二維二軸編織鋪層復合材料壓縮性能的研究*

徐 倩 閻建華

1． 東華大學紡織學院，上海 201620；2． 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3． 東華大學研究院，上海 201620

二維二軸編織鋪層復合材料壓縮性能的研究*

徐 倩1, 2閻建華3

1． 東華大學紡織學院，上海 201620；2． 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3． 東華大學研究院，上海 201620

利用二維編織機，設計編織用芯模尺寸，編織成不同層數的編織鋪層復合材料。討論多層碳纖維/環氧樹脂編織鋪層復合材料的壓縮性能，并分析不同層數、不同編織角的編織鋪層復合材料的平均壓縮模量的變化規律及壓縮破壞模式。結果表明，隨著層數的增加，編織鋪層復合材料的平均壓縮模量呈下降趨勢；在同一塊編織鋪層復合材料板內，編織角影響編織鋪層復合材料的平均壓縮模量，其隨編織角增大而減小；編織鋪層復合材料的壓縮破壞模式主要是分層現象較明顯，其次是樹脂剝離、碳纖維脆斷。

編織鋪層復合材料，壓縮，編織角，二維編織機

編織復合材料是近幾年發展比較迅速的纖維增強復合材料之一，由于其具有輕質高強及材料性能可設計性和抗疲勞性能好等優勢，被廣泛運用于航天航空、交通運輸裝備、建筑材料等領域，在工業領域占有獨特的地位。編織鋪層復合材料(國外學者大多稱其為over-braiding結構)是一種新型的立體編織結構材料，它集編織和鋪層為一體，結合了兩者的優勢，其結構整體性好，可根據產品形狀編織成復雜的幾何結構，產品可設計性強、應用范圍廣[1]。

關于編織復合材料的壓縮性能，國內外學者已做了大量研究。但相對于拉伸、彎曲、剪切等其他力學性能而言，壓縮試驗測試比較復雜，壓縮性能研究并沒有一個完整的研究體系，而且由于編織復合材料結構的多樣性，其研究方向比較雜亂。

目前來說，壓縮性能仍然是國外學者研究的重要內容之一。Naik等[2]針對0°/90°多層編織復合材料建立了一個壓縮力學模型，研究細觀結構與壓縮模量、壓縮強度、失效模式等因素之間的關系。Naik等[3]較為細致地討論了二維二軸編織復合材料的力學性能與紗線形狀、編織角、纖維體積分數等因素之間的關系。Chiu等[4]討論了二維三軸管狀編織的壓縮失效模式及機理。Quek等[5]研究了二維三軸編織復合材料的壓縮性能，并與管狀壓縮相對比，分析其壓縮機理。Song等[6]利用有限元法模擬二維三軸編織復合材料的壓縮過程，主要討論了細觀結構及壓縮性能的預測。

國內許多學者也研究了不同結構的編織復合材料的壓縮性能。曹翠微等[7]探討了軸棒法三維四向碳/碳復合材料的壓縮性能，觀測材料在不同載荷下的壓縮現象，并探討其破壞機理。馬小菲等[8]、張平等[9]討論了2D圓管編織復合材料的壓縮性能，分析編織角等工藝參數對壓縮性能的影響。于平等[10]、梁仕飛等[11]采用有限元模擬的方法，研究二維編織復合材料的壓縮行為，建立了損傷模型，并與實際試驗觀察對比，討論纖維束間隙、纖維束截面尺寸對壓縮性能的影響。

對于二維層合板的壓縮性能，不同學者討論的方向不同，其中討論沖擊后及開孔后的壓縮性能的文獻比較多。潘文革等[12]討論了二維編織層合板在濕熱環境下沖擊后的壓縮性能。程小全等[13]、林淡等[14]對層合板低速沖擊后的壓縮性能做了一系列探討，建立了損傷模型。許延敏等[15]研究了開孔后的層合板的壓縮性能。

在二維編織復合材料的壓縮性能研究上，大多數文章主要探討編織角、纖維體積分數等參數對壓縮性能的影響，分析其壓縮機理和破壞模式，或者借助有限元分析軟件模擬壓縮行為。本文中的二維二軸編織鋪層復合材料(over-braiding結構)采用一種結構比較新穎的立體編織形式，主要討論編織層數的變化對編織復合材料壓縮性能的影響，以及編織層數與編織角、取樣位置與編織角和壓縮性能之間的關系，以期為該類材料在工業應用中的設計和生產提供有效理論指導。

1 試驗

1.1 試驗材料

本文使用的增強纖維是由日本東麗公司生產的T700S-12K型碳纖維，樹脂和固化劑是由常熟佳發化學有限責任公司生產的JA-02型環氧樹脂體系。碳纖維和樹脂的主要性能參數見表1。

表1 碳纖維和樹脂的主要性能參數

1.2 試樣制備

采用立體一體化編織工藝，將碳纖維紗線編織在長方體形狀的芯模上，形成一個交叉網狀的碳纖維編織鋪層復合材料預制件。芯模長100 mm，寬60 mm，高1 140 mm。圖1所示為編織原理簡圖。采用二維編織機，錠速S500，芯模速度F550，其他機器運動參數保持不變，控制初始張力穩定、均勻，芯模固定，沿芯模編織。

圖1 編織原理示意

編織時，在芯模上編織1層后，以此為基礎編織第2層，如此反復，得到試驗所需的不同層數的編織鋪層復合材料。芯模如圖2所示，其設計為側面開槽，以便于后續裁剪編織成的預制件和固化。

圖2 芯模示意

本文討論編織鋪層復合材料的壓縮性能，試樣需要一定的厚度，故采用編織層數5、 6、 7、 8、 9。編織完成后將預制件固定，按圖3所示，沿芯模側面箭頭方向裁開，然后通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)，環氧樹脂與固化劑的質量比為100∶85，固化溫度和時間依次為90 ℃×2 h、 110 ℃×1 h、 130 ℃×4 h，將預制件和樹脂固化成型得到矩形編織鋪層復合材料試樣。

圖3 預制件裁剪

1.3 壓縮試驗

在矩形試樣上取樣，并做好標記。取樣位置及編號如圖4所示。

表2給出了試樣編織層數和取樣位置與編織角的關系。在相同的取樣位置，隨著編織層數的增加，編織角逐漸增大。在同一試樣中，取樣位置不同，編織角也有變化。1號和3號取樣位置的編織角之間差異不大，但它們與2號取樣位置的編織角之間有明顯差異。這種現象在編織鋪層復合材料的生產實踐中客觀存在，在芯模上編織是無法避免的。其原因主要是在芯模上編織時，芯模的側面較上、下表面窄(圖2)，在整個編織過程中，紗線根數保持不變，所以在窄的側面上紗線排列緊密、編織角小，而在寬的上、下表面上紗線排列稀松、編織角大。

(a) 實物照片 (b) 示意

編織層數取樣位置123542.0°53.6°41.0°645.6°54.0°44.0°746.0°56.3°45.3°849.0°59.0°47.3°952.6°61.6°50.0°

壓縮性能的影響因素較多，加上編織結構復雜，在測試過程中極易發生彎曲，試樣的形狀或尺寸的微小變化及載荷的微小偏移都會導致試樣屈曲或過早破壞，影響測試結果的準確性，所以試樣尺寸對試驗成敗至關重要。根據ASTM D6641/6641M-16和MTS 647 Hydraulic Wedge Grip 測試儀器的要求，經切割機切割和機械砂輪打磨，得到壓縮試驗試樣。試樣的有效壓縮長度既不能太長也不能太短，太長測試時試樣容易彎曲，太短則不能包含完整的1個單胞結構，無法體現出編織結構的優點。1個花節長度約12.00 mm，故試樣有效壓縮長度取2個花節長度，約25.00 mm。試樣長105.00 mm、寬30.00 mm。夾持片長度40.00 mm。試樣厚度至少3.00 mm，否則易彎曲，故編織層數最少為5[16-17]。壓縮試驗試樣尺寸及壓縮裝置如圖5所示。

圖5 壓縮試驗試樣尺寸及壓縮裝置

在室溫條件下，在MTS 647 Hydraulic Wedge Grip 測試儀器上進行壓縮試驗，加載速率5 mm/min。在同一位置，每個樣品至少進行3次試驗。最終的編織鋪層復合材料成品為板狀，故纖維體積分數采用克重法測量。克重法的測試原理是假想將增強纖維(即碳纖維)與樹脂分離，各自熔融成相同底面積的長方體，則編織鋪層復合材料的纖維體積分數可以轉化為碳纖維熔融形成的長方體的高度與編織鋪層復合材料的厚度的比值[18]。其計算式：

式中：Vf——編織鋪層復合材料的纖維體積分數，%；

G——編織鋪層復合材料的面密度，g/m2；

ρf——碳纖維的密度，g/cm3；

d——編織鋪層復合材料的厚度，mm。

表3給出了壓縮試驗試樣的纖維體積分數和試樣尺寸。編織鋪層復合材料隨著編織層數的增加，其厚度增加，但纖維體積分數的變化不大。

表3 壓縮試驗試樣的纖維體積分數和試樣尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 平均壓縮模量

圖6給出了不同編織層數試樣在不同取樣位置的平均壓縮模量，可以看出：

圖6 試樣的平均壓縮模量

(1) 當編織層數相同時，取樣位置不同，試樣的平均壓縮模量有明顯差異。在1號和3號取樣位置，試樣的平均壓縮模量比較接近；而在2號取樣位置，試樣的平均壓縮模量與1號、3號取樣位置有明顯區別。這表明編織角對試樣壓縮性能有很大的影響，編織角大，試樣的平均壓縮模量小。

(2) 當取樣位置相同時，隨著編織層數增加，試樣的平均壓縮模量呈下降趨勢。隨著編織層數的增加，芯模上編織預制件的外徑越來越大，內層纖維的編織角小于外層纖維的編織角，而且編織層數增加越多，這種差異越明顯。對于某個單層，壓縮時大部分的載荷由縱向纖維承擔，而隨著編織角的增大，碳纖維在縱向提供的分力減小。從整體來看，每個單層能夠承擔的載荷能力下降，則整體承擔載荷的能力減弱。壓縮時，每個單層并不是平均地承擔載荷，故而編織層數越多，試樣厚度越厚，這種差異越明顯，所以試樣的平均壓縮模量呈下降趨勢。

2.2 應力-應變曲線

圖7為編織層數5、 6、 7、 8、 9的試樣在2號取樣位置的應力-應變曲線，可以看出：

試樣在壓縮破壞前，其應力-應變曲線呈線性狀態，在壓縮初始階段呈現彈性變形，隨著應變的增加，應力迅速上升到最高值，然后下降，下降速度相對較緩慢。

圖7 試樣的應力-應變曲線

2.3 失效模式及機理分析

2.3.1 壓縮后的表面形態

采用Nikon SM2 7457顯微鏡觀察壓縮試驗后的試樣，發現試樣表面呈對角線破壞，裂紋與加載方向形成一個夾角，表面出現裂紋，類似于十字形破壞。進一步觀察發現，試樣內側(貼近芯模表面的一側)的破壞程度明顯比試樣外側(預制件的最外層)嚴重。圖8為7層2號取樣位置試樣豎切顯微鏡觀察照片，可以看出，試樣內側的裂紋明顯大于外側，而且隨著編織層數增多，試樣厚度越厚，這種差異越明顯。這是因為編織層數越多，試樣內側和外側的編織角差異越大，壓縮時每個單層所承擔的載荷不一致，應力分散、不均勻，在相同載荷下，試樣內側的編織角小，故先于外側發生破壞。

圖8 7層2號取樣位置試樣豎切顯微鏡觀察照片(注：將編織層數為7、在2號取樣位置的試樣沿編織方向切割，然后在YM-1A型金相試樣預磨機上，依次采用號數為800、1200、2000的砂紙打磨拋光，最后在顯微鏡下觀察)

2.3.2 失效模式

在Nikon SM2 7457顯微鏡下觀察試樣壓縮破壞后的橫切面(圖9)，可以清楚地看到試樣的壓縮破壞主要是分層現象比較明顯，界面分離，樹脂脆斷，部分碳纖維從樹脂中被抽拔出來。纖維微屈曲和剪切破壞是復合材料縱向壓縮破壞的主要原因，纖維微屈曲后容易引起界面脫黏、層間分離。

圖9 7層2號取樣位置試樣橫切面顯微鏡觀察照片

圖10 切開后的試樣的左側、中間、右側對比

為了觀察試樣內部的裂紋擴展情況(圖10)，將壓縮后的試樣沿壓縮方向在其中部切開，再經打磨拋光后進行觀察，發現：同一塊試樣的左側、中間、右側的裂紋不一致，內部破壞嚴重，觀察到的裂紋數也明顯較多；左側、中間、右側的裂紋集中點不在同一位置；從左到右，裂紋在擴散，并呈一定方向，且裂紋與加載方向形成一定角度，裂紋延伸點未超過試樣有效壓縮長度范圍。這是壓縮剪切現象。范金娟等[19]提出了壓縮剪切的概念，斷面與加載方向約成45°。

3 結語

(1) 在纖維體積分數基本一致的情況下，對于同一塊編織鋪層復合材料，編織角會影響其壓縮性能，編織角大，材料的平均壓縮模量小。隨著編織層數增加，編織鋪層復合材料的厚度增大，其平均壓縮模量呈下降趨勢。

(2) 編織鋪層復合材料在壓縮破壞前，應力-應變曲線呈線性狀態，在壓縮初始階段呈現彈性變形，隨著應變的增加，應力迅速上升到最高值，然后下降，下降速度較緩慢。

(3) 編織鋪層復合材料的壓縮破壞過程中，最主要的破壞形式是分層，分層的程度介于單向布鋪層復合材料和三維編織復合材料之間。在同一試驗條件下，隨著編織層數增加，編織鋪層復合材料的破壞程度趨于嚴重。在同一層，編織角小的內側的破壞程度較編織角大的外側嚴重。裂紋與加載方向形成一定角度，裂紋擴展未超過有效壓縮長度范圍。

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Research on compression properties of 2D two-axis over-braiding composites

XuQian1, 2,YanJianhua3

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201600, China;2. Key Lab of Textile Science & Technology, Ministry of Education， Shanghai 201600, China；3. Research Institute of Donghua University， Shanghai 201600, China

Through the 2D vertical braiding machine, the size of braiding mandrel was designed, and the over-braiding composites with different layers were braided. The compression of the over-braiding composites with different layers made of carbon fibers and epoxy resin was discussed. The variation of average compression modulus as well as the compression failure mode of the over-braiding coposites with different layers and different braiding angles were also analyzed. The results showed that, with the number of layers increasing, the average compression modulus decreased. In the same over-braiding composite plate, the braiding angle affected the average compression modulus of the over-braiding composites, which reduced when the braiding angle increased. The compression failure mode of the over-braiding composites mainly appeared obvious delamination, following stripping of resin and brittle fracture of carbon fibers.

over-braiding composite, compression, braiding angle, 2D vertical braiding machine

*上海市科技成果轉化和產業化項目(12521102400)；上海市教委上海高校知識服務平臺項目(ZF1215)

2016-10-04

徐倩，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為碳纖維編織鋪層復合材料的基本力學性能

閻建華，E-mail：jh_yan@dhu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)12-0018-06