編織與層合復(fù)合材料拉壓性能對(duì)比試驗(yàn)研究

羅貴

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津　300300）

編織與層合復(fù)合材料拉壓性能對(duì)比試驗(yàn)研究

羅貴

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

利用相同材料分別制備不同編織角的三維四向、五向、六向、七向編織復(fù)合材料試樣與0°單向、90°單向和［0/（45）2/90］2 s層合復(fù)合材料試樣并進(jìn)行縱向拉伸與壓縮試驗(yàn)，獲得其主要力學(xué)性能參數(shù)及破壞形式，分析內(nèi)部編織角、編織結(jié)構(gòu)對(duì)編織材料縱向拉伸與壓縮性能的影響。結(jié)果表明，內(nèi)部編織角是三維編織復(fù)合材料縱向力學(xué)性能的主要影響因素，編織角越小，縱向拉伸和壓縮性能越好；編織結(jié)構(gòu)也是縱向力學(xué)性能影響因素；內(nèi)部編織角和編織結(jié)構(gòu)影響材料的破壞模式。通過(guò)試驗(yàn)研究得到的結(jié)論，為進(jìn)一步對(duì)三維編織復(fù)合材料的理論研究奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

復(fù)合材料；三維多向；編織結(jié)構(gòu)；編織角；力學(xué)性能；試驗(yàn)

試驗(yàn)研究在復(fù)合材料研究與應(yīng)用中具有重要作用，試驗(yàn)可以驗(yàn)證材料力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可分析材料破壞模式和失效機(jī)理，為強(qiáng)度預(yù)報(bào)等問(wèn)題奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［1-6］分別利用相關(guān)試驗(yàn)研究三維四向、五向和六向編織復(fù)合材料力學(xué)性能及其破壞機(jī)制，文獻(xiàn)［7-8］對(duì)三維編織復(fù)合材料及其力學(xué)性能研究進(jìn)行總結(jié)和展望；但針對(duì)三維七向編織及三維多向編織與層合復(fù)合材料之間的力學(xué)性能，對(duì)比研究仍欠缺。

本文利用相同材料分別制備不同編織角的三維四向、五向、六向、七向編織復(fù)合材料試樣和0°單向、90°單向、［0/（45）2/90］2s層合復(fù)合材料試樣并進(jìn)行縱向拉伸與壓縮試驗(yàn)，獲得其主要力學(xué)性能參數(shù)及破壞機(jī)制，對(duì)比研究?jī)?nèi)部編織角、編織結(jié)構(gòu)對(duì)編織材料縱向性能和破壞形式的影響，為進(jìn)一步的三維編織復(fù)合材料理論研究奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)描述

本文分別對(duì)編織與層合復(fù)合材料試樣進(jìn)行縱向拉伸和壓縮試驗(yàn)。編織試樣分為2種編織角（20°和40°）和4種編織結(jié)構(gòu)（三維四向、三維五向、三維六向和三維七向）；層合試樣鋪層為［0/（45）2/90］2s、0°單向和90°單向。所有試樣均選用T700-12K碳纖維增強(qiáng)纖維，基體材料為T(mén)DE86環(huán)氧樹(shù)脂，纖維體積含量約58%。

拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039進(jìn)行，試樣長(zhǎng)度和寬度分別為250 mm和25 mm（0°單向板寬度為15 mm），厚度為3.5 mm，兩端有長(zhǎng)50 mm，寬25 mm，厚2 mm的鋁制加強(qiáng)片，如圖1所示。壓縮試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6641進(jìn)行，采用組合加載壓縮（CLC）試驗(yàn)夾具，試樣長(zhǎng)度和寬度分別為140 mm和12 mm，厚度為3.5 mm，如圖2所示。所有試驗(yàn)均在室溫環(huán)境下完成，拉伸試驗(yàn)加載速度為2 mm/min，壓縮試驗(yàn)加載速度為1.3 mm/min。所有試樣采用電阻應(yīng)變片方式采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，正反面對(duì)稱(chēng)且沿試樣縱向和橫向軸線(xiàn)方向貼應(yīng)變片，如圖1、圖2所示。

圖1　拉伸試樣幾何尺寸Fig.1　Dimensions of tensile specimen

圖2　壓縮試樣幾何尺寸Fig.2　Dimensions of compressive specimen

2　試驗(yàn)結(jié)果

縱向拉伸和壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中所列數(shù)據(jù)為每組試驗(yàn)的平均值。拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度和彈性模量離散性小，壓縮試驗(yàn)離散性在可接受范圍內(nèi)，表明本試驗(yàn)方法適用于三維編織復(fù)合材料縱向拉壓力學(xué)性能試驗(yàn)，泊松比離散率較大，需改進(jìn)試驗(yàn)方法以獲得更加準(zhǔn)確的泊松比。

表1　試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.1　Mechanical property data of specimens

2.1三維編織與層合復(fù)合材料性能對(duì)比

各組試樣力學(xué)性能對(duì)比如圖3所示。縱向拉伸試驗(yàn)中，編織試樣拉伸彈性模量和強(qiáng)度高于［0/（45）2/90］2s層合試樣，且彈性模量與強(qiáng)度分布規(guī)律一致，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣遠(yuǎn)高于層合試樣，40°編織角的三維六向編織試樣和20°編織角的三維七向編織試樣略高于層合試樣，其他幾種形式編織試樣與層合試樣相當(dāng)。在縱向壓縮試驗(yàn)中，編織試樣與層合試樣的壓縮強(qiáng)度相當(dāng)，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣略高于層合試樣，其它幾種形式編織試樣均略低于層合試樣，編織試樣的壓縮彈性模量均高于層合試樣，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣壓縮彈性模量是層合試樣的2倍以上，40°編織角的三維六向與20°編織角的三維七向編織試樣的壓縮彈性模量略高于層合試樣，其它幾種編織形式與層合板相當(dāng)。由比較可知，20°編織角三維四向和三維五向編織結(jié)構(gòu)縱向拉伸性能優(yōu)越，接近0°單向板拉伸性能。因?yàn)閺?fù)合材料的縱向性能主要由纖維束決定，在纖維體積含量相同的情況下，0°單向板縱向纖維最多，編織角較小時(shí)縱向纖維也較多，隨著編織紗向增加，縱向纖維含量減少，所以三維四向與三維五向編織復(fù)合材料表現(xiàn)強(qiáng)度和模量較高。從結(jié)果可知，90°單向板的縱向性能差，因?yàn)檫@相當(dāng)于試驗(yàn)0°單向板的橫向性能，對(duì)于單向板，橫向性能主要由基體性能決定，基體樹(shù)脂相比纖維其性能差很多，而編織復(fù)合材料由于纖維相互交錯(cuò)構(gòu)成整體性分布于基體之間，大大的改善了材料性能，所以編織材料的強(qiáng)度與模量都遠(yuǎn)比90°單向板高。

圖3　編織與層合結(jié)構(gòu)縱向拉壓性能對(duì)比Fig.3　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between braided and laminated structures

2.2不同編織角的三維編織材料性能對(duì)比

圖4分別對(duì)比了不同編織角材料縱向拉伸和壓縮性能。隨著編織角增加，模量和強(qiáng)度降低，泊松比有所增加，對(duì)于相同編織結(jié)構(gòu)，編織角為40°試樣相比編織角為20°試樣的縱向拉伸和壓縮性能均有所下降，其中三維四向、五向試樣拉壓強(qiáng)度與彈性模量下降顯著，降率達(dá)到100%以上；三維六向試樣拉壓強(qiáng)度與彈性模量的變化較小。因?yàn)樵诰幙椊禽^小情況下，拉壓載荷主要由纖維束承受，而纖維束的承載能力遠(yuǎn)比基體高，所以試樣拉壓強(qiáng)度與模量比編織角較大的試樣高；又由于纖維束線(xiàn)之間的相互約束，使得試樣橫向變形相對(duì)編織角較大的試樣要小，故泊松比小。結(jié)果表明，內(nèi)部編織角對(duì)材料縱向拉伸和壓縮性能有顯著影響，內(nèi)部編織角越小，編織紗線(xiàn)對(duì)縱向性能貢獻(xiàn)越大，縱向拉伸與壓縮彈性模量和拉伸強(qiáng)度越大，改變內(nèi)部編織角角度可直接導(dǎo)致材料縱向性能變化。從數(shù)據(jù)比較可知，在4種編織結(jié)構(gòu)中三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向力學(xué)性能受內(nèi)部編織角的影響最小。

圖4　不同編織角的縱向拉壓性能對(duì)比Fig.4　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided angles

2.3不同編織結(jié)構(gòu)的三維編織材料性能對(duì)比

圖5分別展示了2種內(nèi)部編織角下4種編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸與壓縮性能對(duì)比。對(duì)比分析可知，對(duì)于編織角為20°的4種編織結(jié)構(gòu)，三維五向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的縱向性能最優(yōu)。三維五向編織結(jié)構(gòu)由于第五向軸紗的加入，使其拉伸強(qiáng)度較三維四向編織結(jié)構(gòu)略有下降，拉伸彈性模量、壓縮彈性模量和壓縮強(qiáng)度均有明顯提高。再隨著第六向軸紗增加，三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸和壓縮性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著第七向軸紗的增加，三維七向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸和壓縮性能繼續(xù)下降，在4種編織結(jié)構(gòu)中縱向力學(xué)性能最低。這表明，第五向軸紗對(duì)編織材料起到了積極的貢獻(xiàn)；第六向和第七向軸紗對(duì)編織材料縱向力學(xué)性能沒(méi)有優(yōu)越貢獻(xiàn)，反而降低了材料的縱向力學(xué)性能。對(duì)于內(nèi)部編織角為40°的4種編織結(jié)構(gòu)，三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉壓性能最優(yōu)。縱向拉壓強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律基本一致，隨著第五向、第六向軸紗的引入，三維編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸、壓縮強(qiáng)度與彈性模量均有所增加，而當(dāng)?shù)谄呦蜉S紗加入后，拉壓強(qiáng)度和彈性模量大幅下降。三維七向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉壓力學(xué)性能均最差。

圖5　不同編織結(jié)構(gòu)縱向拉壓性能對(duì)比Fig.5　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided structures

3　破壞形式

拉伸試驗(yàn)加載到試樣斷裂；壓縮試驗(yàn)加載到試樣發(fā)出斷裂聲響且試驗(yàn)機(jī)顯示載荷出現(xiàn)明顯下降后停止，加載載荷達(dá)到試樣的破壞載荷，試樣發(fā)生破壞。

3.1拉伸破壞

圖6給出了拉伸試樣破壞形式。拉伸試樣破壞形式比較分散，有中間工作段橫向破壞，有靠近加強(qiáng)片處的橫向斷裂，有沿表面取向角方向的斷裂和縱向斷裂，也有少數(shù)出現(xiàn)了以上幾種破壞形式的混合形式。圖6中（a）～（f）是三維多向（四向、五向、六向和七向）編織復(fù)合材料幾種具有代表性的破壞形式。其破壞形式主要是纖維和基體的斷裂，斷口方向基本與試樣的加載方向垂直，且斷口較平整，表明試驗(yàn)中試樣受力均勻。出現(xiàn)縱向劈裂的試樣全為內(nèi)部編織角為20°的試樣（三維四向2件，三維五向2件，三維七向1件），因?yàn)閮?nèi)部編織角越小，編織紗對(duì)試樣的橫向力學(xué)性能貢獻(xiàn)越小，對(duì)試樣的縱向劈裂起到較小的抑制作用；另外由于三維四向和三維五向編織試樣沒(méi)有第六向軸紗，試樣的橫向性能較弱，導(dǎo)致縱向劈裂，后續(xù)可通過(guò)橫向試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6　拉伸試樣破壞形式Fig.6　Failure characteristics of tensile specimens

3.2壓縮破壞

壓縮試樣的破壞形式發(fā)散性小，圖7給出了壓縮試樣中典型的破壞形式。編織角為20°的三維四向與五向編織材料各組5個(gè)試樣的破壞形式與其它編織復(fù)合材料不一致，在試樣的上部或下部沿編織復(fù)合材料表面取向角方向上發(fā)生斷裂，而不是在試樣中間發(fā)生斷裂，斷口與壓縮受力方向約成45°角，呈現(xiàn)剪切破壞形式，如圖7（a）、（b）所示。因?yàn)槿鄙俚诹蜉S紗在橫向?qū)Σ牧系呢暙I(xiàn)，與40°編織角相比，20°編織角試樣的編織紗在橫向的貢獻(xiàn)小，導(dǎo)致材料發(fā)生上述破壞形式；編織角為40°的三維四向編織試樣都是在試樣中部出現(xiàn)裂紋，破壞形式如圖7（c）所示；編織角為40°的三維五向編織試樣的破壞不明顯，只出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，均發(fā)生在試樣中部，如圖7（d）所示；此外，三維六向與七向編織試樣的破壞均發(fā)生在中部，圖7（e）～圖7（h）分別為其破壞形式。觀察以上試樣的斷口，可以看出壓縮破壞形式主要是纖維屈曲、纖維壓剪斷裂、基體壓剪斷裂及纖維與基體界面分離等剪切破壞。分析各組試驗(yàn)破壞形式可知三維編織復(fù)合材料的破壞機(jī)制與編織角和編織結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系。

圖7　壓縮試樣的破壞形式Fig.7　Failure characteristics of compressive specimens

4　結(jié)語(yǔ)

1）編織角對(duì)三維多向編織復(fù)合材料縱向拉伸和壓縮性能影響顯著，編織角越大，縱向拉伸彈性模量與強(qiáng)度、縱向壓縮彈性模量與強(qiáng)度越小，泊松比越大。

2）編織結(jié)構(gòu)對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能也有明顯影響。對(duì)于20°編織角，三維五向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最優(yōu)；對(duì)于40°編織角，三維六向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最優(yōu)；20°和40°編織角的三維七向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能均較差。

3）三維多向編織復(fù)合材料的破壞形式主要是基體開(kāi)裂和纖維斷裂。拉伸破壞形式較分散，有垂直加載方向的橫向斷裂，也有沿加載方向的縱向斷裂；壓縮破壞形式較典型，沿表面取向角方向斷裂，編織紗角度影響三維四向和五向編織結(jié)構(gòu)的壓縮破壞形式。

［1］徐焜，許希武，汪海.三維六向編織復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22（6）：144-149.

［2］嚴(yán)實(shí)，孫雨果，吳林志，等.板狀三維四向編織復(fù)合材料壓縮細(xì)觀破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（4）：133-139.

［3］李典森，劉子仙，盧子興，等.三維五向炭纖維/酚醛編織復(fù)合材料的壓縮性能及破壞機(jī)制［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，25（1）：133-139.

［4］陳利，梁子青，馬振杰，等.三維五向編織復(fù)合材料縱向性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2005（8）：3-6.

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［6］郭穎，吳林志，楊銀環(huán)，等.三維六向編織復(fù)合材料拉伸性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2012，33（5）：669-674.

［7］汪星明，邢譽(yù)峰.三維編織復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2010，31（5）：914-927.

［8］曾濤，姜黎黎.三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（1）：34-41.

（責(zé)任編輯：劉智勇）

Experimental comparative study on tensile and compressive properties of braided and laminated composites

LUO Gui
（Engineering Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

Through the longitudinal tensile and compressive experiments on 3D-4 directional，3D-5 directional，3D-6 directional，3D-7 directional braided composites and laminated composites with stacking sequence of［0/（45）2/90］2s and 0°one-way slab and 90°one-way slab all made by a same material，the main mechanical property parameters and failure mechanism are achieved and the effects of braided angle and its structure to longitudinal tensile and compressive properties of braided composites are studied.Results show that the braided angle is the main factore of longitudinal mechanical properties of 3D braided composite.The smaller braided angle is，the better longitudinal tensile and compressive mechanical properties become.Braided structure also has important effect on longitudinal mechanical properties.In addition，braided angle and structure have important effect on failure mechanism.These results can provide an experimental basis for further studies on theoretical research of braided composites.

composites；3D multi-direction；braided structure；braided angle；mechanical properties；experiment

V258；TH122

A

1674-5590（2016）03-0052-05

2015-07-02；

2015-09-21基金項(xiàng)目：中航創(chuàng)新基金項(xiàng)目（NBLB003）

羅貴（1983—），男，江西贛州人，助教，碩士，研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析.