開孔三維編織復合材料的壓縮性能

梁雙強， 陳 革，2， 周其洪

(1. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620； 2. 新疆大學 紡織與服裝學院， 新疆 烏魯木齊 830000)

三維(3-D)編織復合材料克服了傳統復合材料厚度方向剛度強度性能差且易分層等弱點，具有損傷容限大、抗沖擊性能好等優點，在樹脂基、金屬基、陶瓷基、碳基等復合材料領域得到廣泛應用[1]。

GAUSE等[2]最先對三維編織復合材料損傷容限進行了研究，發現其具有優異的損傷容限特性。Ko[3]對三維編織復合材料的拉伸性能進行了研究，提出通過 織物幾何模型對三維編織復合材料的模量和強度進行預測的方法。部分學者對三維編織復合材料的疲勞和抗沖擊性能進行研究[4]。張迪等[5]對三維編織復合材料損傷容限性能進行了測試，認為其整體性較好，剩余壓縮強度較高，損傷容限性能優于層合復合材料。相關研究針對三維四向編織復合材料的彎曲和壓縮性能進行試驗分析，得出三維編織復合材料表現出脆性特征，同時發現編織角對復合材料性能有較大的影響[6-7]。有學者對三維六向編織復合材料的拉伸壓縮及沖擊后壓縮性能進行了全面的實驗研究，發現界面性能對材料壓縮和剪切性能影響顯著[8-9]。相關研究通過探討編織角對三維四向無缺陷編織復合材料壓縮力學性能的影響，得出其縱向壓縮失效與橫向壓縮失效差異很大，還對三維編織復合材料進行了沖擊及彎曲疲勞等力學性能分析[10-12]。曹海建等[13]對三維全五向編織復合材料的壓縮性能進行實驗研究，發現全五向結構壓縮性能優于五向結構。

復合材料開孔后的壓縮響應是評判復合材料對缺陷及厚度方向缺陷敏感度的重要評判標準。復合材料結構件在實際工程應用中，不可避免要引入缺陷(切割、鉆孔等)。由于三維編織復合材料的制備耗時長、成本高，目前的實驗研究還不充分，需要通過大量試驗來研究其抗破壞和變形性能，尤其是關于含缺陷三維編織復合材料力學性能的研究。本文主要研究機械開孔對三維編織復合材料壓縮性能的影響，為三維編織復合材料的工程應用提供參考。

1 三維編織復合材料壓縮性能試驗

1.1 試驗件材料

試驗件的增強材料為AS4-6 K 碳纖維、基體為WEST SYSTEM 105系列環氧樹脂、209型固化劑(HEXCEL公司)。纖維和樹脂性能參數如表1所示。

表1 纖維和基體材料性能參數Tab.1 Properties of matrix and carbon fiber

1.2 預制件

設計并準備了2種預制件，分別為Style I織物(三維五向結構，42%軸向紗和58%編織紗，4層129根紗)和Style II織物(三維四向結構，100%編織結構，5層124根紗)。預制件在4步法(1×1)三維編織機上完成，設計編織角為±(12±1)°。不含軸向紗預制件的紗線數量見式(1)，含有軸向紗預制件的紗線數量見式(2)。

N=(m+1)(n+1)-1

(1)

N=mn+(m+1)(n+1)-1

(2)

式中：N為紗線總數量，根數；m為橫向紗線數量，根數；n為縱向紗線數量，根數。

1.3 試驗件制備

三維編織復合材料的制備采用樹脂傳遞成型工藝(RTM)。首先將預制件放置在預成型的真空模具中，將樹脂與固化劑按照質量比為3.68∶1進行混合，并在真空箱中抽真空以去除樹脂中的氣體；設置注塑速率、注塑壓力等工藝參數，將樹脂壓入模具浸潤預制件，完畢后切斷樹脂流動管道，密封模具注塑口，最后在室溫下放置24 h進行完全固化；打開模具，取出固化好的三維編織復合材料。

根據ASTM D6484/D6484 M-14 《開孔復合材料壓縮性能試驗》和ASTM D3410/D3410 M-16《樹脂基復合材料壓縮性能試驗》分別制備試驗件。試驗件尺寸和幾何形狀見圖1，對于開孔壓縮試驗件，為避免實驗過程中加持端因應力集中造成樣品斷裂的情況，須在樣品兩端貼保護片，該保護片為玻璃纖維板，如圖1(a)所示。采用機械加工方法在試驗件上開孔，孔直徑為5 mm，如圖1(b)所示。

圖1 試驗件尺寸和幾何形狀Fig.1 Geometry and dimensions of specimen.(a) Un-notched coupon; (b) Open-hole coupon

1.4 試驗件的纖維體積分數計算

試驗采用稱量法計算試驗件的纖維體積分數Vf。固化前稱出預制件的干態質量Mf，固化后測量復合材料的質量M，則基體質量Mm=M-Mf。已知碳纖維和基體的密度分別為1.78和1.16 g/cm3，則可知纖維和基體的體積。考慮孔隙率對纖維體積比的影響，通過密度法測得復合材料密度ρc，通過式 (3)計算出每件試樣的孔隙體積Vv。再由式(4)計算試驗件的纖維體積比。試驗件種類Style I 和Style II 的孔隙率分別為4%和5%，纖維體積比分別為59%和62%。

(3)

(4)

式中：Mf為纖維質量，g；Mm為基體質量, g；ρf為纖維密度, g/cm3；ρm為基體密度, g/cm3；ρc為復合材料密度, g/cm3。

三維編織復合材料截面圖如圖2所示，為無增強紗時紗線截面形態。由圖2(a)可看出，在復合過程中不可避免的引入了氣泡，紗線在復合材料中的截面形狀主要為橢圓形。圖2(b)中的富脂區域主要是由于三維編織預制體紗線交織造成的。

圖2 三維編織復合材料截面圖Fig.2 Photographs of cross-sectional areas of 3-D braided composite. (a) Section of test piece 1(×10); (b) Section of test piece 2(×50)

1.5 壓縮試驗

開孔和無開孔三維編織復合材料試驗件的壓縮試驗步驟分別參照標準ASTM D6484/D6484 M-14 和ASTM D3410/D3410 M-16進行，試驗過程中的壓縮速率為1.5 mm/min。開孔試驗件支撐夾具如圖3所示。無開孔試驗件測試所用夾具為IITRI夾具，IITRI試驗裝置如圖4所示，為純剪切載荷加載方式。用 INSTRON 5682型萬能材料測試系統測試試驗件，每組試驗件須選取5個有效測試值并取平均值。

圖3 開孔試驗件支撐夾具Fig.3 Support fixture for open-hole test.(a) Fixture assembly; (b) Fixture installation for notched compression testing

圖4 IITRI試驗裝置Fig.4 IITRI test equipment.(a) Fixture installation for un-notched compression testing; (b) Un-notched specimen assembly

2 結果與討論

2.1 壓縮試驗結果

在強度計算時，含開孔和不含開孔的截面計算均為樣品總面積w×t，不減去孔的面積強度。試驗件強度見式(5)。

(5)

式中：σ為試驗件強度，MPa；P為失效載荷，N；w為樣品寬度(不考慮孔的影響)，mm；t為樣品厚度，mm。

無缺陷試驗件準靜態下的壓縮載荷-位移曲線如圖5所示。含開孔試驗件準靜態下的壓縮載荷-位移曲線如圖6所示。可看出，起始段均為非線性，主要是由于測試起始預緊力不足造成樣品滑移，因此在計算模量時須將滑移段去除；由2組曲線可以看出，2種結構試驗件的軸向方向模量較為接近。對比圖5、6可知，開孔后試驗件的失效位移小于無開孔試驗件，說明壓縮載荷下開孔試驗件失效更快。

圖5 無缺陷試驗件準靜態下壓縮載荷-位移曲線Fig.5 Load-Displacement curves of un-notched 3-D braided composites under quasi-static compressive

圖6 含開孔試驗件準靜態下壓縮載荷-位移曲線Fig.6 Quasi-static compression tests of 3D braided composite with open hole: Load vs. Displacement curves

2種三維編織復合材料各組試驗件壓縮性能數據如表2所示。每組試驗取3～5組有效值。壓縮性能數據對比如表3所示。引入缺陷后試驗件強度均低于無開孔試驗件。無開孔時，2種試驗件壓縮強度較為接近，Style I壓縮強度為589 MPa，彈性模量約為55 GPa； Style II壓縮強度為596 MPa, 彈性模量約為49 GPa。考慮到Style I 具有42%軸向紗，說明軸向紗的引入雖然提高了材料的彈性模量，但是并未提高材料的壓縮強度。含開孔Style I(含42%增強紗)平均壓縮強度為368 MPa，保留該試驗件約62.5%的無開孔壓縮強度；含開孔Style II(100%編織結構)平均壓縮強度約為406 MPa，略高于含增強紗的試驗件強度，保留該試驗件約68%的無缺陷壓縮強度。說明在該編織角下，增強紗未提高三維編織復合材料的損傷容限能力。

表2 各組試驗件壓縮性能數據Tab.2 Compressive properties

表3 壓縮性能數據對比Tab.3 Comparison of compressive properties

2種三維編織復合材料與層合板壓縮性能對比如圖7所示。16-ply(0±45)°層合板無缺陷強度為646 MPa, 引入開孔后強度降為363 MPa，保留56%的強度[2]；18-ply(0±20)°層合板無缺陷強度為665 MPa，引入開孔后強度降為 398 MPa，保留60%的強度[14]。可發現，雖然無開孔層合板初始強度雖略高于2種編織復合材料，但在引入開孔缺陷后，2種編織結構復合材料均能保留更高比例的壓縮強度，最終強度均接近于甚至高于層合板，主要得益于三維編織復合材料結構整體性，再次說明了三維編織復合材料具有優異的損傷容限性能。

圖7 2種三維編織復合材料與層合板壓縮性能對比Fig.7 Comparison of compression properties of two type 3-D braided composites with laminates

2.2 失效形態分析

2種有開孔和無開孔的編織復合材料試驗件在壓縮試驗過程均無明顯的變形和聲響，直到試驗件破壞瞬間產生劇烈聲響，表現出明顯脆性材料的破壞特性。

2種無開孔三維編織復合材料試驗件壓縮失效模式如圖8所示。可發現2類試驗件的宏觀壓縮失效形式較為相似，均為橫向斷裂，幾乎所有試驗件均斷裂在靠近夾頭和保護片位置處。微觀上的失效模式主要是由于纖維“褶皺”和“壓屈失穩”造成的。

圖8 無開孔壓縮失效形式Fig.8 Photographs of un-notched specimens after compression test

2種三維編織復合材料試驗件無開孔壓縮失效形式如圖9所示，可以發現，2類試驗件的宏觀壓縮失效形式也較為相似，均為沿孔周邊橫向斷裂。

圖9 含缺陷壓縮失效形式Fig.9 Photographs of Notched specimens after compression tests

開孔試驗件斷裂裂紋如圖10所示。2種結構三維編織復合材料試驗件斷裂截面如圖11所示。可以看出，無缺陷時，材料壓縮失效斷口雖然也為橫向斷裂，但是斷口截面具有一定傾斜角，而有缺陷時斷口雖不平整，但是無明顯傾角。

圖11 復合材料試驗件斷裂截面Fig.11 Fracture surface of specimen after compression tests. (a) Open hole; (b) Without hole

Style II無缺陷試驗件電鏡下斷裂如圖12所示。可以看出，在壓縮載荷下，纖維束整束剪切斷裂，三維編織復合材料壓縮失效主要是由于剪切斷裂所致，伴隨局部區域纖維“扭折”失效。層合板的壓縮失效往往伴隨著分層以及分層導致的“褶皺”失效，而三維編織復合材料壓縮失效不存在分層問題，該特性有利于減緩試驗件的失效。

圖12 Style II無缺陷試驗件斷裂面電鏡照片Fig.12 SEM images of fracture surface of Style II

3 結 論

本文對2種紗線結構的三維編織復合材料在含缺陷時和無缺陷時的壓縮性能進行了研究，得出以下結論。

1)對于±12°編織角的2種三維編織復合材料，無論有無開孔，其壓縮強度值均較為接近，說明增強紗的引入并未提高三維編織復合材料壓縮強度和損傷容限。

2)相對于傳統層合板，2種纖維走向的三維編織復合材料，在開孔后均能保留更高比例的壓縮強度，說明三維編織復合材料比傳統層合板具有更優異的損傷容限性能。

3)在失效形式上，2種纖維走向的三維編織復合材料，無開孔時的壓縮失效形式較為相似，均為橫向斷裂；開孔后均為沿孔橫向斷裂；無開孔的斷口截面具有傾斜角。相對于層合板失效模式，三維編織復合材料失效模式主要為剪切失效且無分層現象，伴隨局部區域纖維“褶皺折斷”和 “扭折”失效。