三維正交機織和雙軸向經編玻纖復合材料壓縮性能研究

內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080

發展輕質高強型復合材料，是推動科技進步、國防建設、經濟發展和增強國家競爭力的重要基礎[1]。紡織復合材料具有比強度和比剛度高、耐疲勞、抗腐蝕、可設計性強等優點[2-4]，已逐漸代替傳統材料，廣泛應用于航空航天、國防、船舶和風機葉片等領域[5]。

三維正交機織物通過貫穿其整個厚度的Z紗而將伸直的經紗和緯紗捆綁在一起。在理想情況下，Z紗與經紗、緯紗互相垂直，由于面內紗線平行順直排列，因此具有很高的硬度和強度；另外，捆綁紗(即Z紗)提高了織物的整體性，因此不易產生分層失效。多軸向經編織物因其不同軸向的纖維束相互平行排列，在比強度、比剛度方面具有其他材料無可比擬的優越性，同時還具有耐高溫、抗腐蝕、耐疲勞及結構穩定等優異性能。

目前，對三維正交機織復合材料和多軸向經編復合材料的力學性能的研究，大多集中在靜、動態力學性能[6-10]及有限元模擬計算[11-12]等方面。王海樓等[13]用試驗和有限元相結合的方法，研究了三維編織碳纖維/環氧樹脂復合材料在低溫場中橫向壓縮性質的溫度效應。于平等[14]通過對二維平紋編織復合材料壓縮力學性能進行三維有限元計算，對復合材料在沿垂直于編織平面方向和纖維束方向壓縮后的微觀應力場進行了分析。陳利等[15]采用短標距薄板試件法試驗，研究了三維五向和六向編織復合材料試件的壓縮性能。馬亞運等[16]對比了雙軸向經編和三維正交機織復合材料的拉伸性能，三維正交機織物有效地改善了雙軸向經編復合材料在拉伸中易分層失效和斷裂截面處纖維抽拔等問題。

本文分別以三維正交機織玻纖織物和雙軸向經編玻纖織物為增強體，使用真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡稱“VARTM”)工藝實現復合材料成型，得到兩種復合材料試樣，然后分別沿0°和90°方向測試其壓縮性能；采用燃燒法測定復合材料試樣的纖維體積分數，通過計算得到其當量壓縮性能，并觀察試樣的壓縮斷裂截面，比較兩種復合材料試樣的壓縮性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與工藝

(1) 增強體。采用三維正交機織玻纖織物和雙軸向經編玻纖織物分別作為增強體，其紗線采用E-玻纖無捻粗紗和滌綸紗。其中，三維正交機織玻纖織物的經紗和緯紗在平面內順直排列，Z紗貫穿于厚度方向，三組紗線互相垂直。增強體實物如圖1所示，其基本參數見表1。

(a) 三維正交機織玻纖織物

(b) 雙軸向經編玻纖織物

表1 增強體基本參數

(2) 基體。以質量比為100 ∶30的E-2511-1A環氧樹脂/2511-1BT固化劑混合物為基體。

(3) 成型工藝。使用真空輔助樹脂傳遞模塑即VARTM工藝實現復合材料的成型。

1.2 試樣制備

分別用1層三維正交機織玻纖織物和2層雙軸向經編玻纖織物(同向鋪放)，在真空度為-0.095 MPa且保壓效果良好時進行基體灌注，灌注完成后在常溫下固化48 h，得到兩種復合材料試樣(簡稱“試樣”，試樣編號分別為1#、2#)。然后，根據FZ/T 60043—2014《樹脂基三維編織復合材料壓縮性能試驗方法》對試樣進行切割，試樣形狀與尺寸標注如圖2所示，試樣尺寸見表2。

圖2 試樣形狀與尺寸標注示意

表2 試樣尺寸

1.3 壓縮試驗

參照FZ/T 60043—2014《樹脂基三維編織復合材料壓縮性能試驗方法》，在WDW-100kN萬能試驗機上測試兩種試樣沿0°和90°方向的壓縮性能。首先，通過預壓縮試驗估計試樣的壓縮破壞載荷；然后，對試樣施加5%的壓縮破壞載荷，使試樣保持伸直狀態，確保整個系統處于正常工作狀態；最后，以2 mm/min的速率對試樣施加壓縮載荷，連續加載直至試樣破壞，記錄試樣的屈服載荷、破壞載荷及破壞形式。

1.4 纖維體積分數試驗

參照ASTM D 3171：2009《復合材料組成物含量的標準試驗方法》，采用燃燒法測定試樣的纖維體積分數。首先取一定體積的試樣并稱取其質量W0(g)，然后在450～650 ℃下灼燒，基體被蒸發，稱取剩余物的質量，即試樣中的纖維質量Wf(g)，再根據式(1)和式(2)計算纖維體積分數Vf：

Wm=W0-Wf

(1)

(2)

其中：ρf——E-玻纖密度，g/cm3；

ρm——基體密度，g/cm3；

Wm——基體質量，g。

1.5 當量壓縮性能

由于兩種試樣的纖維體積分數不同，為了使試驗數據具有可比性，引入當量壓縮性能(即當量壓縮斷裂強度和當量壓縮模量)的概念。

將試樣的纖維體積分數統一為45%，再根據式(3)計算當量壓縮斷裂強度：

(3)

其中：F為壓縮斷裂強度，MPa。

同理，通過計算得到試樣的當量壓縮模量。

2 試驗結果與分析

2.1 壓縮性能

圖3所示為試樣0°和90°方向的壓縮應力-應變曲線。

圖3 試樣0°和90°方向的壓縮應力-應變曲線

由圖3可以看出，三維正交機織玻纖復合材料試樣90°方向的壓縮應力總體大于其0°方向，而雙軸向經編玻纖復合材料試樣則相反。在壓縮試驗中，如果沒有基體的束縛，增強體不能承擔任何載荷作用[17]。兩種試樣的壓縮應力-應變曲線都很平滑，在承受載荷的瞬間，曲線斜率很大，此時主要由基體承擔載荷，隨著樹脂開裂，主要由纖維/樹脂界面承擔載荷，直至纖維斷裂，復合材料失效。

試樣的壓縮性能和當量壓縮性能測試結果見表3。

由表3可以得到：

(1) 對于三維正交機織玻纖復合材料試樣，其90°方向的當量壓縮斷裂強度比0°方向高8.05%，這主要因為其增強體(即三維正交機織玻纖織物)由3層經紗和4層緯紗構成，經向(即0°方向)比緯向(即90°方向)少1層紗線，且緯紗的線密度(1 500 dtex)高于經紗(1 200 dtex)；當量壓縮模量則相反，0°方向比90°方向高30.67%，這是因為在壓縮初始階段，載荷主要由基體承擔。

表3 試樣壓縮性能和當量壓縮性能測試結果

(2) 雙軸向經編玻纖復合材料試樣0°方向的當量壓縮斷裂強度和當量壓縮模量分別比90°方向高19.80%、 8.13%。其原因可能主要在于增強體(即雙軸向經編玻纖織物)的經紗線密度(2 400 tex)遠大于緯紗線密度(1 500 tex)。

對比三維正交機織玻纖復合材料試樣和雙軸向經編玻纖復合材料試樣的當量壓縮斷裂強度和當量壓縮模量：

(1) 0°方向的當量壓縮斷裂強度和當量壓縮模量，后者均略高于前者，分別約提高4.90%、35.71%。其主要原因可能是兩種增強體的0°方向紗線(即經紗)線密度和織造密度的差異較大，后者的增強體的經紗線密度(2 400 tex)為前者的增強體的經紗線密度(1 200 tex)的2.00倍，且后者的增強體的織造密度[27根/(10 cm)]約為前者的增強體的織造密度[24根/(10 cm)]的1.13倍。因此，在基體的束縛下，后者的增強體能夠更好地發揮其力學性能。

(2) 90°方向的當量壓縮斷裂強度，前者比后者提高23.40%。其主要原因可能是兩種增強體的90°方向紗線(即緯紗)線密度均為1 500 tex，但前者有4層緯紗，而后者只有2層緯紗，而且前者的織造密度[27根/(10 cm)]約為后者[22根/(10 cm)]的1.23倍。另外，三維正交機織玻纖織物由垂直于經紗和緯紗的Z紗捆綁成型，織物面內紗線沒有卷曲，因此其面內剛度和強度更高，這提高了復合材料的穩定性和抗分層失效性能。90°方向的當量壓縮模量則相反，后者比前者提高64.00%。壓縮模量是通過壓縮應力-應變曲線的初始線性部分(即試樣承受壓縮載荷的初始階段)求得的，其值越大表示試樣抵御壓縮變形的能力更強。

2.2 壓縮破壞形態

在顯微鏡下觀察試樣壓縮破壞形態，如圖4所示。

圖4 試樣壓縮破壞形態

由圖4可知，與雙軸向經編玻纖復合材料試樣比較，三維正交機織玻纖復合材料試樣的壓縮形變更明顯。對于三維正交機織玻纖復合材料試樣，沿0°方向壓縮，試樣斷裂面整齊，白色區域較寬，分層現象較為明顯；沿90°方向壓縮，斷裂面出現纖維抽拔現象，白色區域不明顯。三維正交機織玻纖織物的最外層為緯紗，它比經紗多1層，而緯紗方向即90°方向，其分層現象沒有0°方向嚴重。對于雙軸向經編玻纖復合材料試樣，沿0°方向和90°方向壓縮，均出現白色裂痕，試樣分層失效，90°方向的分層更嚴重，纖維無明顯斷裂。雙軸向經編玻纖織物的經紗線密度遠大于其緯紗線密度，因此0°方向的紗線強度高于90°方向，減少了分層失效現象。

3 結論

(1) 三維正交機織玻纖復合材料試樣和雙軸向經編玻纖復合材料試樣0°和90°方向的壓縮應力-應變曲線形狀相似，前者的壓縮應力和應變總體高于后者，但曲線斜率相反，即前者的壓縮斷裂強度總體高于后者，但前者抵御壓縮變形的能力較后者差，這與兩種增強體的織造密度及其結構密切相關。

(2) 比較三維正交機織玻纖復合材料試樣和雙軸向經編玻纖復合材料試樣的當量壓縮性能，90°方向的當量壓縮斷裂強度是前者比后者高23.40%左右，而0°方向的當量壓縮斷裂強度則是后者比前者高約4.90%；0°方向和90°方向的當量壓縮模量，后者較前者分別提高約35.71%和64.00%。

(3) 三維正交機織玻纖復合材料試樣和雙軸向經編玻纖復合材料試樣0°和90°方向的壓縮斷裂形態顯著不同。三維正交機織復合材料試樣的壓縮斷裂形變較大，抵抗壓縮變形的能力較差，90°方向的分層現象沒有0°方向嚴重；雙軸向經編玻纖復合材料試樣抵抗壓縮變形的性能較好，0°方向的分層現象較不明顯。