三維全五向編織復合材料的壓縮性能

曹海建，錢 坤，徐文新，李 雅，臧 紅

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122;2.江蘇曠達汽車織物集團股份有限公司，江蘇常州 213179)

三維編織復合材料是一種新型結構材料，具有層間結合力強、抗沖擊性能好等特點，在航空航天、軌道交通、船舶、建筑等領域得到了廣泛的應用［1－2］。目前，三維編織復合材料種類大致可分為:三維四向、三維五向及三維全五向編織復合材料等。其中三維五向編織復合材料是在傳統三維四向編織結構基礎上發展起來的，它通過在三維四向結構部分編織空隙沿軸向添加軸紗(第五向紗)來實現，這種結構使材料的纖維體積分數和軸向力學性能得到較大提高，為該結構材料作為主承力構件提供了可能［3－5］。近年來，國內外許多學者研究發現，三維五向編織復合材料中仍剩余較多編織空隙無軸紗占據，限制了三維五向編織材料力學性能的大幅度提高。因此，文獻［6－7］嘗試在所有編織空隙中加入軸紗，實驗結果表明，該結構材料的纖維體積分數和力學性能均得到大幅提高，并將此結構材料稱為三維全五向編織復合材料。皮秀標等［8］從細觀結構層次建立了三維全五向編織復合材料的單胞模型，并分析了材料的空間結構形態，探討了編織工藝參數間的關系，并對纖維體積含量進行了模擬計算，發現計算值與實測值具有較好的一致性。

總體看來，目前關于三維全五向編織復合材料的相關研究還較少。本文將基于四步法1×1編織工藝，分別制備三維五向、三維全五向編織結構復合材料，并對比分析上述2類結構材料的壓縮性能，研究軸紗、編織角、纖維體積分數等結構參數對材料壓縮性能的影響，研究結果將為該類結構材料的優化設計及綜合性能研究奠定重要的基礎。

1 編織復合材料的制備

1.1 原料與設備

纖維原料:1 200 tex高強無堿玻璃纖維，中材科技股份有限公司提供。

樹脂基體:E51環氧樹脂(黏度19 Pa·s，密度1.24 g/cm3)，70#固化劑(四氫鄰苯二甲酸酐)，無錫樹脂廠提供。

儀器設備:全自動模塊組合式編織平臺，北京柏瑞鼎科技有限公司;RTM注射系統，法國 Isojet公司。

1.2 復合材料的制備

三維編織復合材料預制件(編織物)的制備參見文獻［9］。第1步，預制件(編織物)預處理。將預制件置于烘箱中加熱烘干，去除水分，待烘干后，取出稱其凈重，備用。第2步，模具表面處理。利用浸有乙酸乙酯的清潔布擦除模具表面殘留的脫模劑和油污，并晾干。第3步，預制件放入模具。將預制件放入模具，合上模具，放入烘箱中預熱30 min，烘箱溫度60℃;設置注塑速率，注塑頭、管道和樹脂儲存罐溫度，注塑壓力等工藝參數，并輔以抽真空工序。第4步，預制件復合成型。將配制好的樹脂基體注入模具，注塑過程中模具不可隨意移動，待注塑完畢后，切斷樹脂流動管道，密封模具注塑口和樹脂回流口，關上烘箱，保溫固化處理24 h。第5步，待模具冷卻后，打開模具、取出制備好的三維編織復合材料，備用。

2 壓縮性能

2.1 測試設備

采用美國3385H型INSTRON萬能材料試驗機進行壓縮性能測試。最大施加載荷為250 kN，位移分辨率為0.001 mm，所有實驗均采用位移加載的方式進行，縱向壓縮加速度為5 mm/min。采用電子引伸計測量試樣件在壓縮過程中的微小變形，最大量程為10 mm，系統根據試樣的位移、載荷、變形等數據自動繪出相應的應變-應力曲線。

2.2 測試方法

參照GB 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》進行壓縮性能測試。為有效分析軸紗數量和編織角等工藝參數對材料壓縮性能的影響，制作了4組不同工藝參數的試件，試件尺寸為10mm×10mm×30mm;因試件截面為方形，在受到壓縮載荷作用時容易發生端部損壞，因此要求在測試前對試件的上下底面進行平整拋光整理，并剔除有缺陷、不符合尺寸要求的試件，每組試件選取5個有效測試值，取其平均值作為參考。壓縮試件的工藝參數如表1所示。

表1 壓縮試件的工藝參數及壓縮測試結果Tab.1 Process parameters and com pressive testing results of com p ressive sam p les

2.3 結果與分析

2.3.1 壓縮特性

觀察三維全五向編織復合材料壓縮性能測試，可以發現，測試過程中試件無明顯變形和聲響產生，但在試件即將破壞的瞬間，由于環氧樹脂基體開裂和玻璃纖維的大量斷裂，試件產生劇烈的聲響，表現出明顯的脆性破壞特性。三維全五向編織復合材料壓縮斷口形貌如圖1所示。由圖可知，標準三維全五向編織復合材料試件(見圖1(a))，材料發生壓縮破壞時，沿試件的編織方向即縱向，斷裂面與受力方向基本呈45°夾角，為明顯的彎剪破壞特征，材料的上下底面仍然保持平整光滑，無纖維束脫散裂開現象;對于存在復合缺陷的試件(見圖1(b))，產生樹脂對纖維的浸漬不良、干斑和空隙等不良現象時，復合成型后的材料必然形成若干弱承力區域，在受到諸如壓縮載荷等作用時，這些弱承力區域易產生基體開裂脫黏，并逐漸延伸致最終導致材料提前失效;對于上下底面不平整的試件(見圖1(c))，在受到壓縮載荷作用時，試件上下底面受力不均，凸起的部分首先與壓縮夾具面接觸而受力，形成應力集中，材料易產生裂紋并以某一角度延伸，最終使材料產生局部壓縮破壞而失效。

圖1 三維全五向編織復合材料的壓縮破壞形貌Fig.1 Compressive breakage images of three-dimensional full five-directional braided composites.(a)Breakage image of standard samples;(b)Breakage image of samples with complex-defects;(c)Breakage of sampleswith unevenness upper and lower face

2.3.2 壓縮性能

三維五向、三維全五向編織復合材料的壓縮性能如圖2所示。結合表1可知，三維五向、三維全五向編織復合材料的壓縮應力—應變曲線規律相似。在壓縮測試起始階段，應力隨應變在短時間內呈現非線性變化趨勢;隨著載荷進行，應力隨應變呈現線性變化趨勢，表現為明顯的彈性變形特征;當載荷達到最大值時，試件失效斷裂，應力急劇下降。

當編織角相同時，三維全五向編織復合材料的壓縮性能明顯好于三維五向結構。當編織角為31°時，三維全五向1#試件的壓縮應力為194.0 MPa，三維五向2#試件的壓縮應力為118.5 MPa;當編織角為19°時，三維全五向 3#試件的壓縮應力為385.9 MPa，三維五向 4#試件的壓縮應力為199.8 MPa。這是因為三維全五向編織結構比三維五向結構有更多的軸紗，極大地提高了材料的軸向壓縮性能。

圖2 三維編織復合材料拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress and strain curves of three-dimensional braided composites

纖維體積分數相近時，三維全五向編織復合材料的拉伸性能好于三維五向結構。三維全五向3#試件的纖維體積分數為 52.3%，壓縮應力為385.9 MPa;三維五向2#試件的纖維體積分數為53.2%，壓縮應力為118.5MPa。這是因為三維全五向編織復合材料中所有空隙均有軸紗占據，導致編織物與樹脂基體復合時，樹脂富集區大大減少，從而極大地提升了材料的抗壓強度。

當編織角增大時，三維編織復合材料的壓縮性能明顯下降。對于三維全五向編織復合材料，3#試件的編織角為19°，壓縮應力為385.9 MPa;1#試件的編織角為 31°，壓縮應力為194.0 MPa，下降49.7%;對于三維五向編織復合材料，4#試件的編織角為19°，壓縮應力為199.8 MPa;2#試件的編織角為31°，壓縮應力為118.5 MPa，下降40.7%。這是因為，當編織角增大時，編織紗更多的趨向于橫向，導致其對軸向承載的貢獻度下降，材料整體抗壓性能下降［10－11］。

3 結語

1)觀察三維全五向編織復合材料的壓縮破壞形貌發現，標準試件斷裂面與受力方向基本呈45°夾角，呈現彎剪破壞特征;存在復合缺陷的試件，易出現弱承力區域，導致試件提前失效;上下底面不平整試件，易出現應力集中現象，導致試件局部破壞失效。

2)三維編織復合材料的壓縮特性:在壓縮起始階段，應力隨應變在短時間內呈非線性變化趨勢;隨著載荷進行，應力隨應變呈線性變化趨勢，表現為明顯的彈性變形特征;當載荷達到最大值時，試件失效斷裂，應力急劇下降。

3)編織角、纖維體積分數相近時，三維全五向編織復合材料的壓縮性能明顯好于三維五向結構;隨著編織角的增加，三維五向、三維全五向編織復合材料的壓縮性能均明顯下降。

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