三維編織復合材料T型梁的低溫場彎曲性能

劉 軍， 劉 奎， 寧 博， 孫寶忠， 張 威

(1. 上海飛機制造有限公司， 上海 200436； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

三維編織復合材料T型梁是由三維異形整體編織而成，由多向纖維束構成的空間網狀結構復合材料，具有比傳統層壓復合材料更好的結構整體性，較高的損傷容限和斷裂韌性。相比于矩形梁，工程結構中常用的T型梁結構具有更高的抗彎強度和剛度，可減輕結構件質量，節約材料。由于三維編織復合材料T型梁優異的性能，在航空航天、汽車等領域具有廣泛應用[1]。

為更好地了解和應用三維編織復合材料結構，針對三維編織復合材料T型梁結構力學性能的研究已吸引不少研究者關注。文獻[2-4]分別針對三維編織復合材料T型梁的抗彎性能進行有限元模擬分析和實驗，以及建立特殊的細觀結構模型，采用剛度合成法預測其彎曲性能。Yan等[5]和歐陽屹偉等[6-8]分別采用實驗和有限元法研究了三維編織復合材料T型梁結構的彎曲疲勞性能。王歡等[9]采用懸臂梁自由衰減振動的實驗方法測試了三維編織復合材料T型梁的模態性能，分析了纖維體積分數對其固有頻率和阻尼的影響。以上研究主要針對三維編織復合材料T型梁的彎曲性能、疲勞性能和模態性能，為三維編織復合材料T型梁的應用提供了研究基礎，但這些研究主要集中在常溫下，Zhang等[10]研究了三維編織復合材料T型梁高溫下的橫向沖擊性能，在不同溫度環境下尤其是低溫下的力學性能研究還鮮見報道。

本文采用碳纖維一體編織成型三維編織復合材料T型梁作為預成型體，制備成復合材料；自制低溫環境箱，與MTS 810.23型材料測試系統相結合測試三維編織復合材料T型梁低溫環境下的彎曲力學性能，研究不同筋高高度T型梁在不同低溫下的彎曲力學響應，為三維編織復合材料T型梁在低溫環境下的應用提供研究基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

T700S-12 K型碳纖維(東麗碳纖維美國有限公司)，通過1×1型四步法進行T型梁整體編織成型。JA-02型環氧樹脂(常熟佳發化學有限責任公司)，其玻璃化轉變溫度(Tg)約為 110 ℃，密度為1.12～1.14 g/cm3。

1.2 預成型體編織

三維編織復合材料T型梁預成型體成型過程如圖1所示。三維編織復合材料T型梁預成型體織造方法采用1×1型四步法方形編織技術。編織T型梁預成型體時，將T型劃分為如圖1所示A、B的2個矩形。A部分為底板紗線排列，B部分為筋高紗線排列，分別依次完成4步編織循環，8步則完成整個T型編織循環。攜紗錠子的運動方向用箭頭進行標識，每次推動攜紗錠子運動1個位置。通過紗線排列組合，將T型梁筋高位置的紗線分別按矩陣0×0、5×3和9×3進行排列設計，底板位置紗線均按矩陣3×15進行排列設計，共編織出3種不同筋高高度的T型梁預成型體。圖2示出編織成的預成型體，編織角為18°～23°。

圖1 三維編織復合材料T型梁預成型體編織過程Fig.1 Braiding process of 3-D braided composite T-beam preform

圖2 三維編織復合材料T型梁預成型體Fig.2 3-D braided composite T-beam preform

1.3 復合材料制備

基于真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制備三維編織復合材料T型梁。預成型體通過抽真空完全注入環氧樹脂后在烘箱內依次于90 ℃加熱2 h，于110 ℃加熱1 h，最后在130 ℃加熱4 h，固化結束后在室溫下冷卻24 h。按照測試要求進行切割得到3種筋高高度三維編織復合材料T型梁試樣，如圖3所示。試樣長度均為 150 mm， 3種筋高高度分別約為0、5和10 mm。通過燃燒法測得纖維體積分數約為55%，復合材料密度約為 1.5 g/cm3。

圖3 不同筋高高度三維編織復合材料T型梁Fig.3 3-D braided composite T-beam with different flange height

1.4 低溫場彎曲加載測試

利用MTS 810.23型材料測試系統結合自行設計的低溫環境系統進行三維編織復合材料T型梁低溫場準靜態彎曲加載測試。圖4示出低溫場準靜態彎曲加載測試系統。低溫環境系統與試樣加載一體化設計，將試樣兩端置于裝置兩端夾持槽內，中間跨距100 mm，通過液氮提供冷源，溫控儀和熱電偶組成溫度控制系統。測試20、-20、-50和-80 ℃共 4個測試溫度點，依據GB/T 9979—2005《纖維增強塑料高低溫力學性能試驗準則》，在不同測試溫度下保溫15 min，每個溫度點測試 3個試樣，分別測試3種筋高高度T型梁試樣，加載速度為2 mm/min。

圖5 三維編織復合材料T型梁不同測試溫度下載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of 3-D braided composite T-beam at different temperature

圖4 低溫場準靜態彎曲加載測試系統Fig.4 Quasi-static bending testing system with low temperature environment system

2 結果與討論

2.1 載荷-位移曲線

圖5 示出不同筋高高度三維編織復合材料T型梁在不同測試溫度下彎曲加載測試得到的代表性載荷-位移曲線。

從圖5(a)中發現，20 ℃時不同筋高高度T型梁的初始載荷隨位移增加均呈線性增加，斜率則隨筋高高度不同而出現較大不同。斜率隨筋高高度增加而增大，說明抗彎剛度也隨之越大，筋高高度為 10 mm 的T形梁具有最大的抗彎剛度。筋高高度為0 mm的T型梁幾乎線性增加到峰值載荷后即發生斷裂破壞，載荷-位移曲線下降；筋高高度為5 mm的T型梁在達到最大載荷前呈現略微的屈服，隨即發生斷裂破壞，曲線下降；筋高高度為10 mm的T型梁達到最大載荷前發生較大的屈服，直至達到最大載荷，試樣斷裂失效。這是由于筋高高度為0 mm時，試樣較易失效斷裂，隨著筋高高度的逐漸增高，試樣能夠較好地抵抗彎曲斷裂，產生一定的屈服，直至達到最大破壞載荷而失效。由圖5(b)可知，測試溫度為 -20 ℃ 時，與 20 ℃ 時的彎曲響應行為類似，不同筋高高度的T型梁均產生不同程度的屈服破壞。由測試溫度為-50和-80 ℃時的載荷-位移曲線可以發現，隨著測試溫度的降低，復合材料T型梁的屈服逐漸減小，尤其是0和5 mm筋高的T型梁線性增加到最大載荷后迅速下降，發生明顯的脆性斷裂行為，筋高高度為10 mm的T型梁在-80 ℃時快速達到最大載荷后，也發生明顯的脆性斷裂破壞。說明三維編織復合材料T型梁由常溫時的不同程度屈服斷裂破壞轉變為低溫下的脆性斷裂破壞。

2.2 彎曲性能分析

為分析筋高高度和溫度對三維編織復合材料T型梁準靜態彎曲加載響應的影響，從載荷-位移曲線上分別提取T型梁所受峰值載荷，峰值載荷對應的失效位移和彎曲失效能量吸收等數據列于表1中，并進行三維作圖分析筋高高度和溫度對復合材料T型梁彎曲載荷、失效位移以及吸收能量的影響，如圖6所示。由圖6(a)可以發現，T型梁所受最大載荷隨著T型梁筋高高度增加而逐漸增加，隨著測試溫度降低逐漸增大。筋高高度越高、溫度越低，T型梁所能承受的峰值載荷越高，筋高高度為 10 mm、測試溫度為-80 ℃時，T型梁所受載荷最大；筋高高度越小、溫度越高，T型梁所能承擔的載荷能力越弱；筋高高度為0 mm、測試溫度20 ℃時，T型梁所受載荷最小。

表1 三維編織復合材料T型梁低溫場測試結果Tab.1 Testing results of 3-D braided composite T-beam at low temperature

圖6 溫度和筋高高度對三維編織復合材料T型梁彎曲性能影響Fig.6 Effect of temperature and flange height on bending properties of 3-D braided composite T-beam.(a) Load; (b) Failure displacement; (c) Energy adsorption

由圖6(b)可知，失效位移隨筋高高度增加而減小，隨測試溫度降低而略微增大，筋高高度越小，溫度越低，T型梁失效位移越大。筋高高度為 0 mm、測試溫度為-80 ℃時，T型梁失效位移最大；筋高高度越高，溫度越高，T型梁失效位移越小，筋高高度為 10 mm，測試溫度為20 ℃時，T型梁失效位移最小。

由圖6(c)得知，復合材料T型梁能量吸收隨筋高高度增加逐漸增多，隨測試溫度降低能量吸收也增多。筋高高度越高、溫度越低，T型梁所吸收的能量越多，筋高高度為10 mm，測試溫度為-80 ℃時T型梁所具有的吸收能量最多；筋高高度越小、測試溫度越高，T型梁的能量吸收能力越弱， 筋高高度為 0 mm， 測試溫度為20 ℃時，T型梁所具有的吸收能量最小。

從圖6可以看出，筋高高度對T型梁彎曲性能影響相比于溫度影響更為顯著，這是由于筋高的存在顯著提高了梁的截面慣性矩，隨筋高高度增加，T型梁截面慣性矩越大，抗彎剛度越高，承載能力更強，采用T型梁結構是有效提高梁承載性能的重要方式。低溫增強效應主要源于對復合材料基體性質的增強作用，影響效應遠小于增加T型梁筋高帶來的結構增強效應。

2.3 試樣損傷形態

圖7示出不同筋高高度的三維編織復合材料T型梁在-80 ℃時的表面彎曲破壞形態。可以看出：筋高高度為0 mm的T型梁斷口發生在與試樣長度方向垂直的中線位置，基本呈彎曲斷裂；隨筋高增加，斷口與試樣長度方向成一定角度出現，筋高越高，斷口出現角度越大，逐漸呈剪切斷裂破壞，這是由于筋高高度增加，T型梁抗彎強度增加，不易直接彎曲斷裂。圖8 示出筋高高度為10 mm的三維編織復合材料T型梁在不同低溫環境下的彎曲損傷形態。可見：較高溫度下損傷區域不規則，表面紗線未發現明顯斷裂，主要為較多樹脂開裂；隨著溫度降低，紗線斷裂損傷越明顯，斷口清晰，表現為脆性斷裂。

圖7 不同筋高高度三維編織復合材料T型梁在-80 ℃時的彎曲破壞形態Fig.7 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with different flange height at -80 ℃

圖8 10 mm筋高高度三維編織復合材料T型梁在不同低溫下的彎曲破壞形態Fig.8 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with flange height of 10 mm at different low temperature

3 結 論

對不同筋高高度的三維編織復合材料T型梁在不同低溫下進行彎曲性能測試分析，得到以下結論。

1)隨著測試溫度降低，三維編織復合材料T型梁承載載荷增加，位移增大，能量吸收增加；隨著筋高高度增加，三維編織復合材料T型梁抗彎剛度增強，載荷增加，位移減小以及能量吸收增加。相比于溫度，筋高高度對于三維編織復合材料T型梁的彎曲性能影響更為顯著。

2)隨著測試溫度降低，三維編織復合材料T型梁失效模式由較高溫度下不同程度的屈服斷裂失效轉變為低溫下的脆性斷裂失效；隨著筋高高度增加，三維編織復合材料T型梁失效模式彎曲斷裂失效轉變為剪切斷裂失效。