1、导读
三维机织复合材料是为了提高整体力学性能和提高冲击损伤阻抗的需求而发展起来的，在三维机织复合材料中，通过厚度结合纱的存在改善了分层行为。三维正交机织复合材料的机织结构可以进行设计以在特定的工程应用中产生特定功能，还可以使用两种或多种不同的纤维材料来增强复合材料的吸能能力，而杂化就是通过混合不同的纤维材料来获得特定的力学性能。各研究者对三维正交机织复合材料（Three-dimensional orthogonal woven composite，3DWC）混杂试样的研究很少，且由于杂化材料在特定加载条件下存在混合失效机制，因此预测杂化材料的力学和失效行为面临挑战。西北工业大学郑锡涛（通讯作者）课题组，Sohail Ahmed（第一作者）在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Influence of asymmetric hybridization on impact response of 3D orthogonal woven composites”的文章，研究了采用碳纤维和Kevlar纤维组合制备的非对称混杂三维正交机织复合材料在高速冲击下的力学和破坏行为。由于碳纤维层和Kevlar纤维层不同的失效行为，当冲击不同的纤维表面时，失效机制和吸收能量会出现显著差别。
2、内容介绍
本文首先介绍了试样的制备，采用Kevlar 49、T700-6K和T700-12K纤维增强材料制造，并采用TDE 86环氧树脂通过树脂转移模压（RTM）工艺制备了三种3DWC结构：C-C，11层碳纤维组成；C-K：13层碳纤维/Kevlar纤维组成，比例为（9：4），组成非对称混杂3DWC试样；K-K：13层Kevlar纤维组成。复合材料板制造完成后，在X-Y和Y-Z平面的不同位置进行切片，通过微观分析来确定纤维的准确尺寸和形状，图1展示了三种结构的表面和内部的微观图像。
图1 试样表面和内部几何形状：（a）和（d）C-C试样；（b）和（e）C-K杂化试样；（c）和（f）K-K试样
接着进行了高速冲击试验，图2（a）为非混杂和混杂复合材料试样的剩余速度结果与冲击速度的关系，混杂试样的结果包括对碳纤维面和Kevlar纤维面冲击的数据，分别表示为CF和KF。可以观察到，混杂试样在冲击碳纤维面时，在弹道极限方面的响应最好。图2（b）为能量吸收能力，结果表明，碳纤维表面冲击的能量吸收效果最好，趋势线的斜率为正，即表示能量吸收随冲击能量的增加而增加。与非杂化材料相比，碳纤维和Kevlar纤维的杂化对3DWC的能量吸收能力有显著影响，此外，非对称混杂面板在碳纤维表面受到冲击时提供了更好的性能。
图2 冲击试验结果：（a）冲击速度与剩余速度的关系；（b）冲击能与吸收比能
C-C和C-K复合材料试样的显微图像分别如图3和图4所示。冲击试样最常见的破坏机制是纤维断裂和拔出、纤维束破碎和基体开裂。在大多数情况下，纤维损伤局限于冲击器路径上的冲击位置，基体开裂在冲击位置附近分布较大。此外，由于Z纱在纬纱方向上的损伤，板后侧的纤维和基体损伤分散在纬向，如图5所示。而在Kevlar层中，纤维损伤是失效的主要来源，基体开裂不像在碳层中那样广泛。
图3 C-C试样冲击过程中正面和背面的损伤显微图像
图4 冲击过程中产生损伤的显微图像：（a）和（b）C-K CF；（c）和（d）C-K KF
图5 C-C、K-K、C-K CF（碳面冲击）和C-K KF（Kevlar面冲击）在不同冲击速度下试件前后面冲击过程中纤维和基体的损伤
除了失效微观机制外，还根据试样正面和背面的基体开裂和纤维失效对损伤区域进行了量化，如图6所示。与Kevlar纤维穿透相比，碳纤维穿透时基体受到的损伤更大。与背面相比，试样正面的基体开裂较少。
图6 试样的纤维和基体损伤，FFD：正面纤维损伤，FMD：正面基体损伤，BFD：背面纤维损伤，BMD：背面基体损伤：（a）C-C；（b）K-K；（c）C-K CF；（d）C-K KF
图7显示了在170 m/s的冲击速度下，从试样正面和背面应用应变计获得的应变时间历程。观察到，最初试样两侧都有一个拉伸波，持续时间很短，之后试样经历整体弯曲，其中正面受到拉伸，背面受到压缩。然而，在Kevlar K-K配方的情况下，这一过程是相反的。除Kevlar试样外，观察到一个平台区域，这主要是因为冲击区域中存在大量基体和纤维失效，冲击器穿透试样而不是将载荷传递给试样。
图7 应变数据图：FF（正面纬向），FW（正面经向），BF（背面纬向），BW（背面经向）；（a）C-C，冲击速度165 m/s，（b） K-K，冲击速度183 m/s， （c）C-K CF，冲击速度182 m/s，（d）C-K KF，冲击速度185 m/s
最后为了更好地理解弹道冲击过程中的冲击行为和失效机制，提出了一种数值方法，并用试验数据进行了验证。在全局坐标系下，经纱和纬纱纤维束可以分别建模为0°层和90°层，Z 纱用弹簧、梁或连接件元件的形式建模，并为层间行为提供必要的加强。图8总结了3DWC RVE（代表性体积元素）的几何形状和相应的损伤起始和演化规律。
图8 冲击模拟有限元分析中不同的RVE部分以及相应的失效模型
在不同的冲击速度下进行了非混杂和混杂复合板的冲击模拟。用冲击器的剩余速度与冲击速度进行比较，结果如图9（a）所示。数值模型对剩余速度结果的预测具有良好的准确性，并且能够捕捉杂化及方向效应对冲击行为的影响。图10展示了冲击器完全穿孔后C-C、K-K 和 C-K（冲击在碳面上）试样的基体损伤图。基体失效主要分布在试样背面的纬向，尤其是C-C和C-K碳面撞击时。总体而言，本研究中提出的有限元模型准确地测量了冲击器的残余速度，并揭示了冲击过程中杂化引起的混合失效机制。
图9 （a）冲击碳面与Kevlar面时冲击速度与剩余速度试验和模拟结果对比；（b）187 m/s冲击速度冲击混杂试样碳面的速度随损伤和摩擦耗散能图
图10 有限元模拟得到C-C、K-K和C-K CF试样的基体损伤图
3 小结
根据冲击试验和数值模型预测，发现：与非杂化材料相比，碳纤维和Kevlar纤维杂化会对3DWC的吸能性能有显著的影响。此外，非对称混杂试样在碳面冲击时性能也有所提高。纤维损伤局限于弹丸路径上的冲击位置，而表面基体开裂则在冲击位置附近分布较大的区域。纤维拔出是造成Kevlar纤维层损伤的主要原因，而碳纤维层损伤的主要原因是纤维束破碎和基体开裂。Kevlar纤维由于其延展性和更好的能量吸收能力，在冲击过程中经历了更高的应变值。本文的模拟方法能够捕捉到杂化对 3DWC 冲击行为的影响，所建立的模型可进一步应用于不同类型的杂化3DWC结构在冲击载荷下的应用。
原始文献：S. Ahmed, X.T. Zheng, L.L. Yan, et al. Influence of asymmetric hybridization on impact response of 3D orthogonal woven composites[J]. Composites Science and Technology, 2020, 199: 108326.
