复合材料由两种或两种以上材料组合而成。常见的有由树脂和碳纤维或玻璃纤维等复合而成的纤维增强复合材料以及以树脂为主要成分人工合成的塑料等。复合材料作为一种高效吸能材料在航空航天、兵器装备和民用工业中的应用日益广泛。研究表明，复合材料的比吸能明显高于金属结构。因此，复合结构作为吸能材料的使用在许多行业迅速增长。吸收能量的复合材料部件如碳纤维等，通常被设计用来在受控的碎裂情况下消耗动能。在研究吸能的同时，提出了碳纤维复合材料的复杂破坏模式，如纤维基体耦合破坏、渐进损伤等。方管、圆管、波纹板和蜂窝结构等[1-3]在内的高效薄壁吸能结构被广泛研究。杨志韬等[4]研究了多级复合材料方形蜂窝结构平压性能随结构等效密度变化的关系。周昊等[5]采用Abaqus软件研究了复合材料方形蜂窝结构在水中冲击波条件下的吸能特性，结果表明其在能量吸收效率方面的表现均优于等质量层合结构。王宝芹等[6]利用实验结合数值仿真的方法，基于多尺度方法对复合材料蜂窝夹芯进行了轴向压缩研究，结果表明蜂窝结构先发生失稳，而后被压缩破坏。王雪琴等[7]研究了碳纤维圆管填充多胞蜂窝结构的准静态压缩吸能特性，指出合理的布置蜂窝填充结构形式及填充数量可使蜂窝结构比吸能大于单根碳管比吸能。综上所述，国内外学者对复合材料不同蜂窝结构的破坏及吸能方式进行了多方位的研究，分析了不同的破坏模式以及影响吸能的因素。然而，对于正六边形碳管并联而成的蜂窝结构破坏和吸能的研究还不足。本实验以碳纤维正六边形单管及其并联多管蜂窝结构为对象，详细研究准静态压缩力学行为和吸能特性，为复合材料吸能元件的设计和分析提供了借鉴。1实验部分1.1主要原料碳纤维，T300/3K、环氧树脂，E-51，威海光威复合材料股份有限公司；3M (TM) Scotch-Weld (TM)胶，DP-420 Black，3M公司。1.2仪器与设备热压罐，800x1200，山东中航泰达复合材料有限公司；水射流切割机，XC/LM1313，深圳市旭昌电子有限公司；万能材料试验机，CSS-44300，长春试验机研究所。1.3样品制备图1为模具试件图。单个碳管由单向碳纤维预浸料布缠绕正六边形柱体模具热压而成，模具横截面正六边形边长为10 mm，中间打孔可减重。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F001图1模具试件Fig.1Mold test piece单向碳纤维复合材料预浸料布由T300/3K碳纤维和E-51环氧树脂制备得到。制备方法为真空热压罐法，将预浸料布缠绕在模具后放入热压罐，根据碳纤维布的热固指标在温箱中加热。制备完成后得到的碳管采用水射流切割长碳管得到所需长度的实验试件。试件壁厚有4种，分别为0.5、1、1.5和2 mm，高均为51 mm。双管、三管和四管蜂窝结构采用3M(TM)Scotch-Weld(TM)胶黏接单管制得。1.4性能测试与表征实验采用万能材料试验机进行测试。实验主要分为两个部分：一是单根正六边形碳管的轴向准静态压缩，二是并联碳管蜂窝结构的轴向准静态压缩。实验按照国标规定的准静态应变率进行，加载速度为0.125 mm/s。2结果与讨论2.1单管的失效模式图2为单管压溃实验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F002图2单管试件压溃实验结果Fig.2Crushing test results of single tube specimen从图2可以看出，单管被压缩时，顶端首先发生破坏。由于棱边应力集中现象的存在，单管的棱边发生纤维与基体间的开裂和基体的拉压、剪切失效而开裂。同时，由于分层破坏，管壁厚中心线处开裂形成内外两部分。此后，管壁基本分别沿着管壁中面逐渐形成内翻和外翻的效果，呈花瓣型外观。其中，由于内孔空间的限制，造成弯曲过程中内翻部分与孔内壁接触，并发生材料断裂。内翻层束由于被限制在管内挤压，其碎裂比外翻的更加严重，且压缩过程中逐渐填满内孔剩余空间，而外翻在压溃过程中没有出现明显的轴向撕裂和层束断裂。在初始峰值出现后，准静态加载过程一直表现为稳定的渐进压溃破坏。2.2多管蜂窝结构的失效模式图3为多管蜂窝结构压溃实验结果。从图3可以看出，由于多管结构是由单管在外管壁均匀涂抹黏合剂黏接而成，管壁与管壁的黏接处发生内翻现象。即以黏接面为中面，管壁向各自的径向方向内翻，最终被压溃并压实于底部。其余未黏接处的壁面与单管破坏模式相同，均为花瓣状失效形式的渐进压缩破坏。单个碳管和多个碳管并联而成的蜂窝结构的破坏失效模式基本一致，均为碳管壁的内翻与外翻，最后形成花瓣形外形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F003图3多管蜂窝结构试件压溃实验结果Fig.3Crushing test results of multi-tube honeycomb structure specimen2.3吸能特性分析图4为经实验得到的四种不同壁厚蜂窝结构位移-载荷曲线。图4四种不同壁厚蜂窝结构试件的位移-载荷曲线图Fig.4Displacement-load curves of four honeycomb structure specimens with different wall thicknesses10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F004(a)壁厚0.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F005(b)壁厚1.0 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F006(c)壁厚1.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F007(d)壁厚2.0 mm从图4可以看出，相同位移、相同壁厚时，载荷随着管数的增加而增加；壁厚条件相同时，不同碳管数量蜂窝结构的载荷比值大于管数之比。表明将单个碳管胶黏成蜂窝结构后其承载能力有一定提升，大于相同数量单管承载能力之和。其中一部分是黏合剂发挥作用，另一部分是相邻黏接的管壁之间的相互作用提升了承载能力。此外，载荷从0开始快速上升至最大值，而后迅速回落，载荷值在某一范围内波动。这部分为稳定压溃阶段。这一现象表明碳纤维材料具有较好的稳定吸能作用，由牛顿第二定律知过载加速也在小范围内波动，并不会出现陡然的变化，可以有效降低冲击过程中对设备及人体造成的过载伤害。正六边形蜂窝结构与圆管和方管相比，在内切圆半径相同条件下圆管与周围胞元的胶黏区域的接触为线接触的方式，方管为四个壁面，正六边形碳管为六个壁面。三者相比正六边形蜂窝结构的有效黏接面积最大，胞元之间的连接更为牢固。理论上碳管横截面边数越多越好，然而由于制造加工工艺的限制，边数与制造成本以及产品质量成反比例关系。因此，不宜以增加边数的方式提升复合材料蜂窝结构的承载能力。碳管壁厚值越大，碳管越难以被压缩，稳定压溃所需的载荷峰值越大。从位移-载荷曲线可知壁厚值越大，载荷峰值与稳定压溃载荷的差值越大。图5为四种不同壁厚蜂窝结构的吸能值。从图5可以看出，随着碳管数量增加，吸能量增加，但并非成倍数地增加。由此可知，胶结的蜂窝结构吸能量与黏接区有关，且黏接区的存在提升了吸能量。图5四种不同壁厚蜂窝结构试件的吸能值Fig.5Energy absorption values of four honeycomb structure specimens with different wall thickness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F008(a)壁厚0.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F009(b)壁厚1.0 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F010(c)壁厚1.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F011(d)壁厚2.0 mm吸能主要与碳纤维复合材料的破坏有关，碳纤维材料被压溃形成碎屑的程度越高，吸能量也就越多。从实验结果来看，碳管被压坏是发生外翻和内翻现象。然而只有内翻的部分最终被压头压溃。外翻的部分向外扩散开来保存完好，这部分材料基本不起承载作用，同时也不吸能。而且这部分材料约占碳纤维复合材料总质量的40%，显著降低了碳管的吸能作用。图6为四种不同壁厚蜂窝结构试件的比吸能值。图6四种不同壁厚蜂窝结构试件的比吸能值Fig.6Specific energy absorption values of four honeycomb structure specimens with different wall thickness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F012(a)壁厚0.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F013(b)壁厚1.0 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F014(c)壁厚1.5 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.008.F015(d)壁厚2.0 mm从图6可以看出，壁厚为0.5 mm时，三管蜂窝结构的比吸能最高，四管蜂窝结构次之，两者相差不大；壁厚为1 mm时，四管蜂窝结构的比吸能最高；壁厚为1.5 mm时，三管蜂窝结构的比吸能最高；壁厚为2 mm时，四管蜂窝结构的比吸能最高。图6a、6c中三管蜂窝结构的比吸能略高于四管蜂窝结构的比吸能，可能是因为加工单管试件时工艺误差的存在；加工成型的试件被切割为实验所需尺寸时存在的长度误差；碳管接触壁面涂抹黏合剂不均匀等。从四组实验比吸能值以及每组实验中不同管数蜂窝结构比吸能差值综合分析得出：四管蜂窝结构的比吸能最佳。3　结论以单根碳管及胶接的蜂窝结构为研究对象，利用万能实验机进行了准静态轴向压缩实验，分析了以上耗能元件的失效模式及吸能特性，得出以下结论：(1)对于胶接多管蜂窝结构，增加碳管数量可以成倍地提高吸能总量和比吸能，但会使结构的峰值载荷加大。因此，不能一味通过增加管的数量获得更好的吸能特性。(2)准静态压缩时碳纤维单方管及多管蜂窝结构的失效模式类似。碳管外翻的部分基本不承受载荷，考虑增加某种结构方式，使之能像内翻部分一样被稳定压溃。从而提升碳管的吸能效率。(3)通过实验进一步优化碳纤维铺层角度、碳管壁厚等提升其吸能效率。