張震東， 王雪琴， 任杰， 劉崢， 高原， 王璽

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.火箭軍研究院， 北京 100089；3.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多胞結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的吸能能力，作為防撞擊能量吸收部件廣泛應(yīng)用于防護(hù)工程中。近年來，越來越多研究者利用試驗(yàn)或者仿真的手段對全纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多胞結(jié)構(gòu)的吸能特性、破壞模式進(jìn)行了深入研究。

為尋找耗能性能更好的材料，Russell等[1-2]和Park等[3]采用搭扣工藝制作了四邊形復(fù)合材料蜂窩，并利用試驗(yàn)手段結(jié)合有限元仿真數(shù)據(jù)較詳細(xì)研究了碳纖維/環(huán)氧樹脂正方形復(fù)合材料蜂窩芯在靜態(tài)壓縮、動態(tài)壓縮、動態(tài)沖擊載荷下的耗能機(jī)理及失效模式，研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)比金屬蜂窩芯的比吸能更高，且具有較強(qiáng)的高速沖擊防護(hù)能力。Russell及其團(tuán)隊(duì)的研究成果為其他學(xué)者進(jìn)一步研究吸能效率更高、結(jié)構(gòu)形式更加多樣的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)提供了很好的借鑒，但沒有分析鋪層角度、纖維體積含量等復(fù)合材料細(xì)觀組分特性對蜂窩沖擊響應(yīng)的影響。

Airoldi等[4]在上述研究基礎(chǔ)上，分析了復(fù)合材料手性蜂窩芯的準(zhǔn)靜態(tài)面外壓潰響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)比正方形復(fù)合材料蜂窩具有更高的比吸能。為了對比纖維自身特性對吸能特性的影響，Petrone等[5]分別采用試驗(yàn)手段分析了模壓工藝制作的短亞麻纖維及長亞麻纖維增強(qiáng)六邊形蜂窩芯低速動態(tài)面外沖擊行為和耗能機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明長纖維蜂窩芯的吸能特性更好。Stocchi等[6]通過試驗(yàn)研究了黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蜂窩芯的失效模式以及胞元壁厚對面外壓縮響應(yīng)的影響。Prakash等[7]采用模壓工藝制作了編織玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料蜂窩夾芯板，利用試驗(yàn)手段獲取了夾芯板的面外沖擊破壞模式。Vitale等[8]采用搭扣工藝制作了超輕碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(CFRP)四邊形蜂窩芯并分析了其靜態(tài)面外壓縮響應(yīng)，獲取了破壞模式并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。周昊等[9]和Zhou等[10]首次利用數(shù)值模擬方法研究了碳纖維/環(huán)氧樹脂正方形復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)在水中爆炸沖擊波載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，并對比了等質(zhì)量復(fù)合材料層合板的防護(hù)性能，結(jié)果表明復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)防護(hù)效果更優(yōu)。Pehlivan等[11]采用模壓法制作了圓形、方形、六邊形CFRP蜂窩芯，利用靜態(tài)面外壓縮試驗(yàn)獲取了胞元形狀、胞元壁厚對蜂窩結(jié)構(gòu)的靜態(tài)耗能特性和破壞模式。Wei等[12]采用裁剪折疊工藝制作了六邊形CFRP蜂窩芯，并對其夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了面外靜態(tài)壓縮與剪切性能試驗(yàn)，獲取了夾芯結(jié)構(gòu)的失效模式，試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力。

Gao等[13]采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合方法研究了彎曲載荷下PP塑料蜂窩芯- 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)面板夾芯結(jié)構(gòu)的行為，并對其比吸能和初始峰值進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，研究結(jié)果表明夾芯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對峰值壓縮載荷和比吸能有較大影響。Zhang等[14]采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合方法研究了低速沖擊載荷下六邊形Nomex紙蜂窩芯- CFRP面板夾芯結(jié)構(gòu)的行為，發(fā)現(xiàn)了夾芯結(jié)構(gòu)的多種失效模式。Fu等[15]與文獻(xiàn)[13-14]的不同之處在于對比分析了有無泡沫填充六邊形紙蜂窩芯- 亞麻纖維面板夾芯梁的彎曲和剪切行為。

Zeng等[16]采用3D打印方法制作了具有形狀記憶效應(yīng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，利用試驗(yàn)手段對其面內(nèi)及面外壓縮性能和耗能特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在抗壓強(qiáng)度和比能量吸收方面較優(yōu)秀。

文獻(xiàn)[17]提出一種由多根小尺寸的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料圓管填充進(jìn)大尺寸碳纖維管組成的多胞填充結(jié)構(gòu)，并分別對單管也稱單胞結(jié)構(gòu)(SCT)和多胞填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次全行程加載和多次分段加載的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，研究了其壓縮破壞模式和吸能特性，通過分析發(fā)現(xiàn)合適的外部約束形式可使多胞填充結(jié)構(gòu)比吸能高于SCT的最大比吸能。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者為提高耗能元件的比吸能，采用模壓工藝、搭扣工藝、3D打印方法制作了全碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管多胞結(jié)構(gòu)(MSCT)(或蜂窩結(jié)構(gòu))，但多以研究六邊形、四邊形蜂窩的耗能特性和破壞模式為主，圓形(MSCT)壓縮響應(yīng)的研究較少，而文獻(xiàn)[11]的研究表明圓形結(jié)構(gòu)的耗能特性相比于其他結(jié)構(gòu)更優(yōu)，因此進(jìn)一步研究圓形(MSCT)的壓縮響應(yīng)更加有意義。

由于模壓工藝、搭扣工藝、3D打印工藝對試件制作設(shè)備的要求較高，制作工藝復(fù)雜，本文采用膠結(jié)方法將現(xiàn)成的CFRP圓形管粘接起來組成圓形MSCT，通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)詳細(xì)研究了該MSCT的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞模式，分析了胞元數(shù)量、管壁厚對耗能特性的影響，以期為復(fù)合材料MSCT的制作與耗能特性的進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 試件與試驗(yàn)方法

1.1 試件制作

本文采用美國3M公司生產(chǎn)的DP460環(huán)氧樹脂膠，將單根CFRP圓形管粘接到一起后即形成了CFRP圓形MSCT，如圖1所示，試件尺寸、質(zhì)量及耗能特性如表1所示。CFRP圓管由東麗(中國)投資有限公司生產(chǎn)的平紋碳纖維T300-3K/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料采用熱壓工藝制作而成。

1.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)均使用長春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的CSS-44300萬能材料試驗(yàn)機(jī)完成，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)的壓縮速率5 mm/min，壓縮行程30 mm。為保證數(shù)據(jù)的可信度，每種工況進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，獲得3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均。

圖1 圓形MSCT試件Fig.1 Circular MSCT specimens

表1 試件尺寸、質(zhì)量及耗能特性Tab.1 Dimensions, mass and energy absorption characteristics of specimens

圖2 CSS-44300萬能材料試驗(yàn)機(jī)Fig.2 CSS-44300 universal material testing machine

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 失效模式

2.1.1 外部破壞形式

1)SCT失效模式。SCT靜態(tài)壓縮后的破壞形貌如圖3所示。由圖3可知，由于應(yīng)力集中，壓縮過程中碳纖維管頂端首先發(fā)生破壞，隨著上端壓頭的進(jìn)一步加載，管壁分別沿著內(nèi)外管中面逐漸形成內(nèi)葉、外葉兩層，但由于壓頭下端面的限制，擠壓著內(nèi)外葉分別向碳纖維管孔內(nèi)、孔外彎曲，并在彎曲過程中沿著周向逐漸分成多瓣層束。其中，由于內(nèi)孔空間的限制，造成彎曲過程中內(nèi)葉與孔內(nèi)壁接觸過程中出現(xiàn)斷裂，因此內(nèi)葉層束碎裂比外葉更加嚴(yán)重，且壓縮過程中逐漸填滿內(nèi)孔剩余空間，而外葉在壓潰過程中沒有出現(xiàn)明顯的軸向撕裂和層束斷裂。本文試驗(yàn)中，4種厚度的SCT靜態(tài)壓縮都形成了花瓣?duì)钇茐哪Ｊ?，均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的漸進(jìn)壓縮破壞過程。

圖3 SCT的失效模式Fig.3 Failure mode of SCT specimen

2)MSCT失效模式。MSCT靜態(tài)壓縮過程及壓縮后的破壞形貌如表2所示。從表2中可知，MSCT的破壞模式可歸納為以下兩種：纖維管漸進(jìn)壓縮破壞，粘接面未出現(xiàn)分層(失效模式Ⅰ，見圖4)，壓縮過程中纖維管漸進(jìn)壓縮破壞，但粘接面出現(xiàn)分層(失效模式Ⅱ，見圖5)。

圖4 失效模式ⅠFig.4 Failure mode Ⅰ

圖5 失效模式ⅡFig.5 Failure mode Ⅱ

由表2可知，與SCT的壓縮過程和破壞模式相似，MSCT在靜態(tài)壓縮過程中也出現(xiàn)穩(wěn)定的漸進(jìn)壓縮破壞。多管填充結(jié)構(gòu)與SCT破壞模式不同之處在于：1)由于兩根管子結(jié)合處的限制，越靠近粘結(jié)界面，纖維束破碎越嚴(yán)重。2)管壁越厚時(shí)，纖維束外葉對相鄰碳纖維管的擠壓越嚴(yán)重，導(dǎo)致管壁越厚，粘接面越容易破壞。本文壁厚為0.5 mm的試件沒有出現(xiàn)粘接面破壞的情況，而壁厚大于0.5 mm的試件均出現(xiàn)粘結(jié)面破壞的失效模式。

通過分析，本文歸納出兩種產(chǎn)生膠結(jié)面破壞的主要原因以及破壞形式：1)兩管纖維擴(kuò)展時(shí)相互擠壓，若擠壓力大于粘結(jié)面膠體的粘接力，則會出現(xiàn)粘結(jié)面分層的現(xiàn)象，其余壁厚的試件均出現(xiàn)了粘結(jié)面破壞，擠壓力與裂紋擴(kuò)展方向垂直，膠結(jié)面破壞過程類似于Ⅰ型裂紋擴(kuò)展過程，如圖6(a)所示；2)碳纖維管加工過程及MSCT裝配過程中不可避免地存在加工誤差與裝配誤差，本文碳纖維管的長度誤差在0.1 mm以內(nèi)，裝配完成后MSCT的上平面及下平面的平面度誤差不大于0.15 mm。試件尺寸公差在允許范圍內(nèi)，但以上誤差的存在使得MSCT中各圓管的高度不一致，導(dǎo)致壓縮過程中一些管子的上端面與壓頭活動端接觸，而下端面不與固定端接觸，使得膠結(jié)面承受較大的軸向剪切力，剪切力與裂紋擴(kuò)展方向平行，膠結(jié)面破壞過程類似于Ⅱ型裂紋擴(kuò)展過程，如圖6(b)所示。

2.1.2 內(nèi)部破壞形式

采用拉花鋸沿結(jié)構(gòu)中部垂向剖面對SCT及兩胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切，剖切后的截面如圖7、圖8所示。

表2 試件壓縮過程及失效模式

圖6 試件壓縮過程中膠結(jié)面破壞Fig.6 Failure of bonding surface during compression

圖7 單管結(jié)構(gòu)壓縮后剖面(綠色虛線為碳管的中面，紅色虛線表示纖維素的擴(kuò)展方向)Fig.7 Cross section of SCT specimen (The green dotted lines are the middle surface of the CFRP tubes, and the red dotted lines represent the extension direction of the fiber bundles)

圖8 兩胞結(jié)構(gòu)試件壓縮后剖面(綠色虛線為碳管的中面，紅色虛線表示纖維素的擴(kuò)展方向)Fig.8 Cross section of two-cellular structure of CFRP tubes (The green dotted lines are the middle surface of the CFRP tubes, and the red dotted lines represent the extension direction of the fiber bundles)

對比圖7、圖8可以看出：對于SCT的纖維由于無管外約束，纖維束向外擴(kuò)展更加充分，對稱性好；纖維束內(nèi)葉在管內(nèi)由于受到管壁的限制破碎充分；對于兩胞及其他多胞結(jié)構(gòu)而言，粘接面處的纖維束由于受到相鄰管子的影響，無法向管子外側(cè)擴(kuò)展，導(dǎo)致粘結(jié)面處的纖維束以向管內(nèi)擴(kuò)展為主，且此部分纖維束沒有發(fā)生明顯破碎，而主要以纖維束分層和纖維屈曲的破壞形式為主，粘接面以外區(qū)域纖維束的擴(kuò)展和破壞形式與SCT相似。

與SCT及兩胞結(jié)構(gòu)不同，三胞及四胞結(jié)構(gòu)分別會在結(jié)構(gòu)中心圍成一個近似于三角形或菱形的空間，如圖9所示。為便于觀察菱形空間內(nèi)纖維束的破壞情況，按圖10所示剖切方式對壓縮過后的四胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切，剖切后的截面如圖11所示。

圖9 MSCT中心處圍成的空間Fig.9 Space of MSCT center

圖10 四胞結(jié)構(gòu)的剖切方式Fig.10 Sectioning method of four-cellular structure of CFRP tubes

圖11 四胞結(jié)構(gòu)壓縮后A-A剖面Fig.11 Cross section of four-cellular structure of CFRP tubes

從圖11中可以看出，菱形空間內(nèi)的纖維束破壞模式與圓管內(nèi)的纖維束相似，但由于空間狹小纖維束無法充分?jǐn)U展，導(dǎo)致此空間內(nèi)的纖維束卷曲更嚴(yán)重，多形成彎曲狀碎屑。值得指出的是，纖維碎片將此空間填滿后也會對碳纖維管外壁產(chǎn)生較大的作用力。

2.2 耗能特性分析

2.2.1 壓縮載荷

圖12所示為各試件的壓縮載荷- 位移曲線。從圖12中可以看出，當(dāng)壓縮過程進(jìn)入穩(wěn)定的漸進(jìn)壓縮階段后壓縮載荷表現(xiàn)為不規(guī)則狀波動。因?yàn)楸疚脑囼?yàn)壓縮行程為30 mm，而試件高度為40 mm，壓縮完成后各試件還沒有進(jìn)入明顯的壓實(shí)段，因此壓縮段后期壓縮載荷沒有明顯上升。

從圖12中得到各試件實(shí)際平均壓縮載荷Fme，如圖13所示。圖13中，平均載荷理論值Fmt的定義為SCT平均載荷實(shí)測值與相應(yīng)胞元數(shù)量的乘積。從圖13中可知，壓縮載荷隨著碳纖維管壁厚以及胞元數(shù)量的增加而增大，并且除SCT試件外，其他試件平均載荷實(shí)測值均不小于平均載荷理論值，說明SCT組合成MSCT后，由于壓縮過程中相鄰的碳纖維管抑制了纖維束的擴(kuò)展，造成壓縮載荷進(jìn)一步增大，有利于結(jié)構(gòu)耗能能力的提升。從圖13中可知，本文研究的各胞試件最小平均壓縮載荷為3.53 kN(CT1-1)，最大平均壓縮載荷為102.8 kN(CT4-4)。

圖12 各試件的壓縮載荷- 位移曲線Fig.12 Compression load-displacement curves of MSCT specimens

圖13 各試件平均壓縮載荷的理論值與實(shí)測值Fig.13 Theoretical and measured values of average compressive load

2.2.2 耗能特性

為便于分析本文的MSCT相比于SCT耗能特性的提升程度，以下分別引入能量增長比和比吸能增長比的概念，并由(1)式和(2)式計(jì)算：

μEA=(EAe-EAt)/EAt×100%

(1)

μSEA=(SEAe-SEAt)/SEAt×100%

(2)

式中：μEA為能量增長比；μSEA為比吸能增長比；EAe為能量實(shí)測值；EAt為能量理論值，即SCT的能量實(shí)測值與胞元數(shù)量的乘積；SEAe為比吸能實(shí)測值；SEAt為比吸能理論值，即SCT的比吸能實(shí)測值。本文的比吸能定義為壓縮耗能量與壓縮行程內(nèi)消耗試件的質(zhì)量之比。

圖14(a)、圖14(b)為各試件耗能量與比吸能柱狀圖。從圖14中可知，MSCT的壓縮耗能量和比吸能實(shí)測值均大于理論值，證明了MSCT耗能特性要優(yōu)于SCT。值得指出的是：1)耗能量隨著管數(shù)、壁厚的增加而增加；2)對于同一管數(shù)的試件而言，試件比吸能隨著圓管壁厚的增加而增加。通過圖14(b)可得本文制作的多胞試件最大比吸能可達(dá)到82 J/g。

圖15所示為μEA與T關(guān)系曲線，圖16所示為μSEA與T關(guān)系曲線。從圖15和圖16中可以看出：對于本文選擇的MSCT而言，最小μEA為10.8%，壁厚為0.5 mm時(shí)四胞結(jié)構(gòu)的μEA可達(dá)到53.2%；對于MSCT試件其最大μSEA為37.9%，最小μSEA為5.2%；壁厚對比吸能增長比的影響與壁厚對能量增長比的影響規(guī)律相似；當(dāng)試件壁厚為0.5 mm時(shí)，試件能量增長比及比吸能增長比最大；當(dāng)試件壁厚增長到1 mm時(shí)，試件能量增長比和比吸能增長比達(dá)到最小值；隨著壁厚增加，上述2個表征量均緩慢增加，但是否隨著壁厚一直增加，仍需進(jìn)一步深入研究。從以上規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，對于本文研究的MSCT存在一個最劣厚度值，在此厚度下MSCT的耗能量及比吸能增長不明顯。

圖15 μEA與T關(guān)系曲線Fig.15 Relationship between EA increment ratio and thickness

圖16 μSEA與T關(guān)系曲線Fig.16 Relationship between SEA increment ratio and thickness

從圖15和圖16中還可以看出，當(dāng)圓管壁厚為0.5 mm時(shí)，四胞結(jié)構(gòu)的μEA、μSEA最大，兩胞結(jié)構(gòu)次之，3管結(jié)構(gòu)最??；隨著壁厚增加，三胞結(jié)構(gòu)的μEA、μSEA要大于兩胞結(jié)構(gòu)和四胞結(jié)構(gòu)。其原因是壁厚和胞元數(shù)量對μEA、μSEA有較大影響：當(dāng)管壁較薄時(shí)，單根碳纖維管的耗能量較小，增加胞元數(shù)量可顯著增加MSCT的耗能量和比吸能，使得四胞結(jié)構(gòu)的μEA、μSEA要大于其他兩種結(jié)構(gòu)；當(dāng)管壁厚較大時(shí)，單根碳纖維管的耗能量較大，MSCT理論耗能量也較大，由相鄰碳纖維管對纖維束擴(kuò)展的限制作用導(dǎo)致的耗能增長比相對于薄壁結(jié)構(gòu)有所減小，因此，壁厚較大時(shí)的μEA、μSEA小于壁厚為0.5 mm的MSCT；隨著壁厚增加，碳纖維管間相互作用對總耗能量的貢獻(xiàn)量逐步增加，但是由于四胞結(jié)構(gòu)總體耗能量仍然較大，使得四胞結(jié)構(gòu)的μEA、μSEA最小。

文獻(xiàn)[17]將多根小直徑碳纖維管填充到較大直徑碳纖維管內(nèi)后，形成了碳纖維復(fù)合材料圓管多胞填充結(jié)構(gòu)。由文獻(xiàn)[17]可知，由于最外側(cè)管件的比吸能低，導(dǎo)致MSCT的最大比吸能小于單管根碳纖維管的最大比吸能。然而，通過對MSCT耗能特性的分析可知，將SCT粘結(jié)成MSCT(或蜂窩結(jié)構(gòu))后，MSCT的比吸能和耗能量均高于SCT比吸能，耗能特性有較大提升。

另外，由于文獻(xiàn)[17]為多管填充結(jié)構(gòu)，壓縮過程中內(nèi)部小碳纖維管產(chǎn)生的纖維外葉會不斷填充大小直徑碳纖維管間的空間，使得平穩(wěn)壓縮行程縮短，文獻(xiàn)[17]填充結(jié)構(gòu)的有效壓縮行程為25 mm，如圖17所示。而本文MSCT無外部碳纖維管約束，壁厚為1 mm(T2)碳纖維管MSCT的有效壓縮行程大于30 mm，高于文獻(xiàn)[17]，如圖18所示。

圖17 文獻(xiàn)[17]填充結(jié)構(gòu)的壓縮載荷- 位移曲線Fig.17 Compression load-displacement curves of multicellular filling structurein Ref.[17]

圖18 厚度T2 MSCT的壓縮載荷- 位移曲線Fig.18 Compression load-displacement curves of T2 MSCT specimens

綜上所述，本文提出的MSCT在有效平穩(wěn)壓縮行程和耗能特性方面均有所提升。

3 結(jié)論

本文以MSCT為研究對象，利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，詳細(xì)研究了該MSCT的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞模式，分析了胞元數(shù)量、管壁厚對耗能特性的影響。得出主要結(jié)論如下：

1)通過壓縮試驗(yàn)得到的MSCT有兩種破壞模式：①碳纖維管漸進(jìn)壓縮破壞，粘接面未出現(xiàn)分層(失效模式Ⅰ)；②壓縮過程中纖維管漸進(jìn)壓縮破壞，但粘接面出現(xiàn)分層(失效模式Ⅱ)，圓管壁厚為0.5 mm的試件出現(xiàn)模式Ⅰ的破壞形式，壁厚大于0.5 mm的試件均出現(xiàn)了模式Ⅱ的破壞形式。

2)壓縮載荷隨著壁厚以及胞元數(shù)量的增大而增大，MSCT試件的平均載荷實(shí)測值均大于平均載荷理論值。

3)MSCT的壓縮耗能量增長比及比吸能增長比均大于0，表明將SCT組成MSCT有利于結(jié)構(gòu)耗能特性的提升，本文試件最大能量增長比達(dá)到53.2%，最大比吸能增長比達(dá)到37.9%，最大比吸能為82 J/g。