王晓旭;陈利
【摘 要】The axial compressive behavior of three kinds of composite Z-pins was investigated. The ultimate compressive stress and failure modes of composite Z-pins with different length were analyzed. The results show that carbon fiber Z-pins with the diameter of 0.50mm have the best compressive properties. Those with the diameter of 0. 28mm are apt to be buckled. And aramid fiber Z-pins are easily failures on the contact point. Theoretical predictions of critical stress of carbon fiber Z-pins agree well with the experimental results , but the experimental value of the critical stress value of aramid fiber Z-pins is lower than the theoretical value.%通过三种复合材料Z-pin的轴向压缩试验,观察了各Z-pin的压缩行为,分析了三种复合材料Z-pin在不同长度时的极限应力及其失效形式.结果表明,直径为0.50mm的碳纤维Z-pin的压缩性能最好,其各长度Z-pin所能承担的极限应力都较大.直径0.28mm的碳纤维Z-pin易发生失稳现象,芳纶纤维Z-pin在压缩力的作用下,接触端容易受到破坏.两种碳纤维Z-pin临界应力的理论值与试验值吻合较好,但芳纶纤维Z-pin的临界应力的试验值比理论值偏低. 【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2011(031)004
【总页数】6页(P90-95)
【关键词】Z-pin;复合材料;压缩试验;临界应力
【作 者】王晓旭;陈利
【作者单位】天津工业大学复合材料研究所教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津300160;天津工业大学复合材料研究所教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津300160
【正文语种】中 文
【中图分类】TB332
Z-pin增强技术是一种能够提高复合材料层间性能的新技术，主要用于层合复合材料和泡沫夹层复合材料［1～4］。该技术是在未固化的预浸料或泡沫夹层材料的厚度方向植入具有
一定刚度的细棒，这种细棒称为Z-pin或pin。Z-pin材料可以用不锈钢、铝合金和钛合金等金属材料，也可以用高性能纤维增强树脂的复合材料，直径为0.50mm和0.28mm的最为常见［1，5～7］。研究表明 Z-pin 能够显著提高复合材料的层间断裂韧度，损伤容限和搭接强度［5～12］。此外还因其成本较低，能够制备大型的复合材料等优点，美国已将此技术用于制造F/A-18超级大黄蜂战斗机，一级方程式赛车和联合攻击战斗机［13，14］。Z-pin增强技术可分为两大类，一类是单根植入式，就是将一根根Z-pin分别植入未固化的层板里。另外一类是整体植入式，将若干Z-pin同时植入到层板中，例如美国Aztex公司的超声波辅助植入技术(Ultrasonically Assisted Z-fiber insertion，UAZ）［1～3，15］。在 Z-pin 增强技术中，无论是哪种方法都需要对Z-pin施加一定的压力才能将其植入层板或泡沫等材料中，压力过小不能顺利地进入材料内部，而压力过大会对Z-pin造成损伤，尤其是单根植入式的方法，需要夹持一定长度的Z-pin来完成植入动作，若Z-pin的长度过长，在较小的压应力下将会导致失稳现象。
目前，国内外对Z-pin增强复合材料的性能研究较多［8～14，16～19］，而对 Z-pin 增强技术的工艺及 Z-pin本身的性能还没有清楚的认识，我国对Z-pin增强技术的工艺设计还处于初级阶段，明确Z-pin的压缩行为是Z-pin增强工艺设计的基础。本工作对两种直径的碳纤
维Z-pin和芳纶纤维Z-pin进行了轴向压缩试验，测量Z-pin在不同长度时所能承担的极限应力，观察各种Z-pin在轴向压缩过程中的形态变化及失效形式，表征不同长度复合材料Z-pin的压缩性能。
复合材料Z-pin的制备通过拉挤工艺实现，由于Z-pin的直径与传统拉挤材料直径的差别较大，我们对传统的拉挤工艺进行了改进，将成型模具从升温装置中独立出来，工艺流程如图1所示。增强材料分别为T300 3k碳纤维、T300 1k碳纤维和 Kevlar49 158tex的芳纶纤维，树脂为TDE-86环氧树脂，制得的三种复合材料Z-pin的相关参数如表1所示。
压缩试验方法采用试样轴向下端夹持，另一端压头以匀速施加位移载荷。压缩试验设备为岛津(SHIMADZU）公司的AGS-J型万能材料试验机。为防止Z-pin接触端滑移，将压头中央部位粘贴型号为CW-600的防滑砂纸。加载速率为1mm/min。试验环境为室温。试验夹具如图2所示，其中L对应值为受压试样长度。
2 .1 .1 直径为0.50mm碳纤维Z-pin的压缩过程
图3是直径为0.50mm的碳纤维Z-pin各长度试样压缩的载荷位移曲线。可以看出，长度为15
mm，20mm和25mm的Z-pin的三条曲线具有相同的特征，在最大载荷前都呈现出了非线性增长。当载荷达到最大值后，随着位移的增加，载荷缓慢下降，直到试样破坏。这三种长度的Z-pin都表现为压杆失稳的现象，当载荷达到其临界载荷时，Z-pin突然弯曲，不再保持原有的平衡稳定状态，出现失稳失效，接着Z-pin产生弯曲变形，直到发生劈裂破坏。这三种长度的Z-pin破坏形式相同，破坏时的状态如图4a所示。
试样长度为10mm和6mm碳纤维Z-pin的压缩载荷位移曲线，其特点与另外三种长度的曲线形式存在较大的差异。其中，长度为6mm的Z-pin载荷呈现出上下波动的现象。这是因为，当载荷达到某一较大值时，Z-pin接触端的纤维与树脂之间局部黏结较弱的界面所受应力达到了它的破坏应力，接触端界面发生局部破坏后应力将重新分配，接着又会造成新的界面破坏现象。曲线的波动是界面的破坏与应力重新分配持续并存的结果，破坏时的状态如图4b所示。长度为10mm的Z-pin失效形式比较复杂，载荷在达到最大值后迅速下降，Z-pin受到压缩产生了轻微弯曲变形后，试样从轴向迅速折断，体现了材料失稳和破坏混合的失效形式，如图4c所示。
2 .1 .2 直径为0.28mm碳纤维Z-pin的压缩过程
直径为0.28mm，长度为15mm和10mm碳纤维Z-pin与直径为0.50mm，长度为25mm，20mm，15mm的碳纤维Z-pin的曲线形式和受压破坏过程相对应;直径为0.28mm，长度为6mm与直径为0.50mm，长度10mm的碳纤维Z-pin曲线形式和破坏过程相对应，在此不再多做陈述。
2 .1 .3 直径为0.50mm芳纶纤维Z-pin的压缩过程
图5为芳纶纤维Z-pin的压缩载荷位移曲线，长为15mm的芳纶Z-pin载荷达到最大值失稳失效后，随着竖向位移的增加，逐渐弯曲，直到发生弯曲破坏。与其他长度相比，长度为15mm的芳纶Z-pin载荷下降的较为光滑，Z-pin径向并未发现明显的纤维劈裂的现象，破坏时的状态如图6a所示。长度为10mm的芳纶Z-pin，载荷在最大值前发生了波动，可见在其明显的弯曲变形前，芳纶Z-pin与压头接触端纤维与树脂的界面已经有一定程度的破坏，其破坏形式除弯曲破坏外，也可看到接触端有明显的界面破坏现象，如图6b所示。长度为6mm的芳纶Z-pin在载荷达到最大值以后，并不呈现明显下降趋势，这与直径0.50mm，长度为6mm碳纤维Z-pin类似，都是受压Z-pin的接触端界面发生破坏所致，破坏形式如图6c所示。
将Z-pin在压缩试验中所能承担的最大轴向载荷所对应的横截面上的正应力称为极限应力，即载荷位移曲线中载荷最大值所对应的应力。临界应力是指即将发生失稳的Z-pin的横截面上的正应力。
表3为各长度复合材料Z-pin的极限应力及其对应状态(表3中用字母D代表破坏，B代表失稳）。三种复合材料Z-pin随着试样长度的增加，极限应力都呈现了随之降低的趋势，但是不同长度Z-pin极限应力所对应的状态并不一致。试样长度较短时材料易发生破坏，长度较长时易出现失稳的现象。直径为0.50mm的碳纤维Z-pin各长度的极限应力与另外两种Z-pin相比都较大，可见，这种Z-pin的抗压能力最强，因此，其 Z-pin植入工艺的灵活性最好;直径0.28mm的Z-pin长于10mm时在极限应力状态都出现失稳现象，因此，Z-pin的植入时应尽量缩短其受压长度;长度为6mm和10mm的芳纶Z-pin的极限应力值都比较低，且对应状态为破坏，因此在具体工艺中应防止植入力度过大而造成芳纶Z-pin的接触端界面受到破坏。
本研究的压缩试验方法为试样一端夹持固定，另一端受到压头压应力的作用，由于压头表面防滑纸提供水平方向上的摩擦力，限制了试样接触端的水平滑移，同时Z-pin的接触端又具有可旋转的自由度，因此Z-pin的受压状态近似于一端固定、一端铰支的压杆受压情形。根据细长压杆理论欧拉公式，压杆临界力的计算公式为:race实验
式中，EI为材料的弯曲刚度，L为压杆的长度。压杆在一端铰支一端固定的约束情况下:
设σcr为临界应力，则有:
式中D为Z-pin的直径。联立式(1），(2）和(3）得到:
对于具体的材料来说K为一常数，则:
可见，压杆的临界应力只与长度的平方呈反比，其比例常数由材料本身的性能决定。
为得到Z-pin的弯曲刚度，对Z-pin进行的弯曲性能试验，采用了三点弯曲的试验方法。试验设备为岛津公司AGS-J型万能材料试验机，加载速率为1mm/min，试验环境为室温。直径0.50 mm碳纤维 Z-pin、直径0.28mm碳纤维 Z-pin和直径0.50mm芳纶纤维Z-pin的试验试样，分别用 WT50，WT28，WF50表 示。试 样 长 度 为50mm，跨距为30mm。试样数量为5件，试验结果取其平均值。
根据弯曲刚度的计算公式:
式中，EI为弯曲刚度(N·m2）;ΔP为载荷挠度曲线初始直线段的载荷增量(N）;b为跨距(m）;
Δs代表与载荷增量对应的跨距中点处挠度增量(m）。
根据各试样的试验数据，求得每种Z-pin弯曲刚度的平均值，根据公式(5）计算相应比例常数K的值，得到每种Z-pin临界应力与长度之间的关系。试验结果及相对应比例常数K的值见表4。
图7为发生失稳的Z-pin，其临界应力值与其长度的平方分之一的关系，用 TC50，TC28和TA50代表直径为0.50mm的碳纤维 Z-pin、直径为0.28mm的碳纤维Z-pin和直径为0.28mm的芳纶纤维Z-pin。各离散点代表各种Z-pin不同长度的试验值，直线上的各点为理论值。从图中可以看出两种碳纤维Z-pin临界应力的试验值与理论值吻合较好，但芳纶纤维Z-pin的试验值比理论偏小。
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