三維編織復合材料圓管軸向力學性能試驗研究

黃雨霓 劉振國

【摘要】本文針對三維四向、五向編織T700/環氧樹脂復合材料，采用四步法編織工藝，編織圓管預成型件，利用VARTM工藝固化成型，并進行拉伸和壓縮試驗，得到兩類材料圓管的軸向性能數據。試驗結果表明：三維四向和五向復合材料圓管軸向性能在破壞前基本保持線彈性，四向材料拉伸和壓縮模量相近，五向材料壓縮模量大于拉伸模量，兩者拉伸強度均遠大于壓縮強度，且五向材料破壞具有脆性特征。此外，三維四向編織復合材料的軸向力學性能低于三維五向編織復合材料。

【關鍵詞】三維編織；復合材料；圓管；軸向性能

Research on Axial Performances of 3D Braided Composite Circular Tubes

HUANG Yu-ni1LIU Zhen-guo2

( 1. Shanghai Aircraft Design Research Institute, Shanghai, 200232, China;

2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China)

【Abstract】Tube performs for the 3D 4-directional and 3D 5-directional materials were produced by four step braiding method and T-700/epoxy composites were made by VARTM. A study of tensile and compression properties for the two materials were carried out. The results indicate that the axial performances maintain linear elasticity before failure and the tensile strength is much larger than the compressive strength for the two materials. The tensile elastic modulus of the 3D 4-directional material is similar to the compressive elastic modulus. The compressive elastic modulus is larger than the tensile strength for the 3D 5-directional material and the failure?form is characterized by brittle cracks. Moreover, the axial properties of 3D 4-directional braided composites are lower than that of 3D 5-directional braided composites.

【Key words】3D braided; Composites; Tubes; Axial performances

0引言

隨著世界航空航天技術的飛速發展，現代航空航天器結構設計提出了大結構尺度和結構超輕型化問題[1]。利用復合材料管件制造出的結構在滿足強度及剛度的前提下，至少能實現減重20%的目標[2]，同時還具有良好的抗疲勞、抗腐蝕性的特點。

目前，航空航天復合材料管件的制造方法主要有纏繞工藝和卷管成型工藝等，由于制造工藝的特點決定了其存在著一定的不足，難以滿足航空航天高性能管件的要求。纏繞工藝生產的管件，軸向拉伸強度較低、外表面粗糙、易滲漏，管連接件較難成型，而卷管成型工藝生產的管件易出現分層現象[3]。三維編織復合材料是一種先進的復合材料，它是現代復合材料制造技術和編織技術相結合的產物，克服了用其他方法成型的管件的某些不足，具有高強度、高模量、高抗損傷容限和抗沖擊等優異性能，在航空、航天領域具有廣泛的應用前景。文獻[4]指出三維編織工藝技術結合RTM成型工藝是實現高性能復合材料管件制造的低成本技術途徑之一。

本文所用管件采用三維整體編織技術和VARTM工藝制作，對相同編織角、相同體積分數的三維四向、五向編織T700/環氧樹脂復合材料進行了拉伸和壓縮試驗，獲得了這些編織復合材料的主要軸向性能，并對破壞形式進行了分析。

１三維圓管的編織

三維編織工藝，就是由增強纖維束形成編織預成型件的過程。本試驗采用四步法編織三維四向和五向的圓管預成型件，所用試樣預成型件由北京柏瑞鼎科技有限公司提供。所選用的纖維為T700-6K碳纖維，圓管預成型件實物如圖1所示。

圖1三維編織圓管預成型件

Fig.1The perform of 3D braided circular?tube

２三維編織圓管的成型

由圖1可看出，本試驗所用三維編織圓管結構致密，纖維體積含量較高，為充分發揮三維編織結構的優勢，選用VARTM工藝固化成型。本文選用的樹脂為TDE-85#環氧樹脂，固化劑為70#酸酐，促進劑為苯胺[5]。膠液配比為樹脂：固化劑：促進劑=100：100：1；固化工藝為：130℃恒溫2小時，150℃恒溫1小時，160℃恒溫8小時，180℃恒溫3小時。

3試驗描述

參照GB/T1446–2005，GB/T3354–1999，以及ASTM有關試驗標準要求，確定試樣的尺寸參數。本次試驗在WDW-100微機控制電子萬能試驗機上進行，加載速度2mm/min，測試溫度為室溫。

本文試樣有三維四向和三維五向兩種材料，編織角有30°、40°和50°三種，纖維體積分數60%，分別進行拉伸和壓縮試驗，相關參數見表1。試樣尺寸如圖2所示。由于是薄壁圓管，為方便加載，試樣端頭使用加強鋁件，圓管和加強鋁件之間用高強膠粘接。為測量管件模量，試樣中部粘貼應變片。

表1試樣相關參數

Table 1Related parameters of samples

４試驗結果和分析

圖3為試樣應力-應變曲線，由圖可知，曲線在試樣破壞前基本保持為一條直線，這說明三維編織圓管在拉伸和壓縮破壞前是線彈性的。由圖中直線斜率和表2數據可知，三維五向圓管模量明顯大于三維四向圓管，這是由于五向材料有軸向紗的緣故。

由表2可知，在纖維體積分數相同時，隨著編織角的增大，三維四向和五向材料圓管的拉伸模量和壓縮模量都減小，且編織角越大，變化越劇烈。四向材料拉伸模量和壓縮模量相近，壓縮模量略大于拉伸模量。五向材料壓縮模量明顯大于拉伸模量。

圖2拉伸和壓縮試樣結構圖

Fig.2The diagrams of tensile and compressed samples

(a)拉伸應力-應變曲線

(a) Stress-strain curves of tensile tests

(b) 壓縮應力-應變曲線

(b) Stress-strain curves of compressed tests

圖3三維編織圓管應力-應變曲線

Fig.3Stress-strain curves of 3D braided circular tubes

表2三維編織T-700/TDE-85#圓管軸向性能

Table2Axial performances of 3D braided T-700/TDE-85 circular tubes

由于粘接強度不夠和工藝不穩定的原因，拉伸試樣破壞形式大部分為脫膠，僅得到1號試樣的拉伸強度537.5MPa，但可得出其他材料的強度的大概范圍。由表2可推知，在相同編織角和纖維體積分數條件下，五向材料的拉伸強度高于四向材料。四向材料1號試樣在加載初始階段試驗力-位移曲線基本為一直線，當試驗力達到一定值時開始發出輕微的響聲，基體或界面發生破壞，并隨著載荷的增加而聲音逐漸增大，在此過程中圓管明顯變細被拉長，達到試驗力峰值時瞬間發生斷裂，如圖4所示，纖維在斷口處被拉斷。

圖4拉伸試樣破壞圖

Fig 4Failure diagram of tensile sample

（a）Diagram of 4-directional material

（b）Diagram of 5-directional material

圖5壓縮試樣破壞圖

Fig.5Failure diagram of compressed sample

比較表2中拉伸強度和壓縮強度可知，拉伸強度遠大于壓縮強度。在纖維體積分數相同時，隨著編織角的增大，三維四向和五向材料圓管的壓縮強度都減小，五向材料減小趨勢不明顯。相同編織角和纖維體積分數情況下，五向材料壓縮強度遠大于四向材料，甚至為四向材料的2倍。可見，軸向紗的加入，能很大程度上提高材料的軸向壓縮性能。由圖5(a)可以看出，四向壓縮試驗圓管的破壞形式主要是沿著編織角方向的斜面纖維和樹脂同時斷裂，表現出明顯的剪切破壞特征。纖維和樹脂同時斷裂說明在圓管受壓的過程中樹脂基體也起到了較大的承載作用。圖5(b)看出，五向試樣斷裂均發生在試件的試驗段內。與三維四向試樣斷裂形式不同的是，五向編織復合材料圓管的斷口都較為平整，且纖維基本沿橫截面斷裂。沿縱向分布的軸向紗的加入使五向材料的失效模式更趨向于脆性破壞。

5結論

５.１采用三維編織四步法編織預成型件，利用VARTM工藝制造三維整體編織增強環氧 TDE-85#的復合材料管，對于高性能復合材料管件的制造進行了探索。

５.２三維四向和五向編織復合材料的縱向拉伸和壓縮應力-應變曲線在試件破壞前基本保持線性關系，四向材料拉伸和壓縮模量值相近，五向材料壓縮模量明顯大于拉伸模量。

５.３在纖維體積分數相同時，隨著編織角的增大，拉伸模量、壓縮模量和壓縮強度均減小。

５.４三維四向和五向材料壓縮強度均小于拉伸強度，五向材料壓縮強度遠大于四向材料。由于五向引入了軸向紗，試件的失效方式均趨向于脆性破壞。

［１］范華林，孟凡顥，楊衛．碳纖維格柵結構力學性能研究[J]．工程力學，2007，24(5)：42-46.

［2］冼杏娟，李端義．復合材料破壞分析及微觀圖譜[M]．北京：科學出版社，1993：1.

［3］吳曉青，李嘉祿，崔振興，王曉生．三維整體編織復合材料管的設計與制造[J]．玻璃鋼/復合材料，1998(4).

［4］劉振國．高性能復合材料管件制作工藝的比較及三維編織技術的應用[J]．材料工程，2009（S2）：109-112,118.

［5］吳曉青,李嘉祿．TDE-85#環氧樹脂VARTM工藝性研究[J]．中國塑料,2003，17(3)：44－47.

［責任編輯：曹明明］