螺旋式z－pin的制备及力学性能研究

陈 磊，谢军波，方 静，陈 利

(1.天津工业大学 复合材料研究院 纺织复合材料教育部重点试验室，天津 300387；2.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387)

0 引言

复合材料层合板结构已经在航空航天领域得到广泛的应用，但层合板容易发生分层破坏，往往需要各种层间增韧工艺来提高材料的抗分层性能。常见的层间增强技术包括针刺、缝合、植绒和z－pin等[1－3]。其中，z－pin增强技术操作灵活、工艺简单，只需要向复合材料层合板厚度方向上直接植入z－pin即可，具有设计性强和生产成本低的优点。Z－pin是一种高强度、高模量的微细杆状结构，可由复合材料、钛合金或钢制备成，其直径较小，通常在0.2mm~1mm范围内。传统的z－pin表面光滑，外形为圆截面杆状，通过植入体积分数为0.5%~4%的z－pin，可以使z－pin与层合板之间产生较强的粘附力和摩擦力，有效提高层合板的层间韧性。

近年来国内外学者对异型z－pin的设计也展开了大量工作，其目的一是为了提高z－pin的层间增韧效果，二是希望减小z－pin植入对层合板造成的面内损伤。Julian Hoffman[4－7]设计了矩形横截面的z－pin，通过观测发现，矩形截面z－pin植入层合板所造成的面内纤维偏转程度明显小于圆形截面z－pin。此外，Hoffman还设计了表面带凹槽的圆形截面z－pin，增加了z－pin与层合板之间的接触面积，显著提高了层合板的层间韧性。Andr′e Knopp[8－10]在z－pin表面刻槽，并设计了不同的凹槽开口形状，包括矩形、三角形、圆弧形和正弦函数曲线形等，作者以此为基础探究了z－pin表面凹槽开口形状、切口深度及切口间距对z－pin增强层合板压缩性能的影响。王晓旭[11]对浸胶碳纤维束施加捻度，然后加热固化，制备了5种不同捻度的zpin，通过开展z－pin拔出试验发现:加捻会增大zpin的最大拔出力，并且随着捻度的增加，z－pin的最大拔出力的增幅也逐渐变大。

由于z－pin直径很小，通过对表面进行二次加工、改变其几何结构具有一定的难度，本文设计了一种拉挤成型模具，可实现螺旋式z－pin的一次性连续拉挤成型加工，制备出了4种不同螺旋度的z－pin样品。开展z－pin拔出试验和z－pin拉伸试验分别表征了螺旋式z－pin的层间增韧性能和拉伸性能。结果发现:通过引入螺旋度可以显著提高z－pin的层间增韧效果，但同时也会降低z－pin的拉伸强度。

1 实验部分

1.1 螺旋式z－pin的制备

本文采用拉挤成型的方法实现螺旋式z－pin的成型制备，选用日本东丽T－300－3K碳纤维及TDE－86环氧树脂作为z－pin的制备原材料，成型工艺流程如图1所示。首先将浸渍树脂之后的碳纤维束放入烘箱，低温加热使树脂的流动性降低，以便对其进行结构加工。然后通过拉挤模具对浸渍树脂的纤维束进行两次拉挤:第一次从上到下拉挤纤维束，得到矩形截面的半固化纤维束，如图2(a)所示；第二次由下到上再次拉挤纤维束，并同时匀速旋转模具，最终得到如图2(b)所示的螺旋式z－pin。最后将其置于烘箱中进行高温固化，在两次烘箱加热过程中，在纤维束底端系有小铁块给其施加10N的张力。

图1 螺旋式z－pin制备流程示意图

图2 拉挤模具示意图

Z－pin拉挤模具由两个如图3(c)所示的耳状不锈钢结构组成，两个耳状模具可以相互贴合组成整体模具，如图3(a)所示。模具中心留有截面带倒角的正方形开孔，开孔边缘设计成喇叭形以便于纤维通过，模具及开孔结构各部分详细尺寸分别如图2(a)和图4所示。

图3 拉挤模具实物图

图4 耳状模具结构示意图

假定模具每P厘米绕z－pin表面旋转一周，那么称P为螺旋式z－pin的“螺旋导程”，因此P越小，z－pin的螺旋度就越高，以此就可以通过螺旋导程p表征z－pin的螺旋结构密集程度(螺旋度)。本文制作了四组不同螺旋度(无螺旋结构、P＝0.5cm、P＝1cm、P＝1.5cm)的z－pin，并在3D轮廓测量仪上分别对其表面轮廓进行观测，结果如图5所示。显然，z－pin表面的螺旋度随着螺旋导程P的减小而逐渐增加，当P＝0.5cm时，z－pin表面的螺旋结构就已经十分密集。

图5 不同螺旋度下的z－pin轮廓

1.2 Z－pin拉伸试验

GB/T 3362－2005«碳纤维复丝拉伸性能实验方法»，如图6所示。z－pin拉伸试样测量标距为150mm，两端加强片为0.3mm的硬纸板，试验设备为上海力试LE5305型电子万能试验机，拉伸加载的速度为2mm/min。分别对四组不同螺旋度z－pin进行拉伸测试，每组试样数目为10，记录试验过程中的载荷—位移曲线。

图6 Z－pin拉伸实验

1.3 Z－pin拔出试验

本文的z－pin拔出实验参考了Julian Hoffman[4]的多根z－pin拔出实验。拔出试样层合板如图7(a)所示，由24层碳纤维平纹布铺层而成，铺层角度为[0/90]12，在第12层与第13层之间放置一层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。将z－pin植入至层合板中心10mm×10mm区域范围，植入点呈3×3方形点阵排布，植入间距为5mm，如图7(b)所示。用砂纸将试样的上下表面分别打磨，使用刀片尖端将层合板第12层与第13层之间连接缝隙处划开，除去缝隙处溢出的固化树脂。使用环氧树脂胶将拔出试样的上下表面分别与上下T型接头粘连，施加载荷将z－pin拔出。

图7 z－pin拔出实验示意图

Z－pin拔出试验设备为日本岛津AGS－J型万能材料试验机，如图8(a)所示，加载速度为1mm/min。Z－pin拔出过程如图8(b)和图8(c)所示，可以观察到上下层合板逐渐出现分层，直至z－pin被拔出。分别对四组不同螺旋度z－pin进行拔出试验测试，每组试样数目为3个，记录试验过程中的载荷—位移曲线。

图8 Z－pin拔出实验

2 结果与讨论

2.1 Z－pin拉伸载荷位移曲线

Z－pin拉伸的载荷—位移曲线如图9所示，可以发现，无论z－pin是否经过螺旋加工，z－pin在拉伸过程中的载荷位移曲线都呈线弹性规律，拉伸载荷随着位移线性上升。Z－pin的拉伸强度σt和拉伸模量Et分别可由式(1)~(3)计算得到:

图9 Z－pin拉伸载荷位移曲线

其中，Ft为z－pin的最大拉伸载荷，dt为z－pin的最大拉伸位移，Spin为z－pin横截面面积，Lpin为z－pin试样的标距长度，ε为z－pin断裂应变。计算结果如表1所示，结果显示随着螺旋导程P的减小，z－pin的最大拉伸载荷、轴向拉伸强度和z－pin的拉伸模量都有着不同程度的下降。

表1 不同螺旋度z－pin拉伸实验数据平均值

螺旋结构加工会造成z－pin的轴向抗拉性能产生一定程度的下降，与无螺旋结构z－pin相比，P＝1.5cm、P＝1cm和P＝0.5cm的z－pin拉伸载荷分别下降了30%、41%和47%。这是由于碳纤维本身就具有脆性大、断裂伸长率低的特点，再加上碳纤维结构受到模具的作用在其结构上发生了扭曲，使得其承力在z－pin轴向的分力减小。而z－pin在受拉过程中，碳纤维又起着主要承载的作用，发生扭曲变形的碳纤维在受拉时受到的轴向拉伸力各不相同，使得z－pin整体拉伸性能下降。并且zpin螺旋结构越密集，z－pin内部的碳纤维扭曲越严重，纤维在受拉方向上的抗拉性能越差。

2.2 Z－pin拔出载荷位移曲线

四组z－pin的拔出最大载荷值及其平均值详见表2，载荷位移曲线如图10所示。曲线开始部分存在小部分弯曲，这是由于T型接头与实验夹具之间连接的螺栓和孔洞之间存在空隙导致。在曲线初始阶段，z－pin拔出载荷随着位移上升，直至z－pin与层合板之间开始发生脱胶，载荷突然急剧下降，随之z－pin与层合板之间发生相对滑动，此时z－pin与层合板间仅存在摩擦作用，载荷随着位移缓慢下降直至为0。四种不同螺旋度z－pin拔出的载荷位移曲线趋势相近，但最大拔出载荷存在差异。可以发现，随着螺旋导程P的缩小，z－pin表面螺旋度加大，从层合板中拔出z－pin所需要的最大载荷也随之增加。Z－pin上的螺旋结构设计增加了z－pin与层合板之间的接触面积，使得z－pin拔出力上升。

表2 不同螺旋度z－pin的拔出载荷

图10 Z－pin拔出载荷位移曲线

3 结论

本文使用一种拉挤模具对浸渍树脂的半固化碳纤维束进行了螺旋结构加工，制备出四种不同螺旋度的z－pin(包括一种无螺旋结构z－pin)。分别通过拉伸实验和拔出实验对z－pin轴向抗拉性能以及z－pin在层合板中的层间拔出力进行了测试，主要得出以下结论:

(1)螺旋结构会使得碳纤维产生扭曲和损伤，造成z－pin轴向拉伸性能的下降。随着螺旋度的上升，拉伸性能下降程度越大。当螺旋导程P＝0.5cm时，z－pin拉伸断裂载荷和断裂强度下降了50%左右，拉伸模量大约下降了20%。

(2)螺旋结构增加了z－pin/层合板界面连接面积，有效提高了z－pin/层合板界面连接性能。随着螺旋度的上升，z－pin的层间拔出载荷也随之提高，当螺旋导程P＝0.5cm时，z－pin拔出力提高了一倍左右。