經(jīng)緯向纖維體積比例對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

焦亞男，仇普霞，紀(jì)高寧，徐雪偉

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

經(jīng)緯向纖維體積比例對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

焦亞男1，仇普霞1，紀(jì)高寧2，徐雪偉1

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

以T800碳纖維為原材料，制備5種不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制件，并以其為增強(qiáng)材料制備了T800碳/環(huán)氧2.5D機(jī)織復(fù)合材料.通過進(jìn)行拉伸、彎曲、壓縮3種實(shí)驗(yàn)，分析比較經(jīng)緯向纖維體積比例對(duì)力學(xué)性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：2.5D機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向力學(xué)性能與該方向的纖維體積含量相關(guān)；當(dāng)經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出經(jīng)、緯向均衡的力學(xué)性能；此外，還表明指數(shù)函數(shù)可以較好地?cái)M合不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能.

T800碳纖維；2.5D機(jī)織復(fù)合材料；力學(xué)性能；經(jīng)緯向纖維體積比例；指數(shù)函數(shù)擬合

2.5D機(jī)織復(fù)合材料是三維紡織復(fù)合材料領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，具有優(yōu)異的整體受力性能以及材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域，如運(yùn)輸火箭的箭體、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)中，蘊(yùn)藏著巨大的應(yīng)用潛力[1-2].目前，眾多學(xué)者考慮了預(yù)制件結(jié)構(gòu)、混編原料或測(cè)試方式等因素，對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能開展了實(shí)驗(yàn)研究[3-11]，楊彩云等[7-10]評(píng)價(jià)了4種不同結(jié)構(gòu)2.5D機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)、緯向的拉伸性能，并測(cè)試了沿0°、30°、45°、60°、90°方向拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度和模量，分析了2.5D機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系.但是實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中比較關(guān)注經(jīng)緯兩向纖維體積比例對(duì)材料力學(xué)性能的影響，對(duì)此文獻(xiàn)鮮見述及.本文通過研究經(jīng)緯向纖維體積比例對(duì)T800碳纖維增強(qiáng)2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，期待為2.5D機(jī)織復(fù)合材料性能的精確設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)T800碳纖維的編織工藝性進(jìn)行驗(yàn)證.本文采用日本東麗T800碳纖維，在工藝允許范圍內(nèi)制備了5種常用經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制件，并以其為增強(qiáng)材料，采用RTM工藝制備了T800碳/環(huán)氧2.5D機(jī)織復(fù)合材料，沿經(jīng)、緯紗方向進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲力學(xué)性能測(cè)試，研究了2.5D機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能與經(jīng)緯向體積比例的關(guān)系，并對(duì)典型試樣拉伸斷裂后的斷面形貌進(jìn)行宏觀照片和SEM觀察，探討其破壞機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 織物組織結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)體為2.5D機(jī)織預(yù)制件，由經(jīng)紗和緯紗2個(gè)系統(tǒng)紗線相互垂直交織而成，經(jīng)紗不僅在平面內(nèi)沿縱向配置，還沿厚度方向以一定深度與角度同緯紗交織，織物結(jié)構(gòu)不易分層，呈整體性.在理想狀態(tài)下，經(jīng)紗呈屈曲狀態(tài)，緯紗呈伸直狀態(tài).其三維示意圖如圖1所示[9].

圖1 2.5D機(jī)織預(yù)制件的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of 2.5D performs

1.1.2 經(jīng)/緯紗密度

經(jīng)/緯紗密度指沿預(yù)制件緯/經(jīng)紗方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的經(jīng)/緯紗根數(shù).本文通過調(diào)整經(jīng)/緯紗密度與經(jīng)/緯紗的合股數(shù)來實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯向纖維體積比例的變化.2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)單元示意圖如圖2所示[12].

圖2 結(jié)構(gòu)單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of 2.5D performs unit

圖2中：a為織物厚度方向一個(gè)單元體的厚度（mm）；b為相鄰兩單元體交織狀態(tài)相同的兩根經(jīng)紗間的距離（mm）；c為相鄰兩單元體交織狀態(tài)相同的兩根緯紗間的距離（mm）；h為同一單元體中相鄰兩根緯紗間的距離（mm）.

根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系可知：

式中：Pj、Pw分別為預(yù)制件的經(jīng)、緯紗密度（根/cm）.

1.1.3 纖維體積含量

在2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗呈正弦分布，將經(jīng)紗置于圖3所示的平面直角坐標(biāo)系內(nèi).

圖3 經(jīng)紗形態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of warp

圖3所示經(jīng)紗正弦曲線的方程：

則經(jīng)紗長(zhǎng)度為：

1.1.4 預(yù)制件的織造

本試驗(yàn)預(yù)制件均是在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自行研制的立式織機(jī)上進(jìn)行織造.根據(jù)經(jīng)緯向密度的設(shè)計(jì)，共織造5種不同經(jīng)緯向纖維比例參數(shù)的預(yù)制件，如表1所示.

表1 預(yù)制件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of performs

1.1.5 復(fù)合固化

復(fù)合固化由航天材料及工藝研究所承擔(dān)，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM），選用基體材料為TDE-85環(huán)氧樹脂（4，5-環(huán)氧環(huán)乙烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯），固化劑為甲基四氫苯酐（MTHDA），促進(jìn)劑為N，N-二甲基芐胺（BDMH）.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料分別進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲性能測(cè)試，測(cè)試儀器為日本AG-250KNE型萬能材料試驗(yàn)機(jī).試驗(yàn)速率設(shè)定為2 mm/min.

目前，尚無適用2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以航天材料及工藝研究所標(biāo)準(zhǔn)DqES77-98《塑料及纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》為依據(jù)；壓縮性能試驗(yàn)以航天材料及工藝研究所標(biāo)準(zhǔn)QJ1403A-2004《纖維增強(qiáng)塑料薄板壓縮性能試驗(yàn)方法》為依據(jù)；彎曲性能試驗(yàn)參考國(guó)標(biāo)GB/T1449-2005，采用三點(diǎn)彎曲測(cè)定.試樣尺寸見表2，形狀見圖4、圖5.為保證試樣測(cè)試時(shí)端部不首先破壞，在試樣兩端粘貼鋁制加強(qiáng)片，采用機(jī)械加工法進(jìn)行制備.

表2 試樣尺寸Tab.2 Size of samples mm

圖4 拉伸、壓縮試樣形狀Fig.4 Shape of tensile and compressive sample

圖5 彎曲試樣形狀Fig.5 Shape of bending sample

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表3—表5為不同經(jīng)緯向纖維體積比例T800碳/環(huán)氧2.5D機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)、緯紗方向的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果.隨著緯向纖維體積比例的增加，經(jīng)向拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度及模量降低，緯向則呈相應(yīng)增加的趨勢(shì).此外，拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度及模量對(duì)經(jīng)緯向纖維體積含量變化的敏感程度不同，例如，對(duì)于經(jīng)向強(qiáng)度而言，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度差異可達(dá)3.7倍左右，經(jīng)向壓縮強(qiáng)度差異約1.9倍，經(jīng)向彎曲強(qiáng)度差異僅約1.5倍.經(jīng)向或緯向的最大強(qiáng)度和模量均出現(xiàn)在同種復(fù)合材料中.

表3 拉伸強(qiáng)度及拉伸模量Tab.3 Tensile strength and tensile modulus

表4 壓縮強(qiáng)度及壓縮模量Tab.4 Compression strength and compression modulus

表5 彎曲強(qiáng)度及彎曲模量Tab.5 Flexure strength and flexure modulus

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合處理

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終選擇指數(shù)函數(shù)對(duì)力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明R2值接近1，說明指數(shù)函數(shù)是2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能較好的擬合形式，與實(shí)驗(yàn)值符合較好.圖6為典型的利用指數(shù)函數(shù)沿經(jīng)、緯紗方向拉伸強(qiáng)度的擬合曲線圖，R2值分別為0.980 7和0.977 5，表6為對(duì)不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度和模量的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果.

2.3 纖維體積比例對(duì)力學(xué)性能的影響

由表2-表4數(shù)據(jù)結(jié)合表6擬合結(jié)果可知，在纖維體積含量基本相同的情況下，隨著緯向纖維體積比例的增加，緯向的拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度以及彈性模量均呈正比例增加的趨勢(shì)，這是由于受力方向的纖維增多，強(qiáng)度增大的緣故；而經(jīng)向拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度及彈性模量則隨著緯向纖維體積比例的增加而減小，這是由于緯向纖維體積比例的增加使得經(jīng)紗彎曲程度隨之增大的緣故，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的降低.這說明在2.5D機(jī)織復(fù)合材料中，在可變的經(jīng)緯向纖維體積比例范圍內(nèi)，隨著某一方向體積比例的增多，2.5D機(jī)織復(fù)合材料沿該方向的力學(xué)性能隨之增大.

圖6 典型拉伸強(qiáng)度指數(shù)函數(shù)擬合曲線圖Fig.6 Exponential function fit curve of tensile properties

表6 指數(shù)函數(shù)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.6 Exponential function fit results

同時(shí)，N1試樣具有經(jīng)緯向最均衡的拉伸、壓縮和彎曲性能.這說明當(dāng)經(jīng)緯向纖維體積比例為1∶0.5時(shí)，2.5D機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)、緯向力學(xué)性能大致相同，表現(xiàn)出各向同性的特征.當(dāng)經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5而不是1∶1時(shí)，即經(jīng)、緯紗線細(xì)度相同，經(jīng)緯紗線排列密度分別為8根/cm和4根/cm，經(jīng)紗密度是緯紗密度的2倍，而復(fù)合材料的經(jīng)、緯向強(qiáng)度和模量卻相對(duì)均衡.這是因?yàn)樵?.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)中，所有的緯紗均趨于伸直狀，對(duì)緯向性能的貢獻(xiàn)大，而所有的經(jīng)紗在結(jié)構(gòu)中呈正弦曲線狀彎曲，相應(yīng)削弱了經(jīng)紗對(duì)經(jīng)向性能的貢獻(xiàn)，可見，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，呈直線狀態(tài)的紗線比彎曲狀態(tài)的紗線貢獻(xiàn)大.

由此可見，2.5D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和彎曲力學(xué)性能具有可設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)者可通過適當(dāng)調(diào)整經(jīng)緯向體積比例的相互配置，從而獲得所需指定方向的力學(xué)性能.

2.4 宏觀斷口形貌及破壞機(jī)理

以典型試樣拉伸斷裂為例，對(duì)試樣破壞機(jī)理進(jìn)行分析.圖7為典型試樣宏觀斷口形貌，可知，2.5D機(jī)織復(fù)合材料試樣斷口較規(guī)則，均呈現(xiàn)細(xì)短齒狀平斷口，纖維束呈明顯的正應(yīng)力拉斷特征.

圖7 2.5D機(jī)織復(fù)合材料拉伸斷口宏觀照片F(xiàn)ig.7 Photos of fracture surface of 2.5D woven composites

通過SEM微觀照片進(jìn)一步分析復(fù)合材料拉伸破壞機(jī)理，圖8是2.5D機(jī)織復(fù)合材料拉伸斷裂后斷口SEM照片.

圖8 2.5D機(jī)織復(fù)合材料拉伸斷口SEM照片F(xiàn)ig.8 SEMs of fracture surface of 2.5D woven composites

由圖8（a）可以看出，經(jīng)向纖維呈一定角度交叉狀，經(jīng)向纖維束主要是纖維拉剪斷裂破壞，在纖維與基體的界面上開裂嚴(yán)重，成束的纖維從斷口的界面處拔出.由圖8（b）可以看出，緯向纖維束幾乎完全被分開，主要是沿經(jīng)向纖維束方向的分束破壞，同時(shí)還有緯向纖維自身的斷裂破壞.由圖8（c）可以看出，纖維與基體粘結(jié)較好，存在纖維拔出的痕跡.由圖8（d）可以看出，樹脂基體呈現(xiàn)明顯的塑性變形特征，具有清晰的剪切帶，這是由于基體的拉伸應(yīng)變大于纖維，在拉剪應(yīng)力作用下，首先在纖維間的基體中產(chǎn)生了剪切變形，表現(xiàn)為基體的塑性變形.

3 結(jié)論

通過本試驗(yàn)的研究，分析了不同經(jīng)緯向纖維體積比例對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向拉伸、壓縮、彎曲性能的影響.試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：

（1）2.5D機(jī)織復(fù)合材料中，在工藝允許的經(jīng)緯向纖維體積比例范圍內(nèi)，隨著某一方向體積比例的增多，2.5D機(jī)織復(fù)合材料沿該方向的力學(xué)性能隨之增大.

（2）在2.5D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)中，呈直線狀態(tài)的紗線比彎曲狀態(tài)的紗線貢獻(xiàn)大.當(dāng)經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出經(jīng)緯向均衡的力學(xué)性能.

（3）指數(shù)函數(shù)可以較好地?cái)M合不同經(jīng)緯向纖維體積比例與2.5D機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能之間的定量關(guān)系.

（4）通過觀察拉伸試樣的宏觀斷口照片和SEM照片，探討了2.5D機(jī)織復(fù)合材料拉伸破壞機(jī)理.試樣斷口較規(guī)則，纖維束呈明顯的正應(yīng)力拉斷特征，纖維間的基體呈現(xiàn)明顯的塑性變形.

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Mechanical properties of 2.5D woven composites with different volume rates in warp and weft directions

JIAO Ya-nan1，QIU Pu-xia1，JI Gao-ning2，XU Xue-wei1
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology，Beijing 100076，China）

T800 carbon fibers were made into 2.5D woven fabric with five volume rates in warp and weft directions.Then they were used as the reinforcing materials to produce 2.5D woven composites.By tensile，bending，and compression，the influence of volume rates in warp and weft directions on 2.5D woven composites were analyzed. The experimental results show that the warp and weft mechanical properties of 2.5D woven composites are positively related to the fiber content in that direction.When volume rates reach 1∶0.5，the composites show a balanced mechanical properties.Moreover，it also shows that the exponential function can be used to fit mechanical properties of 2.5D woven composites with different volume rates in warp and weft directions.

T800 carbon fiber；2.5D woven composites；mechanical properties；volume rates in warp and weft directions；exponential function fit

TB332；TS101.923

A

1671－024X（2015）03－0001－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.001

2015-01-15

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA03A201）；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JCYBJC16800）

焦亞男（1971—），女，教授，研究方向?yàn)槿S紡織復(fù)合材料.E-mail：jiaoyn@tjpu.edu.cn