū)域掃描電鏡照片等相關(guān)數(shù)據(jù)討論了管件結(jié)構(gòu)對三維編織復合材料管扭轉(zhuǎn)強度、扭轉(zhuǎn)模量和破壞模式的影響，結(jié)果表明：三維五向編織復合材料管與三維多層纏繞編織復合材料管相比，前者抗扭強度較高，主要在壓縮和剪切破壞時斷裂;后者扭轉(zhuǎn)模量最高，主要在拉伸和剪切破壞時斷裂。Mansour等[12]的研究表明，碳纖維纏繞復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)性能明顯優(yōu)于玻璃纖維纏繞復合材料圓管。Potluri等[13]對具有不同編織角度的1層或多層雙軸和三軸編織復合材料的扭轉(zhuǎn)性能進行了研究，在有限元結(jié)構(gòu)模型中考慮了絲束在結(jié)構(gòu)中的彎曲形態(tài)，并假定絲束橫截面為雙凸透鏡幾何形狀，完善了模型的精細化程度；試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比表明了該模型的有效性。孫偉等[14]通過試驗和有限元模擬研究了碳纖維/樹脂復合材料薄壁圓管在純扭工況下的失效模式。研究結(jié)果顯示，復合材料圓管的初始缺陷對屈曲和失效載荷的模擬影響較大。課題組前期研究[15]探討了編織角對碳纖維/樹脂編織復合材料圓管扭轉(zhuǎn)力學性能的影響，并指出其中45°編織角更接近于扭轉(zhuǎn)加載時圓管的受力方向，因此，編織纖維束在軸向承擔更多的外加載荷。又因碳纖維的軸向力學性能遠大于橫向，所以纖維的利用效率增加，進而圓管結(jié)構(gòu)的整體承扭性能也有明顯提升。

眾多研究表明復合材料的結(jié)構(gòu)是影響其力學性能的關(guān)鍵因素[16-18]，對于編織復合材料圓管結(jié)構(gòu)件來說，編織角[15]和編織層數(shù)是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)；但當前關(guān)于編織復合材料圓管扭轉(zhuǎn)性能的研究報道中，編織層數(shù)對其扭轉(zhuǎn)性能及失效機制的影響研究還不夠透徹。為此，本文采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)與微計算機斷層掃描技術(shù)(Micro-CT)對具有不同編織層數(shù)的碳纖維/樹脂編織復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)力學性能及失效機制進行系統(tǒng)研究，以期為復合材料圓管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，進一步提升其抗扭性能。

1 扭轉(zhuǎn)試樣制備與試驗測試

1.1 編織復合材料圓管制備

編織復合材料圓管預制體以日本東麗(Toray)公司生產(chǎn)的T700-12K型碳纖維為原料，基于二維編織鋪層(Over-braiding)工藝編織而成，編織機型號為 216 Carrier Over-braider。編織時用于支撐的芯模均為直徑等于25 mm的實心45#型圓柱鋼，芯模的兩端有與編織機上固定桿相匹配的螺紋孔。

采用真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝完成編織復合材料圓管的復合成型，該工藝示意圖如圖1所示?；w選用南通星辰合成材料公司生產(chǎn)的WSR618(E-51)雙酚A型環(huán)氧樹脂，固化劑采用無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的5023型固化劑，按環(huán)氧樹脂與固化劑質(zhì)量比為3∶1的比例配制。圓管的復合成型在室溫條件下進行，注入樹脂的過程中保持真空壓力為0.098～0.1 MPa。根據(jù)E-51樹脂的熱學特性及VARI固化經(jīng)驗，將注膠后的試樣在70 ℃、4 h，80 ℃、2 h，90 ℃、3 h的條件下進行固化。制備完成的編織復合材料圓管的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 VARI復合工藝示意圖Fig.1 Schematic of VARI

1.2 扭轉(zhuǎn)試樣裝配設(shè)計及加工

本文的扭轉(zhuǎn)測試主要參照ASTM D5448/D5448M—1993(2006)《環(huán)形纏繞聚合物矩陣復合材料圓柱體面內(nèi)剪切性能的標準試驗方法》與GB/T 4726—1984《樹脂澆鑄體扭轉(zhuǎn)試驗方法》，圓管標距長度L0為100 mm。為保證編織復合材料圓管在扭轉(zhuǎn)測試時不發(fā)生打滑及弱化夾持區(qū)應(yīng)力集中效應(yīng)，對試樣進行端部裝配設(shè)計。根據(jù)扭轉(zhuǎn)測試所采用的RNJ-500扭轉(zhuǎn)試驗機卡盤形狀及扭轉(zhuǎn)時圓管的受力特點，在試樣兩端外接內(nèi)圓外六角鋼管，內(nèi)壁接空心圓鋼管。其中，裝配采用膠接方式，以避免對試樣造成二次損傷而影響研究結(jié)果。外連接膠黏劑采用德國奇思靈公司生產(chǎn)的ergo 1309型雙組分膠黏劑，內(nèi)連接采用E-51樹脂。編織復合材料圓管扭轉(zhuǎn)試樣設(shè)計如圖2所示。

表1 編織復合材料圓管結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Braided composite tubes structure parameters

圖2 編織復合材料圓管扭轉(zhuǎn)試樣設(shè)計Fig.2 Design of torsion specimen of braided composite tube

1.3 扭轉(zhuǎn)試驗-非接觸全場應(yīng)變測試

扭轉(zhuǎn)測試以施加勻速扭轉(zhuǎn)角度進行加載，加載速度為30(°)/min，每種層數(shù)試樣個數(shù)為3。扭轉(zhuǎn)剛度計算公式為

式中：Kt為扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/(°)；T為扭矩，N·m；φ為扭轉(zhuǎn)角，(°)。

進行扭轉(zhuǎn)測試的同時在扭轉(zhuǎn)試驗機上搭建道姆光學科技有限公司生產(chǎn)的非接觸式三維光學應(yīng)變測量儀，照片采集系統(tǒng)實時記錄試樣的扭轉(zhuǎn)變形過程，收集到的變形圖像通過ARAMIS數(shù)據(jù)分析進行處理以獲取應(yīng)變場數(shù)據(jù)。CCD相機拍攝頻率設(shè)置為1幀/s，試樣表面的虛擬應(yīng)變片形狀為四邊形，大小為19像素×19像素，步距為15像素，精度為0.05像素。

1.4 Micro-CT斷層掃描

在扭轉(zhuǎn)測試后，采用上海恩迪檢測控制技術(shù)有限公司的Diondo d2高分辨率全能型微焦點CT檢測系統(tǒng)設(shè)備對試樣進行掃描，以獲取編織復合材料圓管的內(nèi)部損傷情況。單個試樣一次掃描完成，掃描分辨率為0.03 mm，投影數(shù)量為1 800，利用VG Studio Max軟件處理掃描獲取的二維投影圖像。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 扭轉(zhuǎn)力學性能

圖3示出3種不同編織層數(shù)試樣的扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線和扭轉(zhuǎn)剛度。可以看出，扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線在穩(wěn)定后基本為線彈性狀態(tài)，圓管呈現(xiàn)脆斷失效特征。圓管的失效扭矩和扭轉(zhuǎn)角均隨著編織層數(shù)的增加而大幅度增加，其中，4層試樣的失效扭矩高達450.00 N·m。這主要是因為纖維是復合材料的承載主體，編織層數(shù)的增加導致承擔外力的纖維明顯增加。另外，層間的摩擦力增加，抗剪切、壓縮等性能明顯提升。

從圖3還可以看出：隨著編織層數(shù)的增加，扭轉(zhuǎn)剛度也呈上升趨勢；對比2層試樣，3層試樣的扭轉(zhuǎn)剛度增加了約16.39%，4層試樣的扭轉(zhuǎn)剛度增加了約37.99%，且4層試樣的抗扭剛度達23.79 N·m/(°)。這是因為在不改變內(nèi)徑的情況下，外徑隨著編織層數(shù)的增加而增加，而抗扭截面系數(shù)與外徑成正比，所以抗扭變形能力與扭轉(zhuǎn)剛度增加。以上結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增加編織層數(shù)，可有效改善編織復合材料圓管的抗扭性能。

圖3 不同編織層數(shù)試樣的扭轉(zhuǎn)力學性能Fig.3 Torsional mechanical properties of specimens with different braiding layers. (a) Torque-twist angle curves; (b) Torsional stiffness

編織復合材料圓管在扭轉(zhuǎn)載荷下的漸進應(yīng)變場情況如圖4所示。由應(yīng)變分布云圖可知，編織復合材料圓管在扭轉(zhuǎn)載荷下具有明顯的層數(shù)效應(yīng)。圓管表面的高應(yīng)變集中區(qū)域表現(xiàn)為基本沿纖維束編織路徑方向，且沿圓管軸向連續(xù)，周向間隔(如2層試樣的d圖)，該特征表明應(yīng)變分布情況與編織結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。在加載初始階段(0～a)，主要是基體傳遞應(yīng)力，此階段圓管并未產(chǎn)生任何破壞，但值得注意的是，2層試樣出現(xiàn)高應(yīng)變點，表面產(chǎn)生了微變形。隨著加載的持續(xù)進行，到b點時，所有試樣的云圖顏色都出現(xiàn)了變化:2層試樣產(chǎn)生相對明顯的應(yīng)變集中區(qū);3層試樣出現(xiàn)整體較為均勻的微變形;4層試樣變化不大。當扭轉(zhuǎn)加載至c點時，2層試樣在此時已出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，3層試樣局部高應(yīng)變點出現(xiàn)，4層試樣出現(xiàn)應(yīng)變集中的趨勢。斷裂前一刻(d點)主要是纖維發(fā)揮承載主體作用。對比發(fā)現(xiàn)，編織層數(shù)越少，高應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)變值和面積越大，此時假塑性變形區(qū)域形成。直到e點時刻，變形累積，試樣承載達到極限，出現(xiàn)明顯破壞損傷，結(jié)構(gòu)失效。

圖4 應(yīng)變場云圖Fig.4 Strain field cloud.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

2.2 扭轉(zhuǎn)失效機制

圖5示出編織復合材料圓管試樣在扭轉(zhuǎn)載荷下的典型宏觀損傷失效形貌。其中，采用2個半管部分(A、B)平面圖展開的形式來更加完整地展示圓管試樣的損傷特征。

由圖5可知，3種層數(shù)試樣宏觀表面損傷均呈現(xiàn)繞管壁的螺旋剪切帶形態(tài)，與圖中應(yīng)變云圖顯示的情況相對應(yīng)。扭轉(zhuǎn)損傷宏觀失效模式的種類差異不大，主要有纖維束不同形式的破壞、基體失效和因材料脫落形成的凹坑。不同編織層數(shù)圓管的扭轉(zhuǎn)損傷范圍及嚴重程度不盡相同。對比發(fā)現(xiàn)，2層試樣的纖維端口較為整齊，剪切帶寬度較細(見圖5(a))，以纖維斷裂為主。結(jié)合圖3、4可知，這種情況是因為2層試樣的層數(shù)較少，承載能力較弱，材料在較短時間內(nèi)出現(xiàn)破壞。由圖5(b)可知，3層試樣損傷帶長度較短，除纖維束斷裂外，還出現(xiàn)了纖維束劈裂特征。此現(xiàn)象的出現(xiàn)可以解釋為形成扭轉(zhuǎn)剪切斷口的作用力與該纖維束的軸向角度產(chǎn)生了偏差，纖維束受到較大的拉伸力，但還不足以使其斷裂，加上扭轉(zhuǎn)、擠壓、摩擦等作用力，纖維束本身產(chǎn)生了輕微偏轉(zhuǎn)，形成劈裂。尤其4層試樣的剪切帶寬度較大，纖維束端口凌亂，損傷區(qū)域放大部分顯示剪切裂縫處的材料擠壓翹曲愈加明顯(見圖5(c))。這是因為層數(shù)增加使得材料受力主方向兩側(cè)承擔分力的材料增加，圓管承載時間延長，同時纖維、基體等材料之間的擠壓等相互作用也在加劇。另外，層數(shù)增加導致材料厚度也增加，所以裂縫兩側(cè)的高度對比更加明顯。編織復合材料圓管的細觀損傷形貌如圖6所示。

圖5 不同編織層數(shù)試樣的宏觀扭轉(zhuǎn)損傷形貌Fig.5 Macroscopic torsional damage morphologies of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

圖6 不同編織層數(shù)試樣的內(nèi)部損傷Micro-CT圖片F(xiàn)ig.6 Micro computed tomograms of internal damage of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

為了觀察試樣內(nèi)部損傷情況，分別沿試樣的軸向(Z向)與徑向(X向)各選取5張Micro-CT斷層圖片，圓管三維模型表明每張斷層圖片在試樣中的所處位置。徑向損傷Micro-CT圖片顯示所有試樣的損傷表現(xiàn)為貫穿整個管壁的剪切損傷。圓管內(nèi)部細觀扭轉(zhuǎn)損傷模式主要體現(xiàn)為纖維與基體的碎裂、分層。編織層數(shù)越多，圓管周向分層及軸向開裂程度越弱。這是因為在編織復合材料圓管預制體過程中，預制體層數(shù)越多，編織過程中層間壓力越大，層間嵌套越緊密，結(jié)構(gòu)整體性增強，裂紋不易沿層間擴展[5]。同宏觀失效形貌相似，3、4層試樣碎裂程度嚴重、斷口平整度較差。特別是，如圖6(c)中X向第4張圖局部放大部分所示，4層試樣內(nèi)部出現(xiàn)了因?qū)娱g微裂紋的連接和貫通而形成的纖維橋接形貌。

圖7示出3種編織層數(shù)試樣的損傷區(qū)域SEM照片?？芍幙棌秃喜牧蠄A管在扭轉(zhuǎn)載荷下形成的微觀損傷失效模式主要有3類：基體開裂或碎裂(見圖7(b)中B和圖7(c)中C)、纖維斷裂及抽拔(見圖7(b)中D和圖7(c)中B)、纖維/基體界面脫黏(如圖7(a)中B和圖7(c)中A、D)，Yu等[19]在對C/SiC復合材料進行扭轉(zhuǎn)性能研究時也發(fā)現(xiàn)了類似的失效模式。其中，纖維/基體脫黏是因為載荷的不斷增加使得層間作用力下降所導致，加之基體裂紋的擴展，纖維與基體之間的黏結(jié)力下降更為明顯。

注：圖中A、B、C、D為針對典型損傷區(qū)域的隨機SEM照片。圖7 不同編織層數(shù)試樣的損傷區(qū)域SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of damaged areas of specimens with different braiding layers.(a) 2 layers; (b) 3 layers; (c) 4 layers

編織層數(shù)的增加使得不同試樣的破壞形態(tài)明顯不同，主要表現(xiàn)在斷口整齊度、纖維失效形式以及基體的碎裂嚴重程度。對比圖7(a)中B、圖7(b)中B和圖7(c)中C這3幅圖可知，相比于3層和4層試樣，2層試樣失效形式更多地表現(xiàn)為纖維束的斷裂，且纖維束斷口更為整齊。如前所述，因編織層數(shù)較少，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力傳播速度更快，材料承載時間短，脆性特征更為明顯。如圖7(b)中D和7(c)中D所示，3層試樣纖維與基體碎裂情況嚴重，4層試樣的基體碎裂和脫黏特征更為突出。一方面，因破壞往往發(fā)生在薄弱處，纖維承力性能遠強于樹脂，而編織層數(shù)增加的同時承載扭轉(zhuǎn)載荷的總纖維數(shù)增加，所以單根纖維承擔的載荷下降，表現(xiàn)為纖維破壞減少，基體失效明顯。另一方面，較多層數(shù)的試樣在抵御扭轉(zhuǎn)外力時，材料之間的相互作用更為復雜，特別是纖維與纖維之間、纖維與基體之間以及基體與基體之間的沿圓管的環(huán)向剪切不均勻擠壓摩擦，使得纖維屈曲折斷形成多段長短不一的纖維，且斷口不平整，但是由于基體與纖維之間的黏結(jié)作用，大部分斷裂纖維未脫落。而強度較低的基體在不斷增加的復雜應(yīng)力作用下，微裂紋出現(xiàn)并持續(xù)擴展。經(jīng)上述受力過程，形成了最終的較多斷裂短纖維與碎裂嚴重的基體。此外，如圖7(c)中B所示，4層試樣出現(xiàn)了明顯的抽拔斷裂，這是典型的拉伸斷裂現(xiàn)象[15,20]，表明扭轉(zhuǎn)加載過程中，部分扭轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化成為沿纖維束編織方向的拉力。

3 結(jié) 論

采用二維編織鋪層(Over-Braiding)編織工藝及真空輔助樹脂灌注(VARI)復合成型工藝制備了不同編織層數(shù)的碳纖維增強編織復合材料圓管，并設(shè)計加工了適用于扭轉(zhuǎn)試驗的夾持區(qū)端部裝配裝置。從扭轉(zhuǎn)力學行為、漸進應(yīng)變場以及宏、細、微觀3個層次的損傷模式幾個方面綜合研究了編織復合材料圓管的扭轉(zhuǎn)性能層數(shù)效應(yīng)影響機制，通過探討分析得出如下結(jié)論。

1)編織復合材料圓管在扭轉(zhuǎn)載荷下呈線彈性脆斷特征，編織層數(shù)的增加可明顯提升其承扭峰值及扭轉(zhuǎn)剛度，其中4層試樣的失效扭矩和扭轉(zhuǎn)剛度分別達450.00 N·m和23.79 N·m/(°)。

2)三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)可高精度預測損傷失效位置。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變傳播擴散與編織結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，高應(yīng)變集中區(qū)主要集中在沿纖維束編織路徑方向，且沿圓管軸向連續(xù)，周向間隔。編織層數(shù)的增加有助于應(yīng)變的穩(wěn)定傳播，減少應(yīng)變集中，降低高應(yīng)變值。

3)在扭轉(zhuǎn)工況下，編織復合材料圓管呈現(xiàn)貫穿管壁的空間螺旋剪切損傷形貌，編織層數(shù)對編織復合材料圓管的主要損傷失效模式及嚴重程度具有重要影響。宏、細觀損傷失效模式主要有纖維束斷裂或劈裂、基體開裂、結(jié)構(gòu)分層以及材料脫落缺失，層數(shù)越多，試樣剪切帶翹曲更加明顯，分層程度下降；在微觀層面，2層試樣的失效模式主要為纖維失效，3層試樣表現(xiàn)為纖維與基體的碎裂，4層試樣的基體失效、脫黏及纖維抽拔斷裂等失效特征明顯。