雙軸向與四軸向經編復合材料彎曲性能對比實驗研究

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(內蒙古工業大學輕工與紡織學院，呼和浩特 010080)

材料是社會建設的基礎，隨著社會的不斷發展，傳統材料已無法滿足人們的需求。復合材料作為一種新型材料，近幾十年得到了人們的廣泛關注，并且發展十分迅速，尤其在航空航天、軍工產品及風機葉片等高技術領域，復合材料以其質輕、高強的優異性能，逐漸取代傳統材料[1-4]。目前，多軸向經編復合材料應用最為廣泛，其除了具有質量輕、強度高、耐高溫及耐疲勞等優良性能外，其突出的可設計性，使其能夠適用于多領域的產品要求。多軸向經編復合材料的可設計性主要體現在增強體織物結構的變化，按其結構可分為單軸向、雙軸向和多軸向三類，其工業產品纖維鋪放方向主要集中在0°、90°及±45°四個方向。根據對產品性能的要求，可對其纖維鋪放方向、紗線種類及纖維層數等進行選擇，同時，為達到產品厚度要求，采用鋪層結構，從而可對增強體和復合材料整體性能進行優化設計。同時，對于多軸向經編復合材料力學性能的研究主要集中在靜態分析[5-6]、動態分析[7-9]及制造的產品[10-11]力學性能分析。

本文基于真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝，選用雙軸向經編(BWK)和四軸向經編(《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》QWK)玻璃纖維織物為增強體，環氧樹脂為基體成型板材試樣。參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》標準測試并分析兩種結構復合材料沿0°和90°方向彎曲失效試樣形貌，分析彎曲失效機理，對比彎曲應力-撓度曲線及力學性能。

1 實 驗

1.1 實驗材料

分別選用0°/90°BWK和0°/+45°/90°/-45°QWK玻璃纖維織物為增強體，織物圖和相關參數分別如圖1和表1所示，基體選用E-2511-1A環氧樹脂和2511-1BT固化劑質量配比100∶30的混合膠液。

圖1 BWK和QWK織物圖

增強體種類紗線方向材料線密度/tex密度/(根·(10cm)-1)平方米質量/(g·m-2)0°/90°BWK0°E玻纖24002790°E玻纖150022編織紗滌綸83-12000°/+45°/90°/-45°QWK0°E玻纖60025+45°E玻纖3005390°E玻纖30022-45°E玻纖30053編織紗滌綸83-800

1.2 試樣制備

BWK和QWK織物鋪層均為同向4層，基于VARTM工藝與環氧樹脂復合成型。兩種復合材料彎曲試樣參照GB/T 1449—2005標準，分別沿0°和90°方向切割制備，試樣尺寸為長(100 mm)×寬(15 mm)。參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》標準，采用燒失法測定BWK和QWK復合材料纖維體積分數分別為51.21%和50.87%。

1.3 彎曲實驗

基于三點彎曲加載形式，參照GB/T 1449—2005標準，在WDW-30KN電子萬能試驗機上測試BWK和QWK復合材料分別沿0°和90°的彎曲力學性能。彎曲實驗跨距∶試樣厚度=16∶1，兩種復合材料彎曲實驗跨距見表2，圓柱形上壓頭和支座圓柱體半徑均為5 mm，設定上壓頭移動速率為2 mm/min。試樣三點彎曲加載形式示意圖如圖2所示。

表2 兩種復合材料彎曲實驗跨距

圖2 試樣三點彎曲加載形式示意

2 結果與分析

2.1 試樣彎曲失效

圖3為BWK和QWK復合材料試樣彎曲失效照片。由圖3可知，彎曲試樣上表面和下表面均出現明顯損傷，且損傷主要集中在上壓頭加載區，彎曲試樣上表面損傷均高于下表面。BWK復合材料沿0°方向彎曲試樣上表面紗線脫粘、分層，下表面出現脫粘和較大面積的白色分層區域，并有輕微紗線斷裂；沿90°方向彎曲試樣上表面紗線斷裂嚴重，伴隨著紗線脫粘和分層，下表面有大面積的紗線脫粘和分層區域。分析BWK復合材料彎曲試樣可知，BWK復合材料增強體上表層和下表層紗線方向分別為90°和0°，與上壓頭圓柱體長度方向相同時，易出現紗線間嚴重脫粘，原因在于承載部件主要為紗線間樹脂基體；與上壓頭圓柱體長度方向垂直時，易出現紗線斷裂，原因在于主要的承載部件為增強體紗線，上下表面均出現分層現象，但下表面分層區域大于上表面，這與彎曲過程中下表面受到載荷時產生的位移高于上表面密切相關。QWK復合材料沿0°方向彎曲試樣上表面紗線斷裂、脫粘，并有嚴重分層，表層紗線部分翹起，下表面紗線脫粘；沿90°方向彎曲試樣上表面紗線脫粘嚴重，伴隨分層現象，下表面-45°方向紗線分層嚴重，部分翹起，同時可清晰看到臨近內層紗線斷裂。分析QWK復合材料彎曲試樣可知，QWK復合材料增強體上表層和下表層紗線方向分別為0°和45°，與上壓頭圓柱體長度方向相同和垂直時，QWK復合材料與BWK復合材料彎曲試樣相似，與上壓頭圓柱體長度方向呈45°或-45°時，表層沿紗線方向有部分翹起分層，且臨近內層紗線方向與上壓頭圓柱體長度方向垂直時，存在紗線斷裂現象，同時，表層紗線分層較為嚴重。

a，b為BWK復合材料；c，d為QWK復合材料圖3 兩種試樣彎曲失效照片

對比BWK和QWK復合材料彎曲試樣可知，QWK復合材料彎曲試樣紗線損傷和分層失效現象較BWK復合材料嚴重，主要原因在于QWK復合材料增強體內總體紗線層數較BWK復合材料多，同時，存在45°和-45°紗線層，彎曲過程中導致試樣內出現面內剪切應力，進一步增加紗線層間不穩定，分層失效現象較嚴重。

2.2 彎曲失效機理

兩種復合材料彎曲過程中應力-撓度曲線如圖4所示。應力-撓度曲線主要分為兩個部分，開始階段，試樣開始加載，曲線近似線性增長，應力增加接近彎曲最大應力前，曲線出現輕微傾斜，斜率變小；后期隨著撓度的增加，試樣出現明顯損傷，應力階段性下降，同時，BWK復合材料應力下降后出現應力恢復趨勢，但QWK復合材料應力未出現明顯恢復，應力逐漸降低直至試樣彎曲失效。

圖4 兩種復合材料彎曲應力-撓度曲線

三點彎曲實驗過程中，試樣下表面兩個支座起支撐作用，上壓頭按設定速率逐漸向下移動加載，試樣上表面受到壓縮，下表面受到拉伸。開始階段主要由增強體和基體承擔載荷，隨著應力和撓度的增加，基體出現損傷，同時，與增強體界面出現脫粘現象，隨著載荷的進一步增加，增強體承擔主要載荷；彎曲實驗后期，試樣增強體遭到破壞，由于增強體紗線為多層，最先發生失效的主要是上表面和下表面，外層紗線失效后，由臨近內層紗線承擔主要載荷，直至試樣失效。兩種復合材料彎曲前期相似，但后期QWK復合材料應力未出現恢復，這與QWK復合材料內存在45°和-45°紗線層密切相關，當載荷主要由45°或-45°紗線層承擔時，紗線層內存在面內剪切，該層承擔應力值較小，導致在應力-撓度曲線上未發生明顯應力恢復現象。

2.3 彎曲性能對比

兩種試樣彎曲當量強度和彎曲當量模量均統一到纖維體積分數為45%。彎曲當量模量計算：

Enormal(45%)=E×45%/Vf

式中：Enormal為當量模量；E為彈性模量；Vf為纖維體積分數；同理計算彎曲當量強度。

對比兩種復合材料試樣彎曲性能，彎曲性能見表3。兩種復合材料試樣0°方向彎曲強度、當量強度、彎曲模量和當量模量均高于90°方向，主要原因是試樣0°方向紗線線密度均高于90°方向。同時，BWK復合材料0°方向四種力學性能均最大，主要是因為兩種復合材料測在試方向紗線層數相同、織造密度相近，但其線密度(2 400 tex)最大，對試樣該方向彎曲性能貢獻較多；QWK復合材料0°方向當量強度高于BWK復合材料90°方向，但當量模量卻比其低，主要原因在于QWK復合材料增強體內存在多層45°和-45°紗線，但在彎曲過程中，主要發生面內剪切，所以在一定程度上提高了彎曲強度，但未對彎曲模量有所提高。

表3 兩種復合材料彎曲性能參數

3 結 論

a)彎曲損傷主要集中在上壓頭加載區，且上表面損傷均高于下表面，上下表面彎曲損傷形式主要有紗線脫粘、分層及斷裂，表層紗線與上壓頭圓柱體長度方向垂直時，易出現紗線斷裂現象，同時，QWK復合材料彎曲試樣紗線損傷和分層失效現象較BWK復合材料嚴重。

b)隨著上壓頭的移動，試樣受到的應力呈現先增加后減小的趨勢，兩種復合材料前期趨勢相似，后期QWK復合材料應力下降后未出現應力恢復趨勢，原因在于其增強體內存在45°和-45°紗線層，該紗線層承載時出現面內剪切現象，該層承擔應力值較小，進而未發生明顯應力恢復現象。

c)增大復合材料增強體內0°或90°紗線線密度有助于提高該方向復合材料的彎曲強度和彎曲模量，同時，存在45°或-45°紗線層時，可在一定程度上提高復合材料的彎曲強度。

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