碳/芳綸混編三維編織復合材料拉伸性能

孫 穎， 劉俊嶺， 鄭園園， 陳 利， 李嘉祿(1.天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2.天津工業大學 先進紡織復合材料重點實驗室， 天津 300387)

碳纖維三維編織復合材料的整體纖維空間網狀增強結構顯著提高了復合材料的力學性能，克服了層合復合材料易分層、厚度方向強度低、損傷擴展快等缺點[1]，逐漸應用于航空航天、火箭推進、建筑、交通運輸等領域[2]。碳纖維增強樹脂基復合材料斷裂方式大都表現為脆性斷裂，改善其脆性的方法有2種：1)樹脂基體增韌。有研究表明樹脂韌性提高25倍，其復合材料斷裂韌性僅提高8倍，同時這種增韌手段降低了復合材料的某些力學性能，且污染環境[3]；2)纖維混雜。利用高伸長率纖維與碳纖維混雜，可提高碳纖維復合材料的韌性，使混雜復合材料在強度、模量滿足使用要求的同時，又能提高碳纖維復合材料的斷裂韌性[4-5]。

諸多學者分析了混雜方式和混雜比對三維編織復合材料力學性能的影響：張宗強等[6]通過將碳纖維、芳綸纖維交替混編制備混編三維織物增強錦綸復合材料，并對其沖擊強度、剪切強度、彎曲強度和模量進行了測試，分析了彎曲性能的混雜效應。結果表明，在纖維總體積不變的情況下，彎曲強度和彎曲模量提高，且在碳纖維體積含量為18%時達到最大值；Kostar等[7]研究了碳纖維與芳綸纖維混雜比為1∶1、混雜方式為雙側混編的三維四向編織復合材料的拉伸性能，認為混編復合材料的拉伸強度和模量比芳綸纖維三維編織復合材料高，而失效應變比芳綸纖維三維編織復合材料低；方丹丹等[8]研究了以玻璃纖維為編織紗，碳纖維為軸紗和碳/玻璃纖維按一定規律交替排列作為軸紗的玻璃/碳纖維混編復合材料的沖擊和沖擊后彎曲性能，并與玻璃纖維編織復合材料作了對比，認為當軸紗排列為碳纖維/玻璃纖維/碳纖維時，混編復合材料的抗沖擊性能最好。纖維混雜方式主要包括束內混雜和束間混雜2種；束內混雜工序對纖維造成二次損傷，束內混雜不均勻，混雜后紗線內部張力不勻造成預制件織造困難，易引起結構不均勻；而束間混雜則會在一定程度上避免以上情況發生。

數字圖像相關(DIC)技術擁有非接觸的全場光學應變測量系統[9]，能夠準確有效地在線記錄試樣在實驗過程中表面的變形情況和損傷發展過程，近年來已有很多學者將其用在了復合材料的性能測試中[10-11]。本文借助DIC技術表征了碳/芳綸纖維分別為編織紗和軸紗的三維五向、三維六向編織復合材料的縱向拉伸性能，計算得到泊松比；通過相近纖維體積含量下碳纖維編織復合材料的表面應變對比分析，得出混雜方式和編織結構對碳/芳綸編織復合材料拉伸性能影響及其斷裂模式。

1 實驗部分

1.1 試樣準備

碳纖維(T700-12 K，日本東麗公司)、芳綸纖維(K49，美國杜邦公司)，線密度為1 580 dtex×4。預制件在天津工業大學復合材料研究所自研編織機上完成，結構為三維五向、三維六向編織結構，如圖1所示。其中：“○”為編織紗掛紗點；“□”為軸紗掛紗點；“—”為襯入的六向紗。預制件表面局部形貌如圖2所示(橫向為x方向，縱向為y方向)。試樣命名方式為編織結構、混編方式，其中：3D5d和3D6d分別表示三維五向和三維六向編織結構；CA表示碳纖維為編織紗、芳綸纖維為軸紗/六向紗的混編方式；AC、CC同理。

圖1 紗線排列方式Fig.1 Arrangements of yarns

圖2 預制件表面局部形貌照片Fig.2 Local morphologies photo of preforms

采用樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Moulding, RTM)成型工藝對預制件進行復合固化，基體選用天津晶東化學復合材料有限公司的TDE 86#環氧樹脂。稱量法計算纖維體積含量[12]，材料參數如表1所示。

1.2 單軸拉伸實驗

參考GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，為使DIC能夠有效采集測試時試樣表面圖像信息，需將試樣表面用黑、白漆制成灰斑，制斑前后的試樣如圖3所示，其中橫向為y方向，縱向為x方向。

表1 三維編織復合材料結構參數Tab. 1 Micro structure parameters of 3-D braided composite

圖3 制斑前后試樣Fig.3 Non-speckled (a) and speckled (d) samples

拉伸實驗在島津AG-250KNE萬能材料實驗機上完成，十字頭速率為2.0 mm/min，采用ARAMIS 5 M (GOM 3D LTD, Germany) 三維應變光學測量系統采集試樣在拉伸過程中的圖像信息，如圖4所示。

圖像采集頻率為1 Hz，使用軟件ARAMIS v6.3進行圖像相關分析得到試樣表面的全場應變。利用ZQ-800型切割機(上海光相制樣設備有限公司)對殘樣進行縱向切割，三維顯微鏡(Leica，×35.5)，數字顯微鏡(VH-Z500R，×500)進行斷面觀察。

2 結果及分析

各組典型試樣的應力-應變曲線如圖5所示，曲線初始階段近似線性。相同編織結構，碳纖維為軸紗的試樣失效應力和曲線斜率大于芳綸纖維為軸紗試樣；相同混雜模式下，六向紗的引入使得3D6d編織復合材料中軸紗發生一定程度的屈曲，3D6d編織復合材料的曲線斜率低于3D5d。

圖5 應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves

各組試樣拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率和泊松比均值及偏差如表2所示。預制件在編制過程中，打緊動作以及紗線間相互摩擦會對紗線造成一定程度的損傷，由于芳綸纖維柔韌性好，受損傷較小，軸紗縱向取向度高，因此軸紗有效利用率高于編織紗。3D6d-CC中六向紗的引入使得編織紗和軸紗的損傷更為嚴重，因此其拉伸強度最低；3D5d-CA和3D6d-CA較3D5d-CC和3D6d-CC軸紗斷裂伸長率高，在編織紗受損程度相近時，其斷裂伸長率得到了顯著提高；3D5d-AC和3D6d-AC較3D5d-CC和3D6d-CC編織紗損傷降低且斷裂伸長率提高，在碳纖維仍為軸紗時，其拉伸強度和模量與3D5d-CC和3D6d-CC相近，而斷裂伸長率有了一定程度的提高。

相同混雜模式下，3D6d編織復合材料中六向紗的引入使得編織紗屈曲程度加大，且交織點處應變不協調導致交織點處應力集中，減弱了3D6d復合材料的拉伸強度和模量，同時六向紗的存在阻礙了復合材料的橫向變形。

表2 各組試樣縱向拉伸性能Tab. 2 Longitudinal tensile properties of samples in each group

各組典型試樣的橫、縱向應變曲線如圖6所示，各試樣泊松比在實驗過程中變化不大，3D5d、3D6d編織復合材料在拉伸過程中變形協調。3D5d編織復合材料泊松比遠高于 3D6d，六向紗的引入使得3D6d編織復合材料的橫向變形受到限制；而混雜方式對材料的泊松比影響較小。

各組典型試樣拉伸破壞的微觀斷口(橫向為y方向，縱向為z方向)如圖7所示。芳綸纖維的加入改善了碳纖維三維編織復合材料脆性斷裂特征。相同編織結構，3D5d-CC和3D6d-CC的斷口較為整齊，斷口處碳纖維呈現脆性斷裂特征，而3D5d-CA、3D5d-AC、3D6d-CA和3D6d-AC的斷口呈現韌性斷裂特征，芳綸纖維抽拔黏連及原纖化現象嚴重。六向紗的加入則使得復合材料出現了沿寬度方向的應力集中和纖維/基體界面，相同混雜模式下，三維五向編織復合材料的斷口呈現鋸齒狀，而三維六向編織復合材料的斷口較為平齊。

圖6 橫縱向應變曲線Fig.6 Transverse-longitudinal strain curves

各組典型試樣的時間-縱向應變曲線及全場縱向應變云圖如圖8所示。云圖反映試樣工作段100 mm×25 mm(長×寬)區域的表面應變信息，取樣間隔100 s直至試樣斷裂。3D5d-CC、3D5d-CA、3D6d-CC和3D6d-CA的編織紗為碳纖維，在測試時此種試樣變形較小，呈脆性斷裂，如圖7(a)～(e)；芳綸韌性較好，3D5d-AC和3D6d-AC在測試時試樣呈韌性斷裂，纖維有黏連如圖7(c)、(f)。

圖7 縱向拉伸破壞微觀形貌Fig.7 Local morphologies of longitudinal tensile fracture

從縱向應變云圖得出，試樣的應變呈現宏觀均勻性，細觀周期性。三維五向編織復合材料的表面高應變區沿表層編織紗交織點均勻分布，三維六向編織復合材料的表面高應變區則是整體上沿六向紗分布。三維五向編織復合材料在承受拉伸載荷過程中，編織紗取向有一定程度的調整，易在交織點處形成應力集中，由于三維六向紗的引入在一定程度上限制了三維六向編織復合材料中編織紗取向調整，因此在三維六向紗處出現了明顯的應力集中狀態。

3 結 論

圖8 試樣縱向應變-時間曲線和表面全場應變云圖Fig.8 Longitudinal strain-time curves and surface full-field strain contours of samples

1)相同編織結構，碳纖維為軸紗、芳綸纖維為編織紗的三維五向、六向編織復合材料在不損失拉伸強度和模量的情況下提高了復合材料的斷裂伸長率；芳綸纖維為軸紗、碳纖維為編織紗的三維五向、六向編織復合材料雖然顯著提高復合材料的斷裂伸長率，但其拉伸強度和模量損失較為明顯。相同混雜模式下，三維五向編織復合材料的拉伸強度和拉伸模量較三維六向高。

2)試樣的應變呈現宏觀均勻性，細觀周期性。三維五向編織復合材料的表面高應變區沿表層編織紗交織點均勻分布，三維六向編織復合材料的表面高應變區則是整體上沿六向紗分布。

3)泊松比受編織結構影響較大，受混編方式影響較小。各試樣的泊松比在拉伸過程中基本保持不變，說明了試樣在拉伸過程中變形協調性較好。

FZXB

[1] 李嘉祿, 魏麗梅, 楊紅娜. 碳纖維三維編織復合材料的結構對拉伸和彎曲性能的影響[J]. 材料工程, 2004(12):3-7.

LI Jialu, WEI Limei, YANG Hongna. Influence of Structures of darbon fiber three dimensional braiding composites on their tensile and bending properties[J]. Journal of Materials Engineering, 2004(12):3-7.

[2] BILISIK K. Three-dimensional braiding for composites: a review[J]. Textile Research Journal, 2013,83(13):1414-1436.

[3] CHEN S F, JANG B Z. Fracture behavior of interleaved fiber-resin composites[J]. Composites Science and Technology, 1991,41(1):77-97.

[4] SWOLFS Y, GORBATIKH L, VERPOEST I. Fibre hybridisation in polymer composites: a review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014,67:181-200.

[5] 曾金芳, 喬生儒, 丘哲明,等. F-12/CF混雜復合材料縱向拉伸性能研究[J]. 固體火箭技術. 2004,27(1):60-63.

ZENG Jinfang, QIAO Shengru, QIU Zheming, et al. Study on longitudinal tensile properties of F-12/CF hybrid composites[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2004,27(1):60-63.

[6] 張宗強, 王玉林, 萬怡灶,等. 三維混雜碳纖維/芳綸纖維增強尼龍復合材料力學性能研究[J]. 宇航材料工藝, 2004(1):38-41,6.

ZHANG Zongqiang, WANG Yulin, WAN Yizao, et al. Study on mechanical properties of 3D-braided carbon fiber/kevlar fiber hybrid composites[J].Aerospace Materials & Technology, 2004(1):38-41,6.

[7] KOSTAR T D, CHOU T W, POPPER P. Characterization and comparative study of three-dimensional braided hybrid composites[J]. Journal of Materials Science, 2000,35(9):2175-2183.

[8] 方丹丹, 閻建華. 三維五向編織玻纖/碳纖環氧樹脂混雜復合材料沖擊性能和沖擊后彎曲性能研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2014(7):57-61.

FANG Dandan，YAN Jianhua. Investigation on impact and post-impact flexural property of 3D five-direction braided carbon/glass hybrid epoxy composites[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2014(7):57-61.

[9] ZHANG D, ANTHONY M W, YEN C. Progressive damage and failure response of hybrid 3D textile composites subjected to flexural loading, part I: experimental studies[J]. International Journal of Solids and Structures, 2015, 75/76:309-320.

[10] 郝文峰, 郭廣平, 陳新文, 等. 基于數字圖像相關方法的復合材料層間剪切性能研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2016(1):29-32.

HAO Wenfeng, GUO Guangping, CHEN Xinwen, et al. Characterization of interlaminate shear properties for composite materials using digital image correlation[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2016(1):29-32.

[11] 呂雙祺，石多奇，楊曉光，等．采用數字圖像相關方法的莫來石纖維增強氣凝膠復合材料力學試驗[J]. 復合材料學報, 2015,32(5):1428-1435.

Lü Shuangqi, SHI Duoqi, YANG Xiaoguang, et al. Mechanical test of mullite fiber resin forced aerogel composites using digital image correlation method[J]. Acta Materiae Composites Sinica, 2015,32(5):1428-1435.

[12] 楊彩云, 李嘉祿. 三維機織復合材料纖維體積含量計算方法[J]. 固體火箭技術, 2005,28(3):224-227.

YANG Caiyun, LI Jialu. Calculation methods of 3-D woven composites fiber volume fraction[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2005,28(3):224-227.