不同結(jié)構(gòu)厚截面三維機(jī)織碳纖維復(fù)合材料的彎曲性能對比

高 雄， 胡僑樂， 馬顏雪， 張 琦， 魏 毅， 邱夷平

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 3. 東華大學(xué) 民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 201620)

不同結(jié)構(gòu)厚截面三維機(jī)織碳纖維復(fù)合材料的彎曲性能對比

高 雄1,2， 胡僑樂2， 馬顏雪1,2， 張 琦2， 魏 毅3， 邱夷平1,2

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 3. 東華大學(xué) 民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 201620)

為準(zhǔn)確分析不同結(jié)構(gòu)厚截面復(fù)合材料不同方向上的彎曲性能差異，通過設(shè)計(jì)織造三向正交、淺交直聯(lián)、淺交彎聯(lián)3種典型機(jī)織結(jié)構(gòu)的厚截面碳纖維三維機(jī)織物，并采用真空輔助樹脂成型工藝制備了近似纖維體積含量的碳纖維復(fù)合材料板，對其進(jìn)行了XYZ方向的彎曲實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：三向正交結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部纖維束近似平直，碳纖維束自身性能得到最大利用，對應(yīng)復(fù)合材料經(jīng)向彎曲強(qiáng)度最好；淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的Z經(jīng)和Z緯彎曲強(qiáng)度累加值最大，其厚度截面上的綜合彎曲性能最好，且其他各方向的彎曲強(qiáng)度較為均衡；淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部紗線交織摩擦損傷嚴(yán)重，且經(jīng)紗屈曲程度最大，對應(yīng)復(fù)合材料經(jīng)緯向彎曲性能均為最差。

碳纖維； 三維機(jī)織復(fù)合材料； 彎曲性能； 厚截面； 角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)； 三向正交結(jié)構(gòu)

隨著航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，三維紡織結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料制備[1-3]及結(jié)構(gòu)性能擬合設(shè)計(jì)[4-6]的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道越來越多，但研究對象的截面厚度基本集中在10 mm以下。然而一些復(fù)合材料航空器的主承力結(jié)構(gòu)需采用既能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用要求又能降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量的厚截面復(fù)合材料[7]，厚截面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能研究顯得尤為重要。

近年來，已有學(xué)者對厚截面的三維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，主要集中在拉伸壓縮性能[8-10]以及厚截面復(fù)合材料制備工藝[11-12]等方面，對彎曲性能，尤其是不同三維結(jié)構(gòu)的彎曲性能對比分析較少。本文以三向正交、淺交直聯(lián)、淺交彎聯(lián)3種三維機(jī)織結(jié)構(gòu)為例，通過設(shè)計(jì)并織造纖維體積含量相近，組織結(jié)構(gòu)不同的厚截面碳纖維三維機(jī)織預(yù)制件，并采用真空輔助樹脂成型(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)工藝制備相應(yīng)復(fù)合材料，測試XYZ方向的彎曲性能，對比分析不同結(jié)構(gòu)、不同方向的彎曲強(qiáng)度特性以及失效模式，旨在豐富厚截面三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，為三維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選取應(yīng)用提供一定理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

三維機(jī)織物是指紗線從一個(gè)平面到另一個(gè)平面在空間中相互交織或連接，從而形成的一個(gè)具有三維整體形態(tài)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的織物，主要結(jié)構(gòu)形式有角聯(lián)鎖和三向正交。由于經(jīng)緯紗交織傾斜狀態(tài)以及經(jīng)紗貫穿紗層數(shù)目的不同，可將常見角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)分為淺交直聯(lián)、淺交彎聯(lián)(或C層正交、C層斜交)、深角聯(lián)等。圖1示出本文實(shí)驗(yàn)采用的3種普遍應(yīng)用的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of 3-D woven structures. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c)Shallow-Bend-Joint structure

1.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇線密度為450 tex的T-800級12 K碳纖維束織造，3種機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制件均在單劍桿織機(jī)上織造完成，織物的測試參數(shù)見表1，織物平均厚度為16 mm，厚度方向?qū)訑?shù)約為23。

表1 織物及其對應(yīng)復(fù)合材料參數(shù)Tab.1 Parameters of fabrics and composites

在復(fù)合材料制備方面，從經(jīng)濟(jì)以及時(shí)效性的角度來考慮，本文是在真空輔助成型的工藝基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)合適導(dǎo)流網(wǎng)的形狀尺寸以保證織物能被樹脂完全浸潤，并加設(shè)Dam條固定織物厚度以控制纖維體積含量，從而成功制備厚度相同、纖維體積含量近似的復(fù)合材料板。實(shí)驗(yàn)所用樹脂用于中溫固化，單一組分的復(fù)配增韌環(huán)氧樹脂體系，具體性能參數(shù)及特性見表2。

表2 BAC-172樹脂性能參數(shù)Tab.2 Parameters of BAC-172 resin

注：①80 ℃水煮7 d；②常溫25～30 ℃灌注。

1.2測試方法

根據(jù)ASTM-D0790—2010《非增強(qiáng)和增強(qiáng)型塑料和電絕緣材料彎曲性能測試方法》進(jìn)行測試。測試樣條跨度與厚度比為16∶1，即跨距L=16d(d為試樣厚度)；三點(diǎn)彎曲測試速度設(shè)定為1 mm/min；預(yù)加壓力為5～10 N；持續(xù)加載至試樣破壞或壓力值下降超過25%時(shí)停止加載，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

由于復(fù)合后的三維機(jī)織試樣厚度大，需按照測試標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行剖片處理，再切割樣條并測試。為確保試樣中至少存在1個(gè)組織循環(huán)單元，剖片厚度定為2 mm。經(jīng)(緯)向測試樣條真實(shí)尺寸為：長度L0=50 mm，跨距L=32 mm，寬度b=10 mm，厚度h=2 mm；厚度方向(Z經(jīng)/緯)測試樣條尺寸為：長度L0=50 mm，跨距L=32 mm，寬度b=15 mm，厚度h=2 mm。

1.3纖維體積含量的確定

纖維體積含量是復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵影響因素[13],因此，需要在控制纖維體積含量近似的條件下，才能對其力學(xué)性能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的對比分析。由于復(fù)合材料板件厚度H與其對應(yīng)纖維體積含量Vf之間存在如下關(guān)系[14]：

式中：M為預(yù)制件面密度，g/cm2；ρ為預(yù)制件纖維密度，1.81 g/cm3；H為預(yù)制件成型厚度，cm。

本文實(shí)驗(yàn)采用厚度為15 mm的Dam條固定預(yù)制件兩側(cè)，控制預(yù)制件被真空壓縮的程度，以制備相同厚度的復(fù)合材料測試板，便于力學(xué)測試樣條尺寸的設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，三向正交、淺交直聯(lián)和淺交彎聯(lián)3種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料纖維體積含量分別為44.9%，44.4%和46.7%，在實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)為已達(dá)到近似纖維體積含量。

2 測試結(jié)果分析

2.1應(yīng)力與應(yīng)變曲線分析

圖2 3種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同方向上的三點(diǎn)彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Three points stress-strain curves of different woven structures.(a) Warp direction; (b) Weft direction; (c) Z-warp direction; (d) Z-weft direction

根據(jù)1.2測試方法，對3種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)行了經(jīng)向、緯向、Z經(jīng)和Z緯4個(gè)不同方向的三點(diǎn)彎曲測試。每種結(jié)構(gòu)每個(gè)方向測試5個(gè)樣條。圖2示出3種結(jié)構(gòu)不同方向?qū)?yīng)的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變曲線。

結(jié)合圖2與測試過程分析可知，3種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)織復(fù)合材料彎曲加載變化近乎一致。在測試開始階段，樣條承受彎曲載荷作用而發(fā)生近似線性關(guān)系的彈性形變；隨著彎曲載荷的繼續(xù)增加，樣條承受應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)樣條表面樹脂堆積擠壓成白色粉狀，壓頭對應(yīng)位置出現(xiàn)裂痕，發(fā)出纖維脆斷聲，應(yīng)力與應(yīng)變曲線達(dá)到頂點(diǎn)，對應(yīng)大小即為樣條彎曲強(qiáng)度；隨著樹脂的開裂及纖維的脆斷，彎曲應(yīng)力與應(yīng)變曲線呈階梯狀逐漸下降，尤其是角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；最后，隨著應(yīng)力破環(huán)量的積累，樣條徹底失效。

上述失效模式與馮古雨等[5]提到的應(yīng)力急劇下降略有不同，這與樹脂韌性以及織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的屈曲累積有一定關(guān)系。由于織物較厚，在織造以及樹脂灌注過程中會發(fā)生經(jīng)緯紗線之間以及真空袋對織物不同程度的擠壓，從而導(dǎo)致織物以及對應(yīng)復(fù)合材料內(nèi)部紗線發(fā)生一定程度的屈曲。而這種屈曲在表層纖維發(fā)生脆斷后，直接影響彎曲夾具對樣條壓力的傳遞，因此發(fā)生不同程度的脆斷，在應(yīng)力與變應(yīng)曲線上表示為階梯狀下降。

2.2彎曲強(qiáng)度對比分析

圖4 復(fù)合材料截面分析(×5)Fig.4 Cross-section analysis of samples(×5). (a) 3-D Orthogonal structure in warp direction; (b) 3-D Orthogonal structure in weft direction; (c) Shallow-Straight-Joint structure in warp direction; (d) Shallow-straight-Joint structure in weft direction; (e) Shallow-Bend-Joint structure in warp direction; (f) Shallow-Bend-Joint structrure in weft direction

圖3示出復(fù)合材料彎曲性能測試結(jié)果。根據(jù)面內(nèi)經(jīng)緯向彎曲強(qiáng)度對比分析可知：三向正交結(jié)構(gòu)由于經(jīng)密遠(yuǎn)大于緯密，經(jīng)向纖維體積含量大于緯向，從而經(jīng)向彎曲強(qiáng)度明顯高于緯向；對于淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)而言，雖然經(jīng)密是緯密的2.7倍左右，但是經(jīng)紗存在一定屈曲和損傷，導(dǎo)致經(jīng)向性能顯著下降，使其經(jīng)緯向彎曲強(qiáng)度基本相近，并無太大差異(采用雙尾雙樣本異方差t檢驗(yàn)，t=0.52，遠(yuǎn)大于顯著水平0.05，即2個(gè)樣本總體均值無顯著差異)；在淺交彎聯(lián)中，經(jīng)紗彎曲程度和摩擦損傷最為嚴(yán)重，導(dǎo)致其經(jīng)向彎曲性能最差，甚至低于緯向彎曲性能。

圖3 不同三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料彎曲性能Fig.3 Bending properties of different 3-D woven composites.(a) Warp and weft direction; (b) Z-warp and Z-weft direction

對厚度截面上的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行對比分析可知：三向正交結(jié)構(gòu)內(nèi)部紗線近似直線分布，但是Z紗由于受到真空袋擠壓而發(fā)生傾斜，見圖3(a)，其厚度截面內(nèi)的彎曲比經(jīng)緯面內(nèi)彎曲強(qiáng)度有所降低，但Z經(jīng)和Z緯對比趨勢與面內(nèi)經(jīng)緯向保持一致，Z經(jīng)彎曲強(qiáng)度依舊遠(yuǎn)大于Z緯；而淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗的屈曲對厚度截面內(nèi)Z經(jīng)彎曲強(qiáng)度的影響比對面內(nèi)經(jīng)向彎曲強(qiáng)度的影響要小，Z經(jīng)彎曲強(qiáng)度大于Z緯，甚至大于經(jīng)向彎曲強(qiáng)度，這也表明材料在厚度截面上抵抗外來載荷破壞的能力比面內(nèi)經(jīng)緯向的抗破壞能力更強(qiáng)；淺交彎聯(lián)也屬于角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，Z經(jīng)彎曲強(qiáng)度也比面內(nèi)經(jīng)向彎曲強(qiáng)度大，這一點(diǎn)與淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)類似，厚度截面內(nèi)的Z經(jīng)Z緯的累積彎曲強(qiáng)度也比面內(nèi)經(jīng)緯向的大。

對比不同結(jié)構(gòu)相同方向的性能可知：三向正交結(jié)構(gòu)經(jīng)向性能具有顯著的優(yōu)勢，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)向性能次之，淺交彎聯(lián)經(jīng)向性能最差；而緯向性能則是淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)最好；就整體結(jié)構(gòu)性能而言,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)織物可織性最好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整度最高，各方向上的彎曲性能最為均衡。

圖4示出3種不同機(jī)織結(jié)構(gòu)試樣的橫截面照片。由圖可見，3種結(jié)構(gòu)緯紗屈曲基本一致，但由于各自結(jié)構(gòu)不同，織物內(nèi)部經(jīng)紗強(qiáng)度利用率不同。

1個(gè)組織循環(huán)內(nèi)，三向正交結(jié)構(gòu)中經(jīng)紗近似水平排列，不與緯紗產(chǎn)生交織，從而使其經(jīng)紗屈曲程度近似為0，經(jīng)紗強(qiáng)度得到最大程度的利用；而淺交彎聯(lián)、淺交直聯(lián)由于各自橫跨緯紗數(shù)目不一樣，不同的經(jīng)紗屈曲程度導(dǎo)致紗線強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的損耗，淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的損耗尤為嚴(yán)重。同時(shí)，采用單劍桿織機(jī)織造，打緯過程中每插入1根緯紗即打緯1次，導(dǎo)致原本屬于同一垂直面上的緯紗或多或少地會產(chǎn)生一定程度上的遞進(jìn)，使原本應(yīng)在同一垂直面上的經(jīng)紗發(fā)生傾斜，加大了紗線性能的耗損。

2.3斷面形態(tài)觀察

圖5～8示出3種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在不同方向上的三點(diǎn)彎曲測試破壞失效樣條圖。樣條失效段部分都存在一定量的纖維斷裂抽拔，尤其經(jīng)向和Z經(jīng)方向上的彎曲測試失效樣條，存在大量的樹脂-纖維界面剝離；緯向和Z緯方向上的彎曲測試樣條失效段破壞明顯，材料直接被壓斷，有明顯的斷痕，這與呈伸直狀態(tài)分布的緯紗走向及較小的緯密(三向正交為2.0根/cm、淺交彎聯(lián)為3.3根/cm，淺交直聯(lián)為3.4根/cm)有直接的關(guān)系。這是由于緯密較小，樣條受到加載壓頭的壓力作用時(shí)，相鄰緯紗中間的樹脂塊集中受力，樣條直接被壓斷，少量的橫向緯紗纖維被直接壓斷，樣條呈明顯脆裂模式斷開。

圖5 三點(diǎn)彎曲性能經(jīng)向測試樣條斷面圖Fig.5 Fracture section of warp-directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖6 三點(diǎn)彎曲性能緯向測試樣條斷面圖Fig.6 Fracture section of weft-directional test samples.(a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖7 三點(diǎn)彎曲性能Z經(jīng)方向測試樣條斷面圖Fig.7 Fracture section of Z-warp directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖8 三點(diǎn)彎曲性能Z緯方向測試樣條斷面圖Fig.8 Fracture section of Z-weft directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

3 結(jié) 論

1)在經(jīng)密相同，緯密、纖維體積含量近似一致的條件下，三向正交結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部纖維束近似平直，碳纖束自身性能得到最大利用，對應(yīng)復(fù)合材料經(jīng)(Z經(jīng))向彎曲強(qiáng)度最好，但是其經(jīng)(Z經(jīng))、緯(Z緯)向彎曲性能差異也最大。

2)同等條件下，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)緯向彎曲性能差異最小，而且彎曲強(qiáng)度明顯高于淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3)角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)由于經(jīng)紗的屈曲使其經(jīng)向性能產(chǎn)生一定程度的損耗，導(dǎo)致經(jīng)緯密度相差近3倍的條件下，對應(yīng)復(fù)合材料經(jīng)緯彎曲強(qiáng)度差異得以縮小；但這種屈曲傾斜對經(jīng)緯向所引起的損耗值大小仍需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)提供更為確切的參考。

FZXB

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Bendingpropertiescomparisonofthick-sectioncarbonfibercompositesbasedondifferentthree-dimensionalwovenstructures

GAO Xiong1,2, HU Qiaole2, MA Yanxue1,2, ZHANG Qi2, WEI Yi3, QIU Yiping1,2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CenterforCivilAviationComposites,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional (3-D) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion (VARI) technology. The bending properties in three directions ofXYZwere tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows: 3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength inZ-warp direction andZ-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.

carbon fiber; three-dimensional woven composite; bending performance; thick-section; angle-interlock; three-directional orthogonal structure

TB 332

：A

10.13475/j.fzxb.20161106006

2016-11-29

：2017-03-02

上海市浦江人才計(jì)劃(2015PJC0002)

高雄(1992—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)槿S機(jī)織復(fù)合材料制備及結(jié)構(gòu)性能表征。馬顏雪，通信作者，E-mail: yxma@dhu.edu.cn。