體育器械用復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

李建萍 ，蘇占國

( 1 蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州730050；2 延安大學(xué)，陜西延安716000 )

三維機(jī)織復(fù)合材料由于具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、柔韌性好和變形能力強(qiáng)等特性而被廣泛應(yīng)用于體育器械、航空航天等領(lǐng)域［1］。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，三維機(jī)織復(fù)合材料還存在成品具有非均勻性以及各向異性等問題，斷裂件的失效分析案例中還可見源區(qū)存在裂紋或者空隙等缺陷存在［2-3］。通常情況下影響三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主要包括板厚和拉伸方向，以及自身各向異性等［4-5］，在此基礎(chǔ)上，為了系統(tǒng)研究體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能，從單軸拉伸、板厚和拉伸方向等角度考察了其對三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，以期為高綜合性能的體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用提供必要參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料包括東麗12K-T700SC 型纖維（徑向纖維和緯向纖維）、3K-T300SC 型纖維（Z 向纖維）、TDE-86 型環(huán)氧樹脂。采用層間互鎖型進(jìn)行三維機(jī)織復(fù)合材料的制備，復(fù)合板厚度5mm、徑向纖維束和緯向纖維束分別為8 層和9 層，相鄰層的緯向纖維采用Z 向纖維素纏繞連接的方式進(jìn)行，三維機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示；體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料組分材料的物性指標(biāo)見表1。

表1 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料組分材料的物性指標(biāo)[6-8]Table 1 Physical properties of component material in 3D woven composite for sports equipment

圖1 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的示意圖（a）整體結(jié)構(gòu)（b）纖維方向（c）正視圖Fig.1 Schematic diagram of 3D woven composite materials for sports equipment

體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸性能測試根據(jù)GB/T 33613-2017《三維編織及其樹脂基復(fù)合材料的拉伸性能試驗(yàn)方法》和GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》［9］，在Zwick/Roell 100KN 型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；根據(jù)ASTMD3518-2001《聚合物基復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn) 在±45°層壓板面內(nèi)剪切響應(yīng)的測試方法》，在Zwick/Roell 050KN 型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沿±45°纖維方向拉伸實(shí)驗(yàn)。三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸試件示意圖如圖2 所示，加載速率為0.5mm/min。采用華為P30 型手機(jī)對拉伸斷裂后的試樣進(jìn)行宏觀形貌拍攝。

圖2 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile test piece of 3D woven composite for sports equipment

2 結(jié)果及討論

2.1 單軸拉伸

圖3 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，拉伸試件尺寸為250mm×20mm×5mm。可見，3 根平行試樣的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線基本相同，試件在達(dá)到最大載荷時(shí)都發(fā)生了脆性斷裂。在較低的載荷下（＜150MPa），三維機(jī)織復(fù)合材料單軸拉伸試件的表面未出現(xiàn)明顯損傷，而當(dāng)外加載荷到達(dá)270MPa 時(shí)則在試件表面上出現(xiàn)了少量脫落，繼續(xù)增加載荷至極限載荷時(shí)，拉伸試件表面剝離現(xiàn)象愈發(fā)顯著。

圖3 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表2 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸性能測試結(jié)果。對比分析可知，3 根平行試樣的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和失效應(yīng)變差異性較小，彈性模量平均值為52.81GPa、拉伸強(qiáng)度平均值為900.88MPa、失效應(yīng)變平均值為1.71%。可見，三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸性能測試具有較高的可靠性。

表2 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸性能測試結(jié)果Table 2 Test results of uniaxial tensile properties of 3D woven composites for sports equipment

2.2 尺寸效應(yīng)對單軸拉伸的影響

進(jìn)一步考察了單軸拉伸試件寬度對單軸拉伸性能的影響，圖4 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。對比分析可知，試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時(shí)的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線差異性較小。表3 中同時(shí)列出了不同寬度三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果。可見，試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時(shí)的彈性模量分別為54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸強(qiáng)度分別為911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效應(yīng)變分別為1.70%、1.70%和1.71%。

圖4 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表3 不同寬度三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Uniaxial tensile test results of 3D woven composites with different width

2.3 ±45°方向拉伸

圖5 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料±45°方向拉伸的剪切應(yīng)力- 剪切應(yīng)變曲線，圖中實(shí)線和虛線分別表示應(yīng)變片（SG）和三維DIC 技術(shù)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對比分析可知，SG 和DIC 技術(shù)對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都實(shí)現(xiàn)了較好地吻合，在應(yīng)變范圍6% 內(nèi)，兩種技術(shù)得到的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線基本吻合，沿±45°方向拉伸的剪切應(yīng)力- 剪切應(yīng)變曲線可以獲得較好穩(wěn)定的力學(xué)性能測試結(jié)果［10-11］。

圖5 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料±45°方向拉伸的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線Fig. 5 Shear stress-strain curve of 3D woven composites for sports equipment in ± 45°direction

表4 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料±45°方向拉伸的力學(xué)性能測試結(jié)果。可見，5 組試樣的剪切模量和極限剪切強(qiáng)度差異性較小，剪切模量平均值為5.395GPa、極限剪切強(qiáng)度為75.587MPa。

表4 ±45°方向拉伸的力學(xué)性能測試結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties in the direction of ± 45°

圖6 為體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料±45°方向拉伸的宏觀破壞形貌圖。對比分析可知，5 組試樣的宏觀破壞形貌都表現(xiàn)為沿纖維束方向斷裂的特征，斷裂角基本都在60°附近，側(cè)面形貌中可見三維機(jī)織復(fù)合材料嚴(yán)重分層的現(xiàn)象。

圖6 體育器械用三維機(jī)織復(fù)合材料±45°方向拉伸的破壞形貌Fig. 6 Failure morphology of 3D woven composites for sports equipment under ± 45 ° tension

3 結(jié)論

（1）三維機(jī)織復(fù)合材料的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，3 根平行試樣的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和失效應(yīng)變差異性較小，彈性模量平均值為52.8GPa、拉伸強(qiáng)度平均值為900.9MPa、失效應(yīng)變平均值為1.71%。3 根平行試樣的單軸拉伸失效模型基本相同，都表現(xiàn)為纖維束斷裂、基體開裂和纖維間開裂的特征。

（2）試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時(shí)的彈性模量分別為54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸強(qiáng)度分別為911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效應(yīng)變分別為1.70%、1.70%和1.71%。

（3）沿±45°方向拉伸的剪切應(yīng)力- 剪切應(yīng)變曲線可以獲得較好穩(wěn)定的力學(xué)性能測試結(jié)果；5 組試樣的剪切模量和極限剪切強(qiáng)度差異性較小，剪切模量平均值為5.4GPa、極限剪切強(qiáng)度為75.6MPa。5 組試樣的宏觀破壞形貌都表現(xiàn)為沿纖維束方向斷裂的特征，斷裂角基本都在60°附近，側(cè)面形貌中可見三維機(jī)織復(fù)合材料嚴(yán)重分層的現(xiàn)象。