碳纖維針刺復合材料的工藝簡單、可設計性強和成本較低，具有高比強度、高比模量等優(yōu)異性能，可用于制造高超聲速飛行器的機翼前緣、固體火箭發(fā)動機噴管、飛行器剎車等不規(guī)則熱防護部件[1~3] 因此，對針刺復合材料的制備和力學性能的研究越來越多 張曉虎等[4]和嵇阿琳等[5]對不同工藝的針刺C/C復合材料進行拉伸、壓縮和彎曲力學實驗，定性分析了針刺工藝對材料力學性能的影響 Li等[6]和Nie等[7] 測試針刺C/C和C/C-SiC復合材料的高溫力學性能，給出了溫度對材料性能的影響 但是，上述實驗測得的針刺復合材料力學性能均有一定的離散性 這種離散性與材料中針刺區(qū)域分布的隨機性和纖維結構的不確定性相關 這表明，針刺材料的微細觀結構特征，例如不同區(qū)域的孔隙結構[8]、紗線尺寸變化[9]等因素對其力學性能都有很大的影響 用微細觀分析模型，可定量分析表征材料的微細觀結構特征 Xie等[10]建立了針刺C/C-SiC復合材料的細觀模型，用有限元法預報材料的剛度性能并分析了針刺工藝對其剛度性能的影響 同時，對于微細觀結構不確定性問題，分析了試樣尺寸及針刺工藝對針刺材料離散性的影響，給出了實驗測試時合適的試樣尺寸[11] 賈永臻[12]建立針刺區(qū)域的數(shù)值計算模型，預報了針刺C/C復合材料的拉伸模量和剪切模量 本文作者也觀測了碳纖維增強樹脂基針刺復合材料內(nèi)部結構，給出了計算材料剛度性能的理論分析方法并成功預報了針刺復合材料的彈性模量[13] 但是，目前關于預測針刺復合材料強度的報道較少[14,15] 尤其是描述針刺工藝對強度的影響，還沒有成熟的表征方法或理論模型

針刺復合材料是通過針刺工藝把面內(nèi)纖維引入到厚度方向，但是在提高層間和厚度方向性能的同時降低了面內(nèi)性能 因此針刺工藝直接影響材料的面內(nèi)性能，特別是面內(nèi)的強度 鑒于此，本文對6種不同工藝的碳纖維增強樹脂基針刺復合材料進行拉伸測試，分析針刺工藝參數(shù)對其面內(nèi)拉伸強度的影響并觀測斷口表面及材料內(nèi)部形貌和分析材料的斷裂機制 基于纖維累計損傷理論(LLS)提出一個針刺復合材料面內(nèi)拉伸強度預測模型，來預報不同工藝針刺復合材料的面內(nèi)拉伸強度

1 實驗方法

針刺復合材料預制體為針刺整體氈 針刺整體氈，是由無緯布和短切纖維網(wǎng)胎交替疊層連續(xù)針刺而成的準三維PAN基T700碳纖維預制體[14,16]，如圖1所示 無緯布由單向連續(xù)長纖維組成，相鄰兩層的無緯布按照0°/90°交替鋪層，網(wǎng)胎由隨機取向的短切纖維構成，纖維成網(wǎng)狀分布，預制體的針刺工藝參數(shù)列于表1 復合材料的纖維體積分數(shù)為25%，基體材料為酚醛樹脂

圖1



圖1針刺預制體結構示意圖[14]

Fig.1Schematic diagram of needle-punched preform

Table 1

表1

表1針刺復合材料制備工藝和拉伸強度

Table 1Process and tensile strength of needle-punched composites

Process id	Needling depth/mm	Needling density /needles·cm-2	Interlayer density (layers)/cm	Tensile strength /MPa	CV
1	13	22	13.5	179.2	6.43%
2	13	35	13.5	165.0	9.68%
3	15	22	13.5	131.9	8.74%
4	15	35	13.5	123.0	10.4%
5	18	22	14.2	72.2	7.30%
6	18	35	15.2	62.9	10.3%

進行6種針刺工藝不同材料的拉伸實驗，用線切割制備試樣 拉伸試樣的形狀和尺寸如圖2所示，其標距段的長度為50 mm，厚度為4 mm 0°和90°無緯布的纖維方向分別定義為x和y方向，材料厚度方向定義為z方向 依據(jù)國家標準GB 1447-2005-T標準，使用Instron-5569試驗機進行拉伸實驗，加載方向為x方向，加載速率為2 mm/min，用動態(tài)應變儀DH5981采集應變，如圖3a所示 測得的拉伸強度數(shù)據(jù)列于表1

圖2



圖2拉伸試件的尺寸和形狀

Fig.2Size and shape of tensile specimen

圖3



圖3針刺復合材料的拉伸試驗和拉伸試件的斷口

Fig.3Tensile test of needle-punched composites (a) and fracture of tensile specimen (b)

對于每種針刺工藝，取5個樣件拉伸強度數(shù)據(jù)的平均值 針刺材料的力學性能有較大的離散性，用離散系數(shù)

CV=Sxˉ×100%

(1)

定量描述材料宏觀力學性能的離散性 式(1)中S為實驗數(shù)據(jù)的標準差，xˉ為平均值

2 結果和討論

從表1可見，用不同工藝制備的針刺復合材料其拉伸強度數(shù)據(jù)均出現(xiàn)一定的離散性，其范圍為6%~11% 這與材料中針孔的位置及針孔中纖維形態(tài)的隨機性有關 比較工藝1和工藝3(或工藝2和工藝4)可見，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著針刺深度的增大材料的拉伸強度下降 針刺深度越大意味著越多的面內(nèi)纖維轉(zhuǎn)移到z方向；在其他針刺工藝相同的條件下，針刺區(qū)域的體積分數(shù)隨著針刺深度的增大而增大 針刺區(qū)域的面內(nèi)拉伸性能遠小于未針刺區(qū)域的性能；比較工藝1和工藝2(或工藝3和工藝4)可見，針刺密度的提高也使拉伸強度降低 針刺密度的提高使相同面積內(nèi)的針孔個數(shù)增加，從而使針刺區(qū)域增大

圖3b和圖4給出了拉伸斷裂后試件斷口和工藝不同材料的應力-應變曲線 從圖3b可見，拉伸試件斷口大致垂直于加載方向 90°無緯布層的斷口比較平整，無緯布內(nèi)沒有明顯的裂紋 針刺纖維束的影響使0°無緯布中纖維斷裂的位置不同，斷面崎嶇不平，有纖維拔出 而網(wǎng)胎層內(nèi)的孔隙較大，纖維的取向隨機，斷裂時斷口處出現(xiàn)孔洞

由圖4可以看出，材料的應力-應變關系為準線性，只在初始階段略有非線性，這與加載過程中材料內(nèi)部基體裂紋擴展和基體破壞等因素有關 在載荷的作用下材料內(nèi)原有的微觀缺陷和新生成的裂紋擴展，使基體的剛度降低而逐漸失去承載能力 用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了拉伸斷口的形貌，如圖5所示 可以看出，材料內(nèi)部(尤其在針刺區(qū)域)有明顯的裂紋缺陷，斷口處發(fā)生了纖維拔出和纖維斷裂 工藝不同試件纖維拔出的量不同，在針刺深度較小的試件斷口纖維拔出量明顯高于針刺深度較大的試件，且斷口處的針刺纖維含量比針刺深度較大的試件少 在拉伸載荷作用下，針刺區(qū)域纖維的斷裂使周圍的缺陷較多，裂紋先在針刺區(qū)域較多的位置擴展 隨著拉伸載荷的增大材料內(nèi)部缺陷及裂紋沿y方向逐漸擴展直至貫穿材料截面，此時面內(nèi)長纖維起主要承載作用 載荷達到0°方向纖維的臨界斷裂載荷時纖維斷裂，材料迅速失去承載能力，在試樣的中心標距區(qū)域發(fā)生破壞

圖4



圖4工藝不同的針刺復合材料的應力-應變曲線

Fig.4Stress-strain curves of needle-punched composites with different processes

圖5



圖5針刺工藝不同的拉伸試件破壞時的SEM形貌以及工藝1試件和工藝5試件的斷口

Fig.5SEM failure morphology of tensile specimen (a, b) and fracture of process 1 specimen (c) and fracture of process 5 specimen (d)

3 針刺復合材料拉伸強度的理論預測模型3.1 基于LLS模型的拉伸強度預測模型

針刺復合材料的面內(nèi)拉伸失效機制為纖維累積損傷模式，即在加載過程中纖維強度的分散性使脆弱纖維發(fā)生隨機斷裂，將載荷轉(zhuǎn)移給未斷纖維 根據(jù)斷裂纖維產(chǎn)生的應力集中能否足以改變纖維累積損傷的隨機性，可將累積損傷模式分為均勻承擔載荷(GLS)模型[17]和局部承擔載荷(LLS)模型[18] 前者認為，纖維斷裂產(chǎn)生的應力集中不足以改變纖維累積損傷的隨機性,載荷由整個截面上未斷的纖維共同承擔；后者則認為局部應力集中不可忽略，斷裂纖維的載荷將轉(zhuǎn)移到周圍未斷的纖維上，使其斷裂的概率提高

試件的斷裂過程表明，針刺復合材料的拉伸強度與加載方向的纖維含量及其纖維拉伸強度密切相關 本文定義的加載方向為0°方向，因此拉伸強度主要由0°無緯布決定，90°無緯布層和網(wǎng)胎層對拉伸強度貢獻很小可忽略不計 材料的拉伸強度隨著受載方向纖維體積分數(shù)的增大而提高 因為針刺工藝不同的無緯布中纖維的損傷程度不同，引入體積折減系數(shù)，并基于局部載荷分配模型建立了預測針刺復合材料拉伸強度的方法

LLS模型考慮了纖維單絲強度的分散性和纖維斷裂后載荷的再分配，認為某一弱纖維的斷裂將造成周圍完整纖維的應力集中，使其斷裂幾率提高 鄰近的斷裂纖維達到一定數(shù)量即形成臨界斷裂纖維簇，引起材料整體的破壞 由i根鄰近斷裂纖維形成臨界斷裂纖維簇，材料斷裂時其模型可表示為

σc=Vfσ0L0iNC1im+1-Vfσm

(2)

其中σc為復合材料的斷裂強度；Vf為復合材料標距段的纖維體積分數(shù)；σ0為纖維的Weibull分布特征強度，σ0=4.9GPa[14]，m為Weibull模數(shù)，m=4.2[19]；L0為拉伸標距段長度，L0=50mm；πN=AVfπr2為纖維單絲數(shù)量 i為形成臨界斷裂纖維簇的鄰近纖維數(shù)量；C=∏j=1iCj為具有長度單位的常數(shù)，Cj [20]為

C1=L0C2=12∫0δc(1+k)mdzC3=C2+4∫0δc1+2kmdzC4=C2+6∫0δc1+2kmdz

(3)

其中k=4%[21]為應力集中因子；

δc=σ0rL01/mτmm+1

(4)

為復合材料中纖維滑移的臨界長度，τ=25MPa為界面滑移應力[22]；μr=3.5μm為纖維單絲半徑，σm為纖維斷裂時基體的應力 根據(jù)文獻[23,24]，T700碳纖維的斷裂延伸率遠大于酚醛樹脂的斷裂延伸率，因此纖維斷裂時基體已破壞 針刺材料的無緯布中纖維體積含量[15]為

φcloth=ρpreh1+h2ω1ρfh1

(5)

其中，ρpre為預制體體積密度，ρpre=0.44g/cm3，ρf為纖維密度，ρf=1.76g/cm3；h1和h2分別為無緯布層和網(wǎng)胎層厚度；ω1為無緯布所占預制體比例，ω1=60% 根據(jù)針刺工藝，0°無緯布/網(wǎng)胎/90°無緯布/網(wǎng)胎組成的結構具有周期性，該結構中纖維的含量與整個材料的含量相等 觀測結果表明，無緯布和網(wǎng)胎的厚度大致相同，則0°無緯布中纖維在整個材料中含量可表示為

Vf=1/4φcloth

(6)

針刺復合材料的針刺過程，會使面內(nèi)纖維發(fā)生不同程度的損傷和加載方向上纖維的體積分數(shù)減小 因此，在模型中引入體積折減系數(shù)，改進的LLS模型可表示為

σc=(1-α)Vfσ0L0iNC1im

(7)

其中α為體積折減系數(shù)，與針刺工藝相關

3.2 體積折減系數(shù)

針刺復合材料有大量針刺區(qū)域，不同針刺部位中纖維的形態(tài)不同 針刺部位微細觀結構的不確定性，使不同針刺區(qū)域的力學性能產(chǎn)生很大的離散性和隨機性 根據(jù)針孔中纖維形貌的不同，本文將針刺區(qū)域分成纖維偏轉(zhuǎn)區(qū)域(區(qū)域A)和纖維斷裂區(qū)域(區(qū)域B)兩類，如圖6所示，并計算了每種針刺類型的針刺損傷因子

圖6



圖6兩種不同的針刺區(qū)域

Fig.6Two different needling areas (a) fiber deflection area and (b) fiber fracture area

區(qū)域A中的纖維在z向平面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因纖維偏轉(zhuǎn)角度具有不確定性，可在(0°,90°)范圍隨機取值 纖維轉(zhuǎn)移到z向的等效長度可表示為l=lfsinθ，式中l(wèi)f為偏轉(zhuǎn)纖維的長度，l為偏轉(zhuǎn)到z向等效纖維的長度，θ為偏轉(zhuǎn)角度，如圖7所示

圖7



圖7偏轉(zhuǎn)纖維厚度方向的等效長度

Fig.7Thickness direction equivalent length of deflected fiber

區(qū)域B針刺部位的纖維折斷后全部轉(zhuǎn)移到z方向并產(chǎn)生大量的孔洞，因此該區(qū)域面內(nèi)纖維的拉伸強度極低 針刺部分的面內(nèi)拉伸強度約為2.5 MPa[14],對面內(nèi)拉伸強度貢獻可以忽略

假定區(qū)域A中所有纖維均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后0°無緯布的寬度不變，區(qū)域B中的纖維全部折斷，0°無緯布的纖維全部轉(zhuǎn)移至z向，整個材料的體積折減系數(shù)為

α=∑m=1NVAmsinθm+VBV

(8)

式中N為材料中區(qū)域A的總個數(shù)，VAm為材料中第m個區(qū)域A的體，θm為第m個區(qū)域A的纖維偏轉(zhuǎn)角度，VB為區(qū)域B的體積，V為整個材料的體積

本文先使用python語言對針刺預制體進行工藝參數(shù)化建模，根據(jù)平板狀針刺預制體工藝參數(shù)模擬預制體的成型過程，預報針刺孔和z向針刺纖維束在的分布位置 在模擬試件制備中的隨機取料過程中，對每種針刺工藝從所建立的尺寸為100 mm×100 mm×30 mm的材料中取出30個拉伸試樣標距段尺寸大小的針刺復合材料模型，如圖8所示 根據(jù)文獻[13]的工作，當材料中某個區(qū)域存在兩個或多個針刺區(qū)交叉重疊時，若針孔間距小于0.65 mm則該區(qū)域的面內(nèi)纖維全部斷裂，該區(qū)域為纖維斷裂區(qū)域，即區(qū)域B 其他針刺區(qū)域是區(qū)域A 分別統(tǒng)計所建立的針刺模型中區(qū)域A和區(qū)域B的體積含量并計算體積折減系數(shù)，如表2所示 從表2可以看出，不同工藝的α均表現(xiàn)出一定的離散性 其原因是，區(qū)域A的無緯布偏轉(zhuǎn)角度不同，而體積折減系數(shù)的計算公式與偏轉(zhuǎn)角度相關 偏轉(zhuǎn)角度的隨機性，導致計算出的α具有一定離散性 另外，不同針刺區(qū)域的位置分布具有隨機性，材料不同位置包含的區(qū)域A和區(qū)域B的含量不同 由于本文計算α時從較大體積的材料中隨機取試樣標距段尺寸的模型，使模型中區(qū)域A和區(qū)域B的體積含量的不同，計算出的體積折減系數(shù)也不同

圖8



圖8針刺復合材料的模型

Fig.8Model of needle punched composite

Table 2

表2

表2針刺工藝不同材料的體積折減系數(shù)

Table 2Material volume reduction coefficients of different needling processes

Process id	Volume reduction coefficientα	CV
1	0.231	6.60%
2	0.253	7.52%
3	0.294	6.82%
4	0.312	8.04%
5	0.381	6.95%
6	0.41	7.00%

3.3 預測結果與實驗結果的對比

由2~4根鄰近斷裂纖維形成臨界斷裂纖維簇時復合材料的斷裂強度的計算結果，如圖9所示 模型預測的強度與實驗值的對比，如圖10所示 可以看出，LLS模型中針刺工藝不同的纖維其斷裂纖維簇的個數(shù)i明顯不同 針刺工藝為1和2時取i=4，模型的計算結果與實驗值十分吻合，偏差分別為1.34%和1.85%；i=2和i=3時的計算結果與實驗值偏差較大；而針刺工藝為3和4時取i=3，模型的計算結果與實驗值誤差分別為2.50%和1.06%；當針刺工藝為5和6時取i=2，模型的計算結果與實驗值誤差分別為3.74%和4.13% 結果表明，針刺復合材料的損傷受LLS斷裂模式控制 即少數(shù)薄弱纖維斷裂后纖維裂紋面對周圍基體和纖維產(chǎn)生的應力集中較大，使周圍的纖維斷裂

圖9



圖9不同i值的模型預測強度

Fig.9Model prediction strength of different i values

圖10



圖10不同工藝模型的計算值與實驗值以及計算值與實驗值的相對誤差

Fig.10Calculated values and experimental values of different process models (a) and Relative errors between calculated values and experimental values (b)

從圖9和圖10可以看出，隨著針刺深度的增大斷裂纖維簇的個數(shù)減小 這表明，針刺工藝影響斷裂纖維簇的個數(shù) 針刺工藝不同，影響材料內(nèi)不同針刺區(qū)域的含量 體積折減系數(shù)的計算與不同針刺區(qū)域的體積含量有關，因此針刺密度或針刺深度增大時材料的體積折減系數(shù)增大，LLS模型中斷裂纖維簇的纖維根數(shù)隨著體積折減系數(shù)的增加而減小 其原因是，針刺深度或針刺密度越大則刺針攜帶的纖維量越多，引入z向的纖維數(shù)越多，對面內(nèi)纖維造成的損傷也越大 在其他針刺工藝相同的條件下，針刺區(qū)域的體積分數(shù)隨著針刺深度或密度的增加而增加 針刺深度或密度的提高使不同鋪層內(nèi)的針刺區(qū)域相互交叉和重合，使區(qū)域B的數(shù)量迅速增加 區(qū)域B中的無緯布經(jīng)過刺針反復針刺，纖維折斷并產(chǎn)生大量的孔洞

從試件的宏觀斷口和SEM照片可以看出，針刺區(qū)域周圍有明顯的裂紋，且針刺深度越大斷口處針刺纖維束的含量越高、缺陷越多 無緯布中纖維束斷裂的位置相近，使纖維從斷口處拔出的數(shù)量減少 針刺密度也有相同的影響 材料承受拉伸載荷時針刺區(qū)域最易發(fā)生裂紋擴展，并使周圍基體和纖維產(chǎn)生應力集中 隨著載荷的增加針刺區(qū)域周圍的纖維相繼斷裂并擴大了缺陷部位的面積，缺陷處的裂紋向周邊擴展并相互連接，直到形成一條貫穿材料的裂紋而使材料失效，如圖11所示 因此，針刺深度越大或密度越高材料內(nèi)部缺陷越多，使缺陷間的距離減小 于是，較少的斷裂纖維就能形成鄰近斷裂纖維簇，使裂紋快速擴張并連通針刺區(qū)域的缺陷，形成貫穿材料截面的裂紋

圖11



圖11無損傷和含損傷的無緯布纖維的斷裂

Fig.11Fiber fracture of non-woven fabrics without damage (a) and with process damage (b)

用指數(shù)函數(shù)擬合了5種工藝的體積折減系數(shù)與斷裂纖維根數(shù)之間的關系，并選取工藝3加以驗證，如圖9所示 結果表明，斷裂纖維根數(shù)與體積折減系數(shù)的關系為

i=exp(2.4-4.09α-0.485α2)

(9)

驗證點與所得函數(shù)的相對誤差為5.87%

圖12



圖12斷裂纖維的根數(shù)與體積折減系數(shù)的關系

Fig.12Relationship between the number of broken fibers and volume reduction coefficient

4 結論

(1) 不同工藝針刺復合材料的拉伸強度差異較大，針刺深度和針刺密度的增大使其拉伸強度降低 材料內(nèi)針刺孔的位置、針孔內(nèi)纖維損傷程度的不同，使材料的拉伸強度出現(xiàn)一定的離散性

(2) 在碳纖維針刺復合材料的單軸拉伸過程中，載荷主要由與加載方向相同的0°無緯布的纖維承擔，無緯布纖維的斷裂是材料失效斷裂的主要原因

(3) 碳纖維針刺復合材料的拉伸破壞模式符合LLS模型，含體積折減系數(shù)的強度預測模型能準確預報不同工藝材料的拉伸強度，誤差小于10% LLS 模型中臨界斷裂纖維簇的個數(shù)，與體積折減系數(shù)成指數(shù)型關系

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