紗線規(guī)格對3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的影響

劉增飛，劉凱，張斌斌，李雪楓，葛敬冉，黃建,李超,孫新楊，孫煜，梁軍,*

1. 北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京 100081 2. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081 3. 南京玻璃纖維設(shè)計研究院，南京 211101 4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001 5. 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300

3D機(jī)織復(fù)合材料具有紗線層間相互連接的空間結(jié)構(gòu)，明顯改善了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間性能差的弱點(diǎn)，改善了抗沖擊性能，在航空發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)匣、天線罩等關(guān)鍵部位具有廣泛應(yīng)用。機(jī)織復(fù)合材料可根據(jù)紗線交織規(guī)律的不同，將其按基元結(jié)構(gòu)分為平紋、斜紋和緞紋，也可根據(jù)紗線貫穿方式分為正交結(jié)構(gòu)、層-層連鎖結(jié)構(gòu)和貫穿角連鎖結(jié)構(gòu)。除此之外，3D機(jī)織復(fù)合材料的預(yù)制體結(jié)構(gòu)還涉及許多編織工藝參數(shù)，如紗線密度和紗線規(guī)格，在很大范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)整。在一些應(yīng)用中，為減少達(dá)到所需厚度的織物層數(shù)，對由48K及以上大規(guī)格紗線編織而成的碳纖維織物的需求日益增加。表征、評價不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)下的復(fù)合材料力學(xué)性能對機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制體早期結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用至關(guān)重要。

力學(xué)實驗是評價3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能最直接有效的方法。近年來，許多研究者對不同預(yù)制體類型和編織工藝參數(shù)的3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了實驗表征和比較。王立朋等實驗研究了厚度對混合機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)橫向壓縮性能的影響。Warren等實驗研究了12K和24K經(jīng)紗規(guī)格的3D層-層連鎖機(jī)織復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能。Dai等比較了不同編織結(jié)構(gòu)的3D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲性能，實驗研究表明角連鎖結(jié)構(gòu)具有更好的性能。Kiasat和Sangtabi通過實驗研究了紗線規(guī)格和紗線密度對機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)其拉伸變形存在明顯的差異。Saleh等也實驗研究了不同編織結(jié)構(gòu)對3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的影響，通過比較發(fā)現(xiàn)層-層連鎖結(jié)構(gòu)的緯向性能相對較好。Pankow等發(fā)現(xiàn)3D正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料展現(xiàn)了與厚度無關(guān)的拉伸力學(xué)響應(yīng)，而層-層連鎖結(jié)構(gòu)的拉伸力學(xué)響應(yīng)依賴于材料的厚度。趙哲等實驗研究了室溫及高溫下2.5D機(jī)織復(fù)合材料的緯向力學(xué)性能和疲勞壽命。Jiao等通過實驗研究了不同層-層連鎖結(jié)構(gòu)對3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸、壓縮力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)通過在預(yù)制體中引入襯經(jīng)紗可改善經(jīng)向力學(xué)性能。郭瑞卿等研究發(fā)現(xiàn)斜向紗體積分?jǐn)?shù)對多層多向?qū)勇?lián)3D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能有顯著影響。然而，目前針對不同預(yù)制體工藝參數(shù)的3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能實驗研究仍較少，特別是關(guān)于大紗線規(guī)格3D機(jī)織復(fù)合材料的研究報道很少。大紗線規(guī)格3D機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化、非線性本構(gòu)響應(yīng)及失效機(jī)制有待進(jìn)一步開展研究。

本文研究緯紗規(guī)格對3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)行為的影響。首先，觀察、分析不同緯紗規(guī)格機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀紗線結(jié)構(gòu)，沿復(fù)合材料的經(jīng)向、緯向進(jìn)行拉伸測試；然后，對比分析緯紗規(guī)格對復(fù)合材料彈性模量、強(qiáng)度以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，利用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)獲得試樣在拉伸載荷下的表面應(yīng)變場，結(jié)合試件的斷口形狀揭示復(fù)合材料的失效機(jī)制，以期為大紗線規(guī)格機(jī)織復(fù)合材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

研究的3D機(jī)織復(fù)合材料是一種層-層斜紋結(jié)構(gòu)，由國產(chǎn)T800碳纖維和自主研發(fā)的高增韌環(huán)氧樹脂制備。表1為研究緯紗規(guī)格對復(fù)合材料力學(xué)性能影響時涉及的編織工藝參數(shù)，經(jīng)紗規(guī)格固定為24K，緯紗規(guī)格從24K增加到72K，為保證總纖維體積分?jǐn)?shù)和厚度等參數(shù)不變，適當(dāng)調(diào)整了經(jīng)緯紗的層數(shù)。圖1分別為緯紗規(guī)格24K、48K、72K的理想單胞模型，其中、、方向分別代表預(yù)制件的經(jīng)向、緯向和厚度方向。所用織物預(yù)制件由南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司織造。通過樹脂傳遞模塑工藝(RTM)將樹脂注入到預(yù)制件中制造3D機(jī)織復(fù)合材料。

表1 不同緯紗規(guī)格的編織工藝參數(shù)Table 1 Weaving process parameters for different weft yarn sizes

圖1 不同緯紗規(guī)格的理想單胞模型Fig.1 Idealized unit cell models for different weft yarn sizes

1.2 實驗方法

開展的3D機(jī)織復(fù)合材料實驗研究具有不同的目的。一方面，從每種編織工藝參數(shù)的復(fù)合材料平板中切割20 mm×12 mm×7.5 mm試樣，用于觀察不同緯紗規(guī)格的單胞結(jié)構(gòu)細(xì)觀紗線結(jié)構(gòu)。其中，每種編織工藝參數(shù)的單胞尺寸均為13.32 mm×8.00 mm×7.50 mm。復(fù)合材料在經(jīng)、緯向的截面圖像是用光學(xué)顯微鏡采集的。

另一方面，參照ASTM D3039/D3039M—14和GB/T 33613—2017標(biāo)準(zhǔn)分別在3D機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗和緯紗方向進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實驗，用于研究分析復(fù)合材料的力學(xué)行為。為保證在寬度方向上至少有兩個單胞長度，設(shè)計了35 mm寬的試件進(jìn)行拉伸實驗。圖2為拉伸試件的示意圖，試件尺寸為350 mm×35 mm×7.5 mm。所有準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實驗使用MTS-250KN液壓伺服試驗機(jī)在2 mm/min的恒定加載速度和室溫下進(jìn)行。由于3D機(jī)織材料具有相對較大的單胞尺寸，傳統(tǒng)的應(yīng)變計在測量應(yīng)變時表現(xiàn)出較大的變化。當(dāng)選用應(yīng)變計測量應(yīng)變時需要仔細(xì)考慮，以確保采集的數(shù)據(jù)能夠代表材料的特性。為此所有實驗均通過DIC技術(shù)測量試件在實驗過程中的應(yīng)變，以準(zhǔn)確獲得全場應(yīng)變。在試件表面噴了散斑，并用兩臺定焦相機(jī)對試件表面進(jìn)行拍攝，兩臺相機(jī)互成一定的角度(5°～10°)，拍攝圖片的分辨率為500萬像素。為保證采集圖片的質(zhì)量，采用LED燈進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼彰餮a(bǔ)償。在實驗前，先借助標(biāo)定板用兩臺相機(jī)同時拍攝其不同方位角的圖片，以此作為VIC-3D處理軟件標(biāo)定相機(jī)相對位置的參數(shù)，DIC處理精度約為100～150 μ。相關(guān)拉伸實驗設(shè)備如圖3所示，每組拉伸實驗重復(fù)測試5個試件。

圖2 拉伸試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile specimens

圖3 拉伸實驗設(shè)備Fig.3 Tensile testing equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)觀紗線結(jié)構(gòu)

圖4和圖5分別為3D機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)向、緯向的截面觀察結(jié)果。一般復(fù)合材料計算采用理想單胞模型，但實際的紗線結(jié)構(gòu)與圖1所示的理想單胞模型明顯不同。在實際的復(fù)合材料中，部分紗線截面并非水平，而是隨著相對應(yīng)的紗線方向產(chǎn)生了一定的截面偏轉(zhuǎn)。另外，由于機(jī)織復(fù)合材料具有較大的經(jīng)紗密度，相鄰經(jīng)紗間出現(xiàn)了擠壓干涉，而緯紗密度較小，相鄰緯紗間存在空隙區(qū)域。從紗線路徑角度來看，實際的紗線并不是理想化模型中的規(guī)則曲線或直線，而是一條具有隨機(jī)波動性的曲線。

圖4 3D機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)向的截面觀察結(jié)果Fig.4 Cross-sectional observation results of 3D woven composites along warp direction

圖5 3D機(jī)織復(fù)合材料沿緯向的截面觀察結(jié)果Fig.5 Cross-sectional observation results of 3D woven composites along weft direction

在織物織造過程中紗線內(nèi)會保留一定張力，此后在復(fù)合材料成型時織物被模具壓縮，紗線間的相互作用使經(jīng)、緯紗的路徑、形態(tài)發(fā)生改變。相比于理想單胞模型，復(fù)合材料內(nèi)經(jīng)紗表現(xiàn)出更小的卷曲，緯紗也表現(xiàn)出明顯的卷曲形態(tài)，并不是筆直地排列在復(fù)合材料內(nèi)。卷曲率是一個常用于表征機(jī)織物中紗線波動的參數(shù)。如圖6所示，卷曲率可根據(jù)單胞內(nèi)紗線路徑的拉直長度(卷曲紗線長度)和織物單胞長度計算：

圖6 卷曲率計算示意圖Fig.6 Schematic of crimp ratio calculation

(1)

紗線路徑長度從顯微圖像中測量，計算中使用了多根紗線的平均值。表2列出了復(fù)合材料經(jīng)緯紗的卷曲率、彈性模量和拉伸強(qiáng)度。通過對比不同緯紗規(guī)格的紗線卷曲率可發(fā)現(xiàn)隨緯紗規(guī)格增大，經(jīng)紗卷曲率逐漸變大，緯紗卷曲率逐漸變小。

表2 不同緯紗規(guī)格3D機(jī)織復(fù)合材料的卷曲率、彈性模量和拉伸強(qiáng)度Table 2 Crimp ratio, elastic modulus and tensile strength of 3D woven composites with different weft yarn size

纖維體積分?jǐn)?shù)也是影響復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。隨緯紗規(guī)格增大，緯紗組分的纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，而經(jīng)紗組分的纖維體積分?jǐn)?shù)就會相應(yīng)地減小。

2.2 拉伸力學(xué)性能

圖7展示了不同緯紗規(guī)格的3D機(jī)織復(fù)合材料在經(jīng)向和緯向拉伸工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線中可看出拉伸實驗結(jié)果具有很好的可重復(fù)性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力由力學(xué)試驗機(jī)產(chǎn)生的拉伸載荷計算得到，而應(yīng)變是通過DIC技術(shù)同步測試得到的。附錄A列出了力學(xué)試驗機(jī)產(chǎn)生的載荷-位移曲線，對比可看出載荷-位移曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在線形差異。這是由于力學(xué)試驗機(jī)不可避免地存在齒輪間隙、夾持端打滑等問題，使其測試得到的位移存在較大誤差，導(dǎo)致載荷-位移曲線的位移與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變不對應(yīng)，從而使載荷-位移曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生線形差異。由于3D機(jī)織復(fù)合材料單胞尺寸較大，測試時需施加的拉伸載荷比普通復(fù)合材料更高，導(dǎo)致夾持端打滑更明顯，使載荷-位移曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線形差異更加顯著。

圖7 復(fù)合材料經(jīng)向拉伸、緯向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of composites under warp and weft tension

根據(jù)試樣拉伸至斷裂的最大載荷計算復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，并通過計算圖7中應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0.1%～0.3%應(yīng)變區(qū)段的斜率得到不同緯紗規(guī)格復(fù)合材料的彈性模量，如表2所示。可看出實驗測得的拉伸強(qiáng)度、彈性模量的離散性都較小，這進(jìn)一步說明了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實驗的有效性和可靠性。另外還可發(fā)現(xiàn)隨緯紗規(guī)格增大，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，而緯向拉伸強(qiáng)度和彈性模量逐漸增高。這是因為復(fù)合材料經(jīng)向、緯向拉伸性能主要取決于承載方向的纖維體積分?jǐn)?shù)和紗線卷曲率。一方面，隨緯紗規(guī)格增大，緯向纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸提高而經(jīng)向纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。另一方面，如2.1節(jié)所述，隨緯紗規(guī)格增大，緯紗卷曲率逐漸降低而經(jīng)紗卷曲率逐漸升高。因此隨緯紗規(guī)格增加，復(fù)合材料緯向力學(xué)強(qiáng)度逐漸升高而經(jīng)向力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低。

從圖7可看到復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出了明顯的非線性。隨緯紗規(guī)格增加，復(fù)合材料經(jīng)向拉伸的非線性逐漸增強(qiáng)，而緯向拉伸的非線性逐漸減弱。這主要是由承載紗卷曲程度決定的，承載紗卷曲率越大，復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性越明顯，同時應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性越強(qiáng)，實驗結(jié)果的分散性也相應(yīng)地變大。圖8給出了不同緯紗規(guī)格復(fù)合材料切線模量隨應(yīng)變的變化曲線，可看出復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了“臺階”效應(yīng)，文獻(xiàn)[27]中稱其為“knee behavior”。這些應(yīng)力-應(yīng)變曲線首先線性增長，而后經(jīng)歷一個短暫的平臺段，然后再繼續(xù)上升，即曲線的切線模量先逐漸下降，達(dá)到拐點(diǎn)后又逐漸上升。這是由于復(fù)合材料在加載過程中首先發(fā)生基體損傷、界面破壞等，盡管此時承載紗線沒有損傷失效，但界面破壞導(dǎo)致載荷不能有效傳遞到紗線，紗線承擔(dān)的載荷減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線模量逐漸下降。由于復(fù)合材料內(nèi)經(jīng)紗、緯紗相互交織，紗線的位置固定。隨界面、基體損傷逐漸累積，界面、基體逐漸失效，此時試樣沒有由于裂紋擴(kuò)展而斷裂，紗線重新承擔(dān)起拉伸載荷，使應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線模量再次增大。從圖8還可看出承載紗線卷曲率越高，臺階效應(yīng)越明顯。這是由于承載紗線卷曲率越高，相對于與試樣拉伸方向傾斜度越大，界面更加容易在拉伸載荷下發(fā)生損傷破壞。

圖8 復(fù)合材料經(jīng)向拉伸、緯向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(SS)和切線模量(Et)Fig.8 Stress-strain curves (SS) and tangent modulus (Et) of composites under warp and weft tension

2.3 表面應(yīng)變分布

圖9展示了復(fù)合材料在經(jīng)、緯向拉伸載荷下試件的表面應(yīng)變分布。由于3D機(jī)織復(fù)合材料是各向異性和不均勻的，試件表面應(yīng)變分布是不均勻的且呈現(xiàn)出與預(yù)制體表面編織形式相關(guān)的周期性圖案。如圖9(a)所示，于經(jīng)紗拉伸載荷下，在緯紗和富含樹脂的區(qū)域顯示出高應(yīng)變值，而在經(jīng)紗區(qū)域顯示出低應(yīng)變值。緯紗規(guī)格為24K時表現(xiàn)出了與預(yù)制體編織形式一致的高應(yīng)變斜紋帶，緯紗規(guī)格為72K時的高應(yīng)變帶表現(xiàn)出一種橫紋現(xiàn)象，而緯紗規(guī)格為48K時的高應(yīng)變區(qū)為兩者的混合態(tài)。這主要是由織物結(jié)構(gòu)本身引起的，相鄰緯紗間存在一定的空隙區(qū)域。隨緯紗規(guī)格增大和經(jīng)紗卷曲變大，兩根緯紗之間樹脂富集，在經(jīng)向拉伸載荷下空隙間的樹脂產(chǎn)生高應(yīng)變，緯紗規(guī)格為72K的試件表面出現(xiàn)水平的高應(yīng)變條帶。

在緯向拉伸載荷下，高應(yīng)變區(qū)主要分布在經(jīng)紗和富含樹脂區(qū)。從圖9(b)中可看出不同緯紗規(guī)格的復(fù)合材料具有相似的試件表面應(yīng)變分布。一方面是由于相鄰經(jīng)紗相互擠壓，經(jīng)紗間基本沒有樹脂富集；另一方面是由于斜紋結(jié)構(gòu)在試件表面低應(yīng)變的緯紗在拉伸方向所占比例較大，緯紗與經(jīng)紗長度比約為3∶1。

圖9 經(jīng)向和緯向拉伸載荷下試件表面的應(yīng)變分布Fig.9 Strain distribution on specimen surfaces under warp and weft tensile loading

2.4 拉伸試件斷口形狀

圖10為不同緯紗規(guī)格的復(fù)合材料試樣沿經(jīng)、緯向拉伸的斷口形狀，可看出不同緯紗規(guī)格試樣的拉伸斷口形狀存在明顯差異。

經(jīng)向拉伸試樣的斷口形狀如圖10(a)所示。緯紗規(guī)格為24K時復(fù)合材料出現(xiàn)傾斜的拉伸斷口，與圖9(a)高應(yīng)變斜紋基本對應(yīng)。此時復(fù)合材料在經(jīng)向拉伸載荷下首先在表面基體富集的高應(yīng)變區(qū)域處發(fā)生破壞，然后逐漸向試件內(nèi)部擴(kuò)展。緯紗規(guī)格為48K的復(fù)合材料由于經(jīng)紗卷曲率高、承載能力差而先出現(xiàn)斷裂，后引起復(fù)合材料出現(xiàn)脆性斷裂，斷口垂直于加載方向且平齊。緯紗規(guī)格為72K的復(fù)合材料斷裂形式與緯紗規(guī)格為48K的復(fù)合材料類似，也是垂直于加載方向且平齊的。

圖10(b)展示了緯向拉伸試樣的斷口形狀，可見所有復(fù)合材料的斷裂面都垂直于加載方向。這是由于在緯向加載情況下主要是緯紗承擔(dān)載荷，拉伸時緯紗斷裂較早，引起復(fù)合材料出現(xiàn)脆性斷裂，斷口平齊。從斷裂形狀可看出緯紗規(guī)格為24K、48K的復(fù)合材料斷口平齊，而緯紗規(guī)格為72K的復(fù)合材料斷口表現(xiàn)出一定的鋸齒狀。這是由于緯紗規(guī)格為72K的復(fù)合材料緯紗卷曲率低，緯紗承載能力更強(qiáng)，在緯紗斷裂時試件表面高應(yīng)變區(qū)的樹脂也發(fā)生了一定的破壞。

圖10 經(jīng)向、緯向拉伸載荷下的試件斷口形狀Fig.10 Failure morphologies of specimens under warp and weft tensile loading

3 結(jié) 論

觀察并分析了不同緯紗規(guī)格的3D層-層斜紋復(fù)合材料的細(xì)觀紗線結(jié)構(gòu)，并通過實驗測試了復(fù)合材料在經(jīng)紗和緯紗方向的拉伸性能。得出的主要結(jié)論如下。

1) 隨緯紗規(guī)格增大，經(jīng)紗卷曲率逐漸增大，經(jīng)向纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，而緯紗則表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

2) 隨緯紗規(guī)格增大，經(jīng)向力學(xué)性能逐漸劣化，而緯向力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)。這主要是由承載紗線的卷曲率和纖維體積分?jǐn)?shù)決定的。

3) 承載紗線的卷曲率對復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也有很大影響。承載紗卷曲率越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線非線性(“臺階”效應(yīng))越明顯。

4) 不同緯紗規(guī)格復(fù)合材料的表面應(yīng)變分布及斷口形狀不同。緯紗規(guī)格的變化引起復(fù)合材料內(nèi)細(xì)觀紗線結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致復(fù)合材料失效機(jī)制發(fā)生變化。

附錄A

研究的3D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸實驗載荷-位移曲線如圖A1所示，可判斷拉伸極限載荷值的離散性。

圖A1 復(fù)合材料經(jīng)向拉伸、緯向載荷-位移曲線
Fig.A1 Load-displacement curves of composites under warp and weft tension