預定型彎曲柱紗三維機織間隔復合材料的壓縮性能

杜子林 王芮杰 鄭連剛 朱文斌 許福軍

1. 東華大學 紡織學院,上海 201620;2. 上海捻幅智能科技有限公司,上海 201612

三維機織間隔復合材料(3DWSC)是以三維機織間隔織物為增強體制備的一種新型夾層復合材料[1],其具有一體成型的三維中空結構,不僅克服了傳統夾層結構易分層的缺點,還具有比剛度高,以及隔熱、隔聲和阻尼優異等特性[2-3]。因此,3DWSC在航空航天、國防軍工、海洋工程、軌道交通、機車風車、建筑等領域有著廣闊的應用前景[4-10]。

3DWSC具有優異的整體特性和設計靈活性,受到廣泛研究和關注。現有研究表明,柱紗的高度和形狀是影響3DWSC壓縮性能的最重要的因素之一。Zhao等[11]研究了不同柱紗高度和面板厚度的3DWSC的力學性能。結果發現,3DWSC的彎曲性能隨柱紗高度和面板厚度的增加而降低;平面壓縮強度隨柱紗高度的增加而減小;柱紗高度對拉伸性能的影響最大。Fan等[12]探究了3DWSC的破壞模式和變形機制,發現芯層柱紗的初始傾斜會導致壓縮變形和剪切變形同時發生,芯層塑性旋轉使得彈性屈曲后具有較長且穩定的變形期。薛志鵬等[13]研究了不同柱紗傾角對3DWSC平壓性能的影響,發現在相同規格條件下,復合材料的抗壓性能和彈性模量均隨著柱紗傾角的減小而減少,尤其當柱紗傾角小于70°時,復合材料的抗壓性能大幅下降。Li等[14]研究發現芯材的破壞形式與柱紗傾角有密切關系。在壓縮載荷作用下,3DWSC會因柱紗斷裂或傾斜而損壞。當柱紗幾乎垂直于面板即柱紗傾角在80°～90°時,3DWSC性能會得到優化。

在3DWSC的制備過程中,重力會使三維機織間隔織物的柱紗呈現“C”字形彎曲,這會對復合材料的壓縮和沖擊性能產生一定影響。本文采用手糊成型工藝將環氧樹脂與三維機織間隔織物進行復合,并在固化成型前對復合材料進行壓縮預定型,制備不同厚度的3DWSC,探究柱紗“C”字形彎曲形態對3DWSC平壓性能和疲勞性能的影響。

1 結構設計與試驗方法

1.1 試驗材料

三維機織間隔織物,自制;雙酚A型環氧樹脂,JL-235,環氧值0.56 mol/(100 g),杭摩佳發新材料有限公司;固化劑,JH-242,杭摩佳發新材料有限公司。

1.2 復合材料的制備

采用玻璃纖維紗線在三維織機上一體織造三維機織間隔織物,具體結構參數如表1所示。三維機織間隔織物由上表層織物、下表層織物和芯層柱紗組成,上下表層織物通過“8”形柱紗連接在一起。

表1 三維機織間隔織物織造參數Tab.1 Weaving parameters of 3D woven spaced fabrics

1.3 復合材料的成型

采用手糊成型工藝制備3DWSC,每平方米織物約需2.366 kg的樹脂。預壓制備3DWSC的過程如圖1所示。先將環氧樹脂與固化劑按照100∶33的質量比混合,攪拌5 min后放入真空干燥箱中,抽真空進行消泡處理。用滴管將配制好的樹脂均勻地滴涂于間隔織物的兩面,樹脂在毛細效應的作用下充分浸潤織物。隨后,將樣品放入高度分別為15、12、9和6 mm的模具中,進行壓縮后預定型,使柱紗產生不同程度的“C”字形彎曲。最后,將樣品放入烘箱中,50 ℃下預固化3 h,隨后升溫至70 ℃固化7 h,制得高度分別為15、12、9和6 mm的4種不同彎曲程度的3DWSC試樣,分別記作3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6。

1.4 平壓性能測試

參照GB/T 1453—2022《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》,使用INSTRON 5967型萬能強力儀測試試樣的平壓性能。試樣尺寸為20 mm×20 mm,加載速度為2 mm/min,測試試樣厚度分別為15、12、9和6 mm。每個試樣至少測試5個樣本,結果取平均值。

平壓強度按照式(1)計算:

(1)

式中:σ為平壓強度,MPa;P為破壞載荷,N;A為試樣橫截面面積,mm2。

1.5 疲勞性能測試

參照GB/T 35465.1—2017《聚合物基復合材料疲勞性能測試方法 第1部分:通則》,使用INSTRON 5967型萬能強力儀對試樣進行循環壓縮,測試其疲勞性能。試樣尺寸為30 mm×30 mm,測試載荷為試樣破壞負載的50%,應力比為0.1,加載速度為100 mm/min。

2 結果與討論

2.1 平壓性能

圖2為不同彎曲程度的3DWSC平壓應力-應變曲線,可以看出,不同彎曲程度的3DWSC在平壓性能方面存在較大差異。3DWSC-6呈現出3個階段,即彈性階段、破壞階段和致密化階段。在壓縮的初始階段,3DWSC-6中所有柱紗同時承擔載荷,應力隨應變呈線性上升趨勢,此為彈性階段;隨著壓縮的進行,柱紗因斷裂及傾斜導致復合材料應力下降,此為破壞階段;繼續壓縮,歪斜的柱紗相互支撐,逐漸密實,復合材料進入致密化階段,應力再次提升。3DWSC-12、3DWSC-9在彈性階段結束后即進入一個顯著的長平臺區,這歸因于柱紗的歪斜失效。

圖2 3DWSC平壓應力-應變曲線Fig.2 Flat compression stress-strain curves of 3DWSCs

圖3反映了不同彎曲程度的3DWSC的平壓性能。

圖3 3DWSC的平壓性能Fig.3 Flat compression performance of 3DWSCs

由圖3a)可知,3DWSC-12和3DWSC-9的平壓強度相對較小,分別為0.39 MPa和0.52 MPa,相較于3DWSC-15的平壓強度(0.72 MPa)下降了45.8%和27.8%。原因主要是3DWSC-12和3DWSC-9的柱紗彎曲后呈“C”字形,柱紗的慣性矩下降。根據壓桿的臨界歐拉公式,柱紗慣性矩越小,材料的平壓性能越差,因此柱紗彎曲后,材料的平壓性能出現下降。可見,3DWSC柱紗的承載能力決定了其平壓性能。與3DWSC-12和3DWSC-9的“C”字形柱紗相比,3DWSC-15直立形柱紗的彎曲程度小,其擁有更高的軸壓強度。而對于3DWSC-6,其柱紗60%的預壓高度(即高度壓至原始間隔紗高度的60%)使得柱紗的形態發生了變化,柱紗中的某一段平行并緊靠面板,而其余近似直立的部分起到了承載的作用,因此其平壓強度達到了1.04 MPa,較3DWSC-15提升了44.4%。

根據圖3b)可知,柱紗彎曲程度的不同也引起了3DWSC平壓模量的差異。3DWSC-12和3DWSC-9的平壓模量為12.37 MPa和12.03 MPa,相比于3DWSC-15分別下降了50.0%和51.3%,這與3DWSC-12和3DWSC-9的柱紗彎曲程度更大,兩者更容易在壓縮載荷作用下發生變形有關。而3DWSC-6中柱紗過度彎曲,部分柱紗形成了近似直立的狀態,故具有更高的抗軸壓剛度;此外,60%的預壓高度使得材料密度增加,相鄰柱紗間相互接觸、擠壓并形成支撐,進一步提高了材料的平壓模量。

圖4對試樣壓縮應變達到30%時的單位體積吸收能量進行了歸納,可以看出:3DWSC-9和3DWSC-6單位體積吸收能量分別為14.01 J/m3和38.32 J/m3,相比于3DWSC-15單位體積吸收能量(12.49 J/m3)分別提升了12.2%和206.8%。

圖4 3DWSC在30%壓縮應變下的單位體積吸收能量Fig.4 Energy absorption per unit volume of 3DWSCs under 30% compressive strain

2.2 平壓破壞模式分析

圖5展示了不同彎曲程度的3DWSC平壓破壞前后的緯向截面及平壓破壞后的柱紗局部細節圖。從圖5a)可以看出,3DWSC-15在壓縮過程中,柱紗逐漸彎曲、歪斜,柱紗斷裂失效和失穩失效同時發生;從破壞后的柱紗局部細節圖可以看到,柱紗斷裂處斷面較為齊整,表現為明顯的脆性斷裂特征,此外柱紗與面板的連接處存在不同程度的損傷,這導致了柱紗出現失穩現象。圖5b)和圖5c)中,隨著應變的增大,3DWSC-12、3DWSC-9的柱紗屈服并發生彎折,相鄰2根柱紗的交接點處存在發白的現象,這與樹脂形成了微裂紋并不斷擴展有關,此外柱紗與面板的連接處也存在一定的斷裂破壞。圖5 d)中,3DWSC-6的破壞主要發生在柱紗與面板的連接處,由于芯層內柱紗密度較大,柱紗之間相互支撐,試樣破壞以屈服破壞為主。

圖5 3DWSC緯向截面及其平壓破壞模式Fig.5 Latitudinal cross sections and flat compression failure modes of 3DWSCs

綜合4種試樣的平壓破壞模式可以發現,試樣的破壞主要集中在柱紗與上下面板的連接處,以及相鄰柱紗的交接點附近。此外,隨著柱紗彎曲程度的增加,柱紗的破壞模式由脆性斷裂和失穩逐漸轉變為屈服破壞。

2.3 疲勞性能

圖6展示了不同彎曲程度的3DWSC循環壓縮不同次數的應力-應變曲線。

分析圖6可以發現:

(1)循環壓縮過程中,隨著加載次數的增加,應變在逐漸增加;同時,應力-應變曲線存在明顯滯后現象,可利用應力-應變滯后回線所圍成的面積表征循環加載過程中所消耗的塑性應變能[15]。

(2)在2 500次的循環壓縮過程中,3DWSC的應力-應變曲線可以明顯地分為2個階段。在第1階段(循環壓縮1～500次),隨著循環壓縮次數的增加,試樣應變快速增加,樹脂基體在壓縮載荷的作用下產生橫向裂紋,這與基體本身的耐疲勞性能不足有關。在第2階段(循環壓縮500～2 500次),試樣每500次循環壓縮積累的應變較小且穩定,這與纖維的增強作用延緩了基體裂紋的進一步擴展有關。

(3)3DWSC-15與3DWSC-12在循環壓縮2 500次后,材料的力學性能未發生顯著變化。而3DWSC-9與3DWSC-6在循環壓縮500次后,應力-應變曲線的斜率逐漸由線性變為非線性,試樣發生了疲勞破壞,力學性能有所下降;在第2階段,由于“C”字形柱紗蠕變積累速度放緩,3DWSC-9與3DWSC-6每500次的應變增加穩定。

3 結論

三維機織間隔復合材料的制備過程中,重力會使織物的柱紗呈現“C”字形彎曲,而該彎曲結構會對復合材料的壓縮和沖擊性能產生一定影響。本文為探究三維機織間隔復合材料柱紗彎曲對其壓縮性能的影響,在復合材料成型過程中進行了預定型處理,通過控制復合材料的成型高度得到了4種不同彎曲程度的三維機織間隔復合材料——3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6,研究其平壓性能和疲勞性能,結果表明:

(1)隨著柱紗彎曲程度的增加,3DWSC平壓強度先降低后提升,其中3DWSC-6的平壓強度和平壓模量最大,3DWSC-6的平壓強度較3DWSC-15提升了44.4%。

(2)3DWSC的平壓破壞主要集中在柱紗與上下面板的連接處,以及相鄰柱紗交接點附近。此外,隨著柱紗彎曲程度的增加,柱紗的破壞模式由脆性斷裂和失穩逐漸轉變為屈服破壞。

(3)隨著柱紗彎曲程度的增加,3DWSC的疲勞性能出現下降。經2 500次循環壓縮試驗后,3DWSC-9的疲勞性能下降最明顯。