四軸向經編增強復合材料力學性能研究*

內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特, 010080

隨著人們對工程材料“質輕高強”的需求越來越迫切，多軸向經編增強復合材料以其高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞及耐沖擊等優良性能，得到了人們的廣泛認可，尤其是在風力發電、車船制造、航空航天、運動器材及醫療器械等領域[1-3]。目前，多軸向經編增強復合材料在風機葉片制造領域應用較為廣泛，這與其優異的力學性能和可設計性密不可分。風機葉片的葉尖到葉根所需的材料厚度、截面形狀，以及風機葉片扭轉等特征參數，會隨著距葉根的距離變化而發生變化，而采用鋪層結構的多軸向經編增強復合材料可在保證風機葉片力學性能的同時，大大提高風機葉片制造的靈活性和生產效率，顯著降低生產難度[4-6]。

目前，單軸向和雙軸向經編復合材料由于應用較廣，其相關性能研究較多，而對于多軸向經編復合材料的研究相對較少。張濤濤等[7]基于三點彎曲和層間剪切試驗研究了單軸向經編復合材料的力學性能，并利用有限元模型進行模擬分析其層間裂紋擴展和面內損傷；金利民等[8]基于雙軸向經編針織復合材料的彈道沖擊試驗，研究了破壞模式與機理；SUN等[9]基于準靜態和高速率應變兩種情況下多軸向經編增強復合材料的壓縮試驗，研究了應變速率對壓縮性能的影響；萬光鑒等[10]基于雙軸向經編復合材料橫向準靜態加載和動態沖擊下的力學試驗，對材料的破壞模式和能量變化進行了分析。

本文以四軸向經編織物(Quadriaxial Warp-Knitted Fabric，簡稱“QWKF”)為增強體，通過真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡稱“VARTM”)工藝注入基體環氧樹脂，制備玻璃纖維四軸向經編織物/環氧樹脂復合材料(簡稱“四軸向經編增強復合材料”)。分別沿0°、±45°和90°四個方向制備拉伸和彎曲試樣，進行相應的力學性能測試，分析試樣破壞形貌，繪制相應的力學性能曲線，計算力學性能參數，研究其破壞機理。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

增強體選用QWKF，由0°、±45°和90°方向的紗線層及捆綁紗組成，主體紗線均為無捻E型玻璃纖維。QWKF的織物參數分別見圖1和表1?；w選用風機葉片專用環氧樹脂(E-2511-1A)和固化劑(2511-1BT)，兩者質量配比為100 ∶30。

(a) 正面

(b) 反面

(c) 方向示意

紗線材料線密度/tex密度/[根·(10cm)-1]分層的面密度/(g·m-2)0°方向E型玻璃纖維6002523645°方向E型玻璃纖維3005320090°方向E型玻璃纖維30022201-45°方向E型玻璃纖維30053200捆綁紗滌綸 83——

1.2 試樣成型與制備

基于QWKF增強體及VARTM工藝，制備四軸向經編增強復合材料，并參照ASTM D3039/3039M-2014和ASTM D7264/D7264M-2015標準，沿0°、 ±45°和90°方向分別制備拉伸和彎曲試樣。拉伸試樣尺寸為250 mm(長)×25 mm(寬)，并在兩端固定50 mm(長)×25 mm(寬)的加強片，防止夾頭破壞試樣；彎曲試樣尺寸為120 mm(長)×13 mm(寬)。

1.3 試樣測試

在WDW-100KN微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸性能測試，夾頭移動速率為2.0 mm/min；基于三點彎曲加載，選定測試跨距 ∶試樣厚度=32 ∶1，在WDW-30KN電子萬能試驗機上進行彎曲性能測試，上壓頭移動速率為1.0 mm/min。分別記錄拉伸和彎曲性能測試過程中試樣所受載荷和位移。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 拉伸斷裂

圖2為四軸向經編增強復合材料試樣拉伸斷口形貌。

(a) 0°方向

(b) 45°方向

(c) 90°方向

(d) -45°方向

由圖2可知，沿四種方向(0°、 45°、90°及-45°)拉伸的試樣的斷口都相似，均呈“炸裂”形式。只是試樣表層出現了不同的斷裂形式，紗線出現部分斷裂及沿不同方向發生脫黏和抽拔，這與QWKF內紗線層角度和成型過程中鋪層形式密切相關。同時，由于拉伸過程中均有與加載方向相同、垂直、呈45°和-45°的紗線層，故而導致四種試樣的拉伸斷口截面內均存在拉伸斷裂、脫黏及抽拔的紗線，且以“炸裂”區域內最為嚴重，環氧樹脂脫落明顯，部分紗線裸露出來，且排列雜亂無章，并伴有嚴重的分層。究其原因主要為不同紗線層失效形式不同：當加載方向與紗線層相同時，紗線層主要以拉伸斷裂的形式失效；當加載方向與紗線層呈±45°時，紗線層內存在面內剪切，主要以紗線脫黏、抽拔及分層的形式失效；當加載方向與紗線層垂直時，受力部件主要為環氧樹脂和含量較少的捆綁紗，此時主要以環氧樹脂斷裂和纖維/環氧樹脂界面發生脫黏的形式失效。

2.1.2 拉伸性能分析

整理試驗數據得到四種拉伸方向下四軸向經編增強復合材料試樣的拉伸應力-應變曲線(圖3)。

圖3 四種拉伸方向下四軸向經編增強復合材料試樣拉伸應力-應變曲線

由圖3可知，四種拉伸方向下，試樣斷裂前均呈近似線性變化，且曲線趨勢相似。結合測試過程中對試樣的觀察發現：拉伸開始階段，四條曲線均不平滑，有輕微彎曲，此時基體為承載主要部件；隨著夾頭的移動，試樣受到的累積拉伸強力不斷增加，環氧樹脂出現斷裂并伴有清脆的開裂聲，同時部分纖維與環氧樹脂間出現界面失效，產生抽拔和脫黏現象；隨后，承載的應力在基體和增強體間重新分配，QWKF成為主要承載部件；接著，載荷繼續積累，QWKF受到的拉伸應力和面內剪切應力不斷增大，內部紗線發生斷裂，且當破壞積累到一定程度時，試樣即發生斷裂。

表2歸納了四軸向經編增強復合材料試樣的拉伸性能。由表2可知，0°方向的拉伸斷裂強力、拉伸斷裂強度及拉伸模量均最大，原因在于平行該方向的紗線線密度(600 tex)最大，這有效增強了0°方向的拉伸性能；45°和-45°方向拉伸的紗線層參數相似，拉伸性能相似，且因紗線鋪放密度最大，對拉伸性能有一定程度的改善；90°方向的拉伸性能因紗線線密度和鋪放密度均最小，故三種拉伸性能均最低。

表2 四軸向經編復合材料試樣拉伸性能參數

2.2 彎曲性能

2.2.1 彎曲失效

在三點彎曲加載形式下，只有處于中間的上壓頭移動，故四軸向經編增強復合材料試樣的損傷主要集中于該加載區。圖4為四軸向經編增強復合材料試樣彎曲失效的形貌。

(a) 0°方向

(b) 45°方向

(c) 90°方向

(d) -45°方向

由圖4可知，四種方向(0°、 45°、 90°及-45°)彎曲的試樣的正面和反面的失效形貌不同，主要原因與正反表層紗線的鋪層角度不同有關。彎曲失效試樣的表面均出現了紗線抽拔、脫黏及分層現象。由于上壓頭的移動，被測試樣中性面上部和下部分別受到了壓縮破壞和拉伸破壞：上部與上壓頭直接接觸，紗線斷裂和基體損傷最為嚴重；下部與上壓頭垂直距離最遠，受到的拉伸位移最大，分層現象較為嚴重，其中表層紗線鋪層與彎曲測試方向呈45°或-45°的被測試樣，表面分層紗線翹起更為嚴重。

2.2.2 彎曲性能分析

四種方向彎曲的四軸向經編增強復合材料試樣彎曲應力-撓度曲線如圖5所示。

圖5 四種方向下四軸向經編增強復合材料試樣彎曲應力-撓度曲線

由圖5可知，四條彎曲應力-撓度曲線增長趨勢相似：開始呈線性增長，隨著撓度的不斷增加，被測試樣中基體開始遭到破壞，隨后部分纖維/環氧樹脂界面發生失效，曲線斜率逐漸變小；當彎曲應力達到最大時，曲線急劇下降，但此時由于被測試樣內存在多層紗線，正反表層中紗線最先受到壓縮和拉伸破壞，但被測試樣并未直接失效，當外層紗線層失效后，整體載荷重新分配，進而由鄰近層紗線承擔主要載荷，因此曲線呈階段性下降，且由于相鄰層間紗線鋪放角度均不相同，受載形式不斷發生變化，導致曲線下降時曲線斜率和下降幅度隨受載紗線層的不同而發生變化，受載紗線層逐層失效，最終整體彎曲失效。

表3為四軸向經編增強復合材料試樣彎曲性能參數。由表3可知，試樣三種彎曲性能(即彎曲失效強力、彎曲強度及彎曲模量)強弱與拉伸性能相同，由高到低均為0°方向、±45°方向、90°方向。由于四個方向紗線鋪層數相同，故提高增強體內紗線線密度和鋪放密度有助于增強復合材料的彎曲失效強力、彎曲強度及彎曲模量。

表3 四軸向經編增強復合材料試樣彎曲性能參數

3 結論

(1) 四軸向經編增強復合材料試樣拉伸和彎曲力學性能由強到弱依次為0°方向、±45°方向、90°方向。其中，提高增強體內紗線線密度和鋪放密度能夠增強復合材料的拉伸和彎曲性能。

(2) 四個測試方向力學性能相差不大，四軸向經編增強復合材料面內的拉伸和彎曲性能整體均勻性較好，近似呈各向同性，故QWKF適用于對面內性能有均勻性要求的產品。

(3) 拉伸斷裂和彎曲失效試樣均存在大量纖維抽拔、脫黏現象，這是由纖維/環氧樹脂界面失效造成的，進一步研究兩者的界面性能可為四軸向經編增強復合材料的力學性能改善提供有效方法。

[1] 張麗哲.玻璃纖維多軸向經編復合材料的制備及拉伸性能研究[J]．產業用紡織品，2015，33(12):18-21.

[2] 高哲，蔣高明，馬丕波，等.碳纖維多軸向經編復合材料的應用與發展[J]．紡織學報，2013，34(12):144-151.

[3] 蔣高明，高哲.產業用經編針織物的應用與發展[J].紡織導報，2014(9):52-58.

[4] 李麗娟，蔣高明，繆旭紅.多軸向經編針織物在風力發電中的應用[J].紡織導報，2009(5):68-70，72.

[5] 張效博.多軸向經編針織物在風力發電葉片蒙皮中的應用[J].山東紡織科技，2010，51(3):54-56.

[6] 邱冠雄.經編復合材料在風能發電中的應用[J].紡織學報，2012，33(12):134-139.

[7] 張濤濤，燕瑛，劉波，等.T700軸向增強經編織物復合材料力學性能的模擬分析與試驗研究[J].復合材料學報，2013，30(5):236-243.

[8] 金利民，竺鋁濤.雙軸向經編針織復合材料的彈道侵徹破壞[J].纖維復合材料，2009，26(3):39-42.

[9] SUN B Z, HU H, GU B H. Compressive behavior of multi-axial multi-layer warp knitted (MMWK) fabric composite at various strain rates[J]. Composite Structures, 2007, 78(1): 84-90.

[10] 萬光鑒，呂麗華，于永玲，等.橫向沖擊下雙軸向經編玻璃纖維板的力學性能[J].紡織學報，2011，32(1)：46-50.