三維編織與層合復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)

張 迪， 鄭錫濤， 孫 穎， 范獻(xiàn)銀

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院， 西安710072； 2.天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所， 天津 300160)

三維編織與層合復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)

張 迪1， 鄭錫濤1， 孫 穎2， 范獻(xiàn)銀1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院， 西安710072； 2.天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所， 天津 300160)

對(duì)比研究利用相同碳纖維、基體和相同制備工藝(RTM)加工的三維多向編織和層合板復(fù)合材料的力學(xué)性能。四種三維多向編織結(jié)構(gòu)分別利用三維四向、三維五向、三維六向和三維七向編織工藝制備；三種層合復(fù)合材料利用簾子布制成，分別為0°單向板、90°單向板和層合板[0/(±45)2/90]2s。采用相同的拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)方法對(duì)各類試樣進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：與三維編織試樣相比，0°單向板的拉伸和壓縮性能最高，而其他層合試樣的各項(xiàng)性能均較低；對(duì)于編織試樣，編織角越小，縱向拉伸和壓縮性能越高，剪切性能越低；編織結(jié)構(gòu)也是影響編織試樣力學(xué)性能的重要因素。同時(shí)，對(duì)試樣的破壞模式也進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)編織結(jié)構(gòu)和編織角是影響材料破壞模式的重要因素。

復(fù)合材料；三維編織；試驗(yàn)；力學(xué)性能；破壞模式

近30年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量針對(duì)三維編織復(fù)合材料的研究工作[1～10]。三維編織復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合材料具有很多傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)點(diǎn)，它突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的概念，具有復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)互鎖結(jié)構(gòu)，且克服了傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板層間性能弱、抗沖擊性能差等弱點(diǎn)，目前已在航空航天、生物醫(yī)療、體育用品等方面得到應(yīng)用[11～13]。文獻(xiàn)[14～19]分別對(duì)三維四向、五向和六向編織復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、壓縮以及彎曲力學(xué)性能及破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究，李翠敏等[20]研究三維四向、五向編織復(fù)合材料的剪切性能及剪切破壞模式，鐘崇巖等[21]研究不同編織方法對(duì)三維全五向編織復(fù)合材料拉伸性能的影響，曹海建等[22]對(duì)比研究三維全五向和三維五向編織復(fù)合材料的壓縮性能。

但截至目前，從碳纖維復(fù)合材料體系來(lái)看，前期大量研究工作主要是針對(duì)層合復(fù)合材料或者單一編織結(jié)構(gòu)制備的三維編織復(fù)合材料的獨(dú)立研究，鮮有利用相同原材料和相同工藝制備的不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的對(duì)比研究。目前主要缺少兩個(gè)方面問(wèn)題的研究：(1)三維編織復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合材料，缺少其與傳統(tǒng)經(jīng)典層合復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比研究；(2)三維編織包含三維四向、三維五向、三維六向和三維七向等編織結(jié)構(gòu)，缺少不同編織結(jié)構(gòu)制備的編織材料的力學(xué)性能對(duì)比研究。這在很大程度上阻礙三維編織復(fù)合材料的相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用。

本工作首次對(duì)比研究利用相同碳纖維、基體和相同制備工藝(RTM)加工的多種三維多向編織和層合復(fù)合材料的力學(xué)性能，以期通過(guò)試驗(yàn)分析三維編織復(fù)合材料與層合復(fù)合材料之間力學(xué)性能的差異，同時(shí)分析不同編織結(jié)構(gòu)和編織角對(duì)三維編織材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

分別對(duì)三維編織復(fù)合材料與層合復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、壓縮和剪切三類試驗(yàn)。三維編織試樣分為四種編織結(jié)構(gòu)(三維四向、三維五向、三維六向和三維七向)和兩種編織角(20°和40°)；層合板試樣鋪層分別為0°單向板、90°單向板和多向?qū)雍习?，其中多向?qū)雍习邃亴有问竭x用航空工程中常用的具有代表性的對(duì)稱均衡鋪層方式[0/(±45)2/90]2s。所有試樣均選用T700-12K碳纖維為增強(qiáng)相、TDE86環(huán)氧樹(shù)脂為基體相。各類試樣的纖維體積含量如表1所示，試樣均由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備。

拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039進(jìn)行，拉伸試樣長(zhǎng)度和寬度分別為250mm和25mm(0°單向板寬度為15mm)，厚度為3.5mm，拉伸試樣兩端粘貼長(zhǎng)為50mm，寬為25mm，厚為2mm的鋁制加強(qiáng)片，見(jiàn)圖1。壓縮試驗(yàn)參照ASTM D6641標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用組合加載壓縮(CLC)試驗(yàn)夾具，壓縮試樣長(zhǎng)度和寬度分別為140mm和12mm，厚度為3.5mm，見(jiàn)圖2。剪切試驗(yàn)參照ASTM D5379 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，剪切試樣長(zhǎng)76mm，寬為20mm，厚為5mm，缺口高度為10mm，見(jiàn)圖3。所有力學(xué)性能試驗(yàn)均在室溫環(huán)境下由型號(hào)為CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成，拉伸試驗(yàn)加載速率設(shè)置為2mm/min，壓縮試驗(yàn)加載速率設(shè)置為1.3mm/min，剪切試驗(yàn)加載速率設(shè)置為2.0mm/min。所有試樣均采用電阻應(yīng)變片采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，電阻應(yīng)變片正反面對(duì)稱粘貼，參見(jiàn)圖1、圖2和圖3。每組有效試樣5件。

表1 各類試樣纖維體積含量(%)

(注：0°代表0°單向板，90°代表90°單向板，Laminate代表多向?qū)雍习澹?D4d代表三維四向，3D5d代表三維五向；A和B分別代表20°和40°編織角，其余以此類推)

圖1 拉伸試樣幾何尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimens

圖2 壓縮試樣幾何尺寸Fig.2 Dimensions of compressive specimens

圖3 剪切試樣幾何尺寸Fig.3 Dimensions of shear specimens

三維編織試樣的制作過(guò)程為：首先所有試樣均根據(jù)要求厚度采用相應(yīng)的編織工藝編織成預(yù)成型件，然后采用樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)固化成型，最后嚴(yán)格按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸及精度要求裁剪成標(biāo)準(zhǔn)試樣，裁剪不會(huì)影響試樣的基本力學(xué)性能。雖然三維編織剪切試樣V型缺口的加工會(huì)造成一部分的纖維斷裂，但是在剪切力所作用的剪切平面上纖維依舊完好，所以所測(cè)性能依舊能夠代表材料的剪切性能。

2 結(jié)果與分析

各類試樣的拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表2中所列數(shù)據(jù)為每組五個(gè)試樣的平均值。從表中可以看出，對(duì)于拉伸和壓縮性能，各類試樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果離散系數(shù)基本都在15%以內(nèi)；而剪切試樣的試驗(yàn)結(jié)果離散系數(shù)較大。下面將對(duì)比分析各類試樣的力學(xué)性能。

2.1 三維編織復(fù)合材料與層合復(fù)合材料性能對(duì)比

各類試樣力學(xué)性能對(duì)比如圖4所示。對(duì)于縱向拉伸和壓縮性能，彈性模量與強(qiáng)度分布規(guī)律基本一致，0°單向板最高，90°單向板最低，三維多向編織試樣均高于多向?qū)雍习逶嚇?。?duì)于剪切性能，三維多向編織試樣普遍高于單向板和多向?qū)雍习逶嚇?。因?yàn)閺?fù)合材料的縱向性能主要由纖維束決定，在纖維體積含量相同情況下，0°單向板縱向纖維含量最多，90°單向板無(wú)縱向纖維，三維編織試樣纖維在空間呈網(wǎng)狀互鎖交錯(cuò)分布，等效到縱向的纖維含量高于多向?qū)雍显嚇樱嗜S編織試樣強(qiáng)度和模量高于多向?qū)雍习逶嚇印?/p>

表2 各類試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)

圖4 編織與層合試樣力學(xué)性能對(duì)比 (a)縱向拉伸強(qiáng)度；(b)縱向壓縮強(qiáng)度；(c)剪切強(qiáng)度；(d)縱向拉伸模量；(e)縱向壓縮模量；(f)剪切模量Fig.4 Mechanical properties comparison between braided and laminated structures (a)longitude tensile strength;(b)longitude compressive strength;(c)shear strength;(d)longitude tensile modulus;(e)longitude compressive modulus;(f)shear strength modulus

2.2 不同編織結(jié)構(gòu)和編織角的三維編織材料性能對(duì)比

●If finding frost in the morning, spread ashes of yak dung and firewood directly on crops.

圖5對(duì)比了四種編織結(jié)構(gòu)在兩種內(nèi)部編織角下的縱向拉伸、壓縮和剪切性能。

從圖5可以看出，編織結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能有所影響。對(duì)于內(nèi)部編織角為20°的四種編織試樣，三維五向編織試樣的縱向性能最高，其拉伸強(qiáng)度略低于三維四向編織試樣，這主要是由于兩種試樣的編織紗線行列數(shù)不同以及三維五向復(fù)雜的編織結(jié)構(gòu)使得編織過(guò)程中容易對(duì)紗線造成損傷導(dǎo)致的。縱向拉壓強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律基本一致，三維四向編織試樣的剪切性能最高。這主要是因?yàn)樵诶w維體積含量相同時(shí)，三維五向編織試樣由于加入了第五向軸紗，直接導(dǎo)致縱向性能的提高，和剪切性能的降低，而六向和七向試樣增加橫向和法向紗，這對(duì)縱向性能幾乎沒(méi)有影響，但導(dǎo)致縱向性能的降低，也不足以彌補(bǔ)剪切性能的下降，所以在四種編織試樣中三維五向編織試樣的縱向性能必然最高，三維七向編織試樣的力學(xué)性能最低。對(duì)于內(nèi)部編織角為40°的四種編織試樣，三維六向編織試樣的縱向拉壓性能最高，縱向拉壓強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律基本一致，這與20°編織角時(shí)得到的結(jié)論不一致。由于編織角較大，在縱向加載過(guò)程中，纖維和基體更容易分離，從而產(chǎn)生裂紋，而三維六向編織結(jié)構(gòu)引入了緯紗，緯紗有效地減緩了裂紋的生長(zhǎng)速率，并且使編織紗和軸紗更有效地結(jié)合在一起，提高試樣的模量和強(qiáng)度，而當(dāng)法向紗加入后，編織結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，等效到縱向的纖維含量明顯降低，同時(shí)也提高了孔隙率，從而導(dǎo)致縱向拉壓性能大幅下降。三維四向編織試樣的剪切性能依然最高，并隨著縱向、橫向和法向紗的引入，剪切性能逐漸降低。

圖5 不同編織結(jié)構(gòu)力學(xué)性能對(duì)比 (a)縱向拉伸強(qiáng)度；(b)縱向壓縮強(qiáng)度；(c)剪切強(qiáng)度；(d)縱向拉伸模量；(e)縱向壓縮模量；(f)剪切模量Fig.5 Mechanical properties comparison of different braided structures (a)longitude tensile strength;(b)longitude compressive strength;(c)shear strength;(d)longitude tensile modulus;(e)longitude compressive modulus;(f)shear strength modulus

編織結(jié)構(gòu)相同時(shí)，20°編織角試樣的拉伸和壓縮性能普遍高于40°編織角試樣，40°編織角試樣的剪切性能普遍高于20°編織角試樣，只有圖5c中編織角為20°的三維五向編織剪切試樣例外，這可能是由于試驗(yàn)誤差所致。因拉壓性能主要由纖維束在縱向的承載能力決定，而剪切性能主要由纖維束在±45°方向的承載能力決定，因此，當(dāng)編織角較小時(shí)，纖維束在縱向的承載能力加強(qiáng)而在±45°方向的承載能力減弱，故而縱向拉伸、壓縮性能較高而剪切性能較低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，內(nèi)部編織角對(duì)材料的拉伸、壓縮和剪切性能有顯著影響，內(nèi)部編織角越小，縱向拉伸與壓縮彈性模量和拉伸強(qiáng)度越高，剪切模量和強(qiáng)度越低。

3 破壞方式的分析與討論

拉伸試驗(yàn)加載直到試樣斷裂，壓縮和剪切試驗(yàn)加載到試樣發(fā)出斷裂聲且試驗(yàn)機(jī)操作界面顯示的載荷出現(xiàn)明顯下降時(shí)停止，并認(rèn)為所加載荷已經(jīng)達(dá)到試樣的破壞載荷，試樣發(fā)生破壞。由于層合復(fù)合材料的破壞模式分析已經(jīng)相當(dāng)充分，本工作主要討論三維編織復(fù)合材料的破壞模式。

3.1 拉伸破壞模式

圖6給出了拉伸試樣的破壞模式。拉伸試樣的破壞模式比較分散，有中間工作段橫向斷裂(圖6a)，有靠近加強(qiáng)片處的橫向斷裂(圖6b)，有沿表面取向角方向的斷裂(圖6c)和縱向劈裂(圖6d)。它們的破壞模式主要是纖維和基體的斷裂，橫向斷裂的斷口方向基本與試樣的加載方向垂直，且斷口較平整，表明試樣受力均勻。出現(xiàn)縱向劈裂的試樣全是內(nèi)部編織角為20°的試樣(三維四向2件，三維五向2件，三維七向1件)，因?yàn)閮?nèi)部編織角越小，編織紗對(duì)試樣的橫向力學(xué)性能貢獻(xiàn)越小，對(duì)試樣縱向劈裂的抑制作用越?。涣硗庥捎谌S四向和三維五向編織試樣沒(méi)有第六向軸紗，試樣的橫向性能較弱，故也會(huì)導(dǎo)致縱向劈裂，后續(xù)可以通過(guò)材料的橫向試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

圖6 拉伸試樣破壞模式 (a)工作段橫向斷裂(3D7d-B)；(b)靠近加強(qiáng)片處的橫向斷裂(3D4d-B)；(c)沿表面取向角方向的斷裂(3D4d-A)；(d)縱向劈裂(3D5d-A)Fig.6 Failure characteristics of tensile specimens (a)transverse rupture on working section(3D7d-B);(b)transverse rupture near strengthening plate(3D4d-B);(c)fracture along the surface orientation angle(3D4d-A)；(d) longitudinal fracture(3D5d-A)

3.2 壓縮破壞模式

壓縮試樣的破壞模式分散性小，圖7給出了壓縮試樣的典型破壞模式。編織角為20°的三維四向與五向編織壓縮試樣的破壞模式與其他編織試樣不一致，靠近試樣端部沿表面取向角方向發(fā)生斷裂，而不是在試樣中間發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)剪切破壞模式，如圖7a所示。這是因?yàn)樗鼈兌既鄙倭蚣?，所以橫向性能較弱，而且與40°編織角相比，20°編織角試樣的編織紗對(duì)橫向性能貢獻(xiàn)小，故導(dǎo)致試樣產(chǎn)生上述破壞模式。編織角為40°的三維四向和五向編織試樣都是在試樣中部產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)壓潰，破壞模式如圖7b所示，說(shuō)明三維編織復(fù)合材料的破壞機(jī)制與編織角有較大關(guān)系。此外，三維六向編織試樣的壓縮破壞出現(xiàn)在試樣中部，呈劈裂模式，如圖7c所示，三維七向編織試樣的破壞均發(fā)生在中部，圖7c，d為其主要破壞模式。觀察以上試樣的斷口，可以看出壓縮破壞模式主要是纖維屈曲、纖維壓剪斷裂、基體壓剪斷裂及纖維與基體界面分離等剪切破壞。

3.3 剪切破壞模式

圖8給出了剪切試樣中典型的破壞模式。層合試樣主要表現(xiàn)為橫向開(kāi)裂和分層，如圖8a所示，這主要是因?yàn)閷雍显嚇釉谕粚由侠w維分布較為均勻，而不同層上所承擔(dān)的剪切載荷不同；而三維編織復(fù)合材料主要表現(xiàn)為橫向的剪切斷裂以及斷口附近沿編織方向的基纖分離，這主要是因?yàn)槿S編織試樣的編織紗線呈空間網(wǎng)狀互鎖結(jié)構(gòu)，在紗線交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)力較為集中，比較容易發(fā)生斷裂和基纖分離。

圖7 編織試樣的壓縮破壞模式 (a)沿表面取向角的斷裂(3D4d-A)；(b)中部壓潰破壞(3D4d-B)；(c)壓縮劈裂(3D6d-A)；(d)壓縮剪切斷裂(3D7d-A)；Fig.7 Failure characteristics of compressive specimens (a)fracture along the surface orientation angle(3D4d-A); (b)crushing in the center(3D4d-B);(c)compression splitting(3D6d-A);(d)Compression shear fracture(3D7d-A)

圖8 剪切試樣的破壞模式 (a)橫向開(kāi)裂與分層(層合板)；(b)橫向剪切斷裂(3D4d-A)Fig.8 Failure characteristics of shear specimens (a)transverse rupture and delamination (laminate)；(b)transverse shear fracture(3D4d-A)

4 結(jié)論

(1)通過(guò)三維編織試樣和層合試樣的性能對(duì)比可知，除了0°單向板的縱向力學(xué)性能最好外，三維編織復(fù)合材料的拉、壓、剪性能普遍高于典型多向?qū)雍习濉?/p>

(2)對(duì)20°編織角的材料，三維五向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最高；對(duì)40°編織角材料，三維六向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最高；編織角為20°和40°的三維七向編織結(jié)構(gòu)其縱向力學(xué)性能均最差；對(duì)于相同編織角的編織復(fù)合材料，編織結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，剪切性能越差。

(3)編織材料的編織角越小，則材料的縱向力學(xué)性能越好，剪切性能越差。

(4)三維多向編織復(fù)合材料的破壞模式主要是基體開(kāi)裂和纖維斷裂。拉伸試驗(yàn)中，拉伸試樣的破壞模式較分散，有垂直于加載方向的橫向斷裂，也有沿加載方向的縱向劈裂；壓縮試驗(yàn)中，壓縮試樣破壞模式較典型，出現(xiàn)了沿表面取向角方向的斷裂模式；剪切試驗(yàn)中，編織試樣的破壞模式主要是沿橫截面的斷裂。

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Comparative Investigation of Mechanical Properties between 3D Braided and Laminated Composites

ZHANG Di1， ZHENG Xi-tao1， SUN Ying2， FAN Xian-yin1

(1. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Institute of Composite Materials, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China;)

The mechanical properties between three-dimensional (3D) braided and laminated composites were comparatively studied. These two sorts of composites were produced by the same carbon fiber, resin matrix and the same preparation process (RTM). There were totally four kinds of 3D multi-directionally braided composites, which contain 3D four-direction (3D4d), 3D five-direction (3D5d), 3D six-direction (3D6d) and 3D seven-direction (3D7d) braiding respectively. And the three kinds of laminated composites manufactured utilizing tire cord fabric were 0°, 90° and[0/(45)2/90]2slaminates. The mechanical properties of braided and laminated specimens were measured by the same tension, compression and shear testing methods. The results show that the properties of laminated composites are worse than that of 3D-braided composite except 0° unidirectional laminates. As to the braided composites, the smaller the braiding angle is, the better longitudinal properties and worse shear properties are. The braiding fabric is also an important factor which affects the mechanical properties. Meanwhile, the failure modes were also discussed, and the results show that, braiding fabric and the braiding angle are the main factors that affect the failure mode.

composites; three-dimensional braid; experiment; mechanical property; failure mood

2014-11-12；

2014-12-26

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)意新種子基金(Z2015045)；陜西省國(guó)際科技合作與交流計(jì)劃項(xiàng)目(2015KW-017)

鄭錫濤(1964—)，男，教授，研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)合材料力學(xué)性能宏細(xì)觀分析，(E-mail)zhengxt@nwpu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.015

TB332

A

1005-5053(2015)03-0089-08