織物結構對復合材料力學性能影響的試驗研究

李麗英，孟松鶴 ，許承海，張 濤，王國勇，劉建軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學 復合材料與結構研究所，哈爾濱 150001;2.航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074;3.中國人民解放軍陸軍軍官學院，合肥 230031)

碳纖維以輕質(zhì)高強、耐熱耐腐蝕、抗蠕變等優(yōu)點成為十分重要的增強材料，已被廣泛應用于航空航天等領域［1－4］.目前碳纖維的應用主要以增強體的形式來實現(xiàn)，因此，近年來對其增強復合材料的研究受到研究者的普遍重視.作為增強體，如何將纖維的優(yōu)良性能充分發(fā)揮是研究的重點之一.以織物形式作為復合材料的增強體可以較好地發(fā)揮纖維的力學性能，具有整體性好、工藝可操作性好等優(yōu)點.

目前應用于復合材料構件的典型碳纖維織物形式主要有經(jīng)編織物及平紋織物.選用合適的增強體結構不僅會影響復合材料的外觀效應，還會影響復合材料的力學性能［4－7］.因此，研究不同結構形式碳纖維織物對復合材料力學性能的影響具有十分重要的意義.

近年來，聲發(fā)射技術作為動態(tài)無損檢測的一種重要方法，在復合材料損傷檢測和破壞機理研究起到的作用被越來越多的科學工作者所重視［8－14］.GIORDANO M等利用聲發(fā)射技術研究了碳纖維熱固性復合材料受到拉伸時的聲發(fā)射信號，研究結果表明，纖維的斷裂有明顯的頻譜特征［15］.AMILCAR Q等對碳纖維增強復合材料的靜態(tài)拉伸和疲勞測試過程中聲發(fā)射信號的研究結果表明，加載條件對聲發(fā)射信號特征有顯著影響［16］.SIRON O等則利用聲發(fā)射技術研究了纖維增強復合材料的損傷機理［17］.

為了探討不同結構形式織物對復合材料力學性能的影響及其損傷破壞機制之間的差異，本文制備了經(jīng)編、平紋兩種碳纖維織物復合材料，對其進行單軸拉/壓實驗，從宏觀角度研究了兩種材料的拉/壓性能，應用聲發(fā)射技術對其損傷破壞過程進行監(jiān)測，并對其破壞后試樣的斷口進行觀察，分析了不同結構形式織物復合材料力學性能及破壞機制之間的差異，以期為碳纖維復合材料的設計提供一定的參考，同時為碳纖維增強樹脂基復合材料聲發(fā)射特性基礎數(shù)據(jù)研究打下一定基礎.

1 實驗

1.1 原材料

基體樹脂采用6808環(huán)氧樹脂，自研;增強材料選用T700－3K碳纖維織物，平紋織物的面密度為(205±10)g/m2，經(jīng)編織物的面密度為(270±10)g/m2，經(jīng)編織物中針織紗為滌綸纖維，緯向有玻璃纖維襯紗，中簡科技發(fā)展有限公司.

1.2 層合板制備

為了避免環(huán)境條件或人為操作誤差導致的試驗件性能波動，采用雙真空袋真空輔助成型(VARI)工藝一次性制備所需層合板，制備的層合板具有基本相同的厚度和纖維體積分數(shù)，材料性能具有可比性.層合板鋪層為(－45°/0°/45°/90°)2s準各向同性鋪層，厚度均為2 mm，鋪層結束后60℃定型1 h，在此溫度下注入6808樹脂，待所有出膠口無氣泡排出時停止注膠，130℃固化 2.5 h.

1.3 性能測試

分別按 GB/T 1447—2005、GB/T 5258—2008規(guī)范的要求加工拉伸、壓縮試樣，每組有效試樣數(shù)量不少于5個，試樣幾何結構如圖1所示.拉伸試驗在ZWICK/Z100試驗機上進行，加載速度為1 mm/min.壓縮試驗在Instron 5569試驗機上進行，加載速度1 mm/min.在試驗過程中使用了PAC公司的PCI－2全數(shù)字式聲發(fā)射儀，用寬頻探頭采集聲發(fā)射信號.

圖1 拉伸及壓縮試樣幾何尺寸及形狀(單位:mm)

2 結果與分析

2.1 織物結構形式對復合材料拉伸性能的影響

拉伸性能是最基本的材料力學性能，主要受纖維性能影響較大.表1所示為經(jīng)編及平紋織物復合材料拉伸性能參數(shù).由表1可以看出，經(jīng)編織物的平均拉伸強度為635 MPa，拉伸斷裂應變?yōu)?.39%;平紋織物的平均拉伸強度為592 MPa，拉伸斷裂應變?yōu)?.12%，經(jīng)編織物復合材料的拉伸強度及拉伸斷裂應變均高于平紋織物復合材料.

表1 經(jīng)編及平紋織物復合材料的拉伸試驗數(shù)

在纖維種類及纖維體積含量、鋪層方式基本相同的情況下，碳纖維復合材料的拉伸強度主要與纖維的平直狀態(tài)有關［5，18］.圖2為經(jīng)編織物及平紋織物的表面形貌光學顯微鏡照片.由圖2可以看出，經(jīng)編織物中纖維都是平行順直排列，織物中纖維不存在彎曲現(xiàn)象，這使得拉伸過程中所有纖維能夠同時承受外來載荷，又同時發(fā)生形變，能充分發(fā)揮織物中纖維的性能，很好地避免了由于屈曲效應導致的纖維性能不能充分發(fā)揮的問題，使得經(jīng)編織物復合材料的拉伸強度較高［19－20］.平紋織物由一條經(jīng)紗反復上、下交替的編織在緯紗上，無法避免織物中紗線的彎曲變形，導致紗線的強度利用系數(shù)較低，因此，與經(jīng)編織物相比，平紋織物復合材料在拉伸性能的宏觀比較上表現(xiàn)為拉伸強度較低，拉伸斷裂應變也較低［5，19］.

利用聲發(fā)射技術對經(jīng)編及平紋織物拉伸過程中的損傷進行監(jiān)測.由于準各向同性鋪層復合材料的結構中包含有±45°、90°、0°方向的鋪層纖維，其損傷模式比單向鋪層復合材料的損傷模式復雜的多，包含有層間開裂、45°鋪層的剪切破壞、90°鋪層的橫向開裂及0°鋪層的纖維斷裂.在聲發(fā)射的波形振動信號中包含了上述所有的信息.為了完整地記錄材料體系本身的損傷復雜性，在試驗中采用兩臺計算機分別采集聲發(fā)射信號，采樣頻率調(diào)整為100kHZ，通過時間軸對應關系分析聲發(fā)射信息中所包含的損傷行為，通過測量電壓信號得知材料發(fā)生損傷的時刻以及材料體系在測試過程中所表現(xiàn)出的損傷密集程度.

圖3所示為經(jīng)編及平紋織物復合材料拉伸過程中采集到的聲發(fā)射電壓信號強度與時間的關系以及拉伸應力與時間的關系.

圖2 不同結構形式織物的表面形貌

圖3 復合材料拉伸試驗中的聲發(fā)射信號/應力隨時間的變化關系

由圖3可以看出，對于經(jīng)編織物及平紋織物，初始載荷小于40 MPa時幾乎沒有檢測到聲發(fā)射電壓信號，這表明初始時沒有損傷產(chǎn)生，完全是彈性狀態(tài).而后隨著時間的增加，載荷逐漸增加，聲發(fā)射電壓信號有較小變化，但此時對應的電壓信號整體強度相對較小，且加載一段時間后，聲發(fā)射電壓信號密集度和強度均降低，說明這個階段開始有少量的損傷且損傷的能量較低，由于初始階段載荷較小(＜200 MPa)，所以初步判斷這一階段的破壞主要是由材料的原始缺陷引起的低能量損傷，如孔隙、富樹脂區(qū)域等.與經(jīng)編織物相比，平紋織物在此階段的聲發(fā)射電壓信號密集度較高，這是由于平紋織物中經(jīng)向和緯向纖維束相互交錯編織，在編織花節(jié)位置形成如圖4所示的孔隙，在此位置形成富樹脂區(qū)，導致平紋織物的原始缺陷較多，且纖維束相交為高應力區(qū)，是基體最容易產(chǎn)生損傷的區(qū)域［21－22］.

圖4 平紋織物的顯微結構

當載荷大于200 MPa時，隨著載荷的增加，聲發(fā)射信號密集度及強度均大幅度增加.此階段的損傷主要為界面損傷、層間開裂及部分45°方向鋪層的剪切引起的纖維束撕裂.隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射信號強度達到最大，說明材料中發(fā)生高幅度損傷，也就是0°方向纖維發(fā)生斷裂，并伴隨部分45°鋪層的剪切破壞.與經(jīng)編織物相比，平紋織物復合材料的整體聲發(fā)射信號密集度較高而強度較低，這與試驗得出的平紋織物復合材料拉伸強度較低相對應，同樣是由于平紋織物中纖維的屈曲效應使得纖維性能不能充分發(fā)揮，在拉伸載荷作用下更易發(fā)生損傷導致的.

圖5為經(jīng)編及平紋織物復合材料拉伸斷口顯微照片.由圖5可以看出，經(jīng)編織物復合材料拉伸斷口參差不齊，伴隨大量分層，斷口方向大致與加載方向成45°.而平紋織物復合材料拉伸斷口相對較齊平，斷口方向大致與加載方向成90°.與經(jīng)編織物相比，平紋織物中的經(jīng)紗和緯紗每隔一根紗線交織一次，結構比較穩(wěn)定，強度在兩個方向上基本一致，使得準各向同性鋪層時平紋織物的整體性較好，因此，斷口相對齊平，未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象.

圖5 經(jīng)編及平紋織物復合材料拉伸試樣斷口形貌

2.2 織物結構形式對復合材料壓縮性能的影響

壓縮性能是材料的基本靜態(tài)性能，也是材料力學性能數(shù)據(jù)的基本構成.對于準各向同性的層合板，面內(nèi)壓縮性能能夠較準確的反映不同材料之間壓縮性能的差異.表2所示為壓縮試驗所得到的經(jīng)編及平紋織物復合材料試樣數(shù)據(jù).

表2 經(jīng)編及平紋織物復合材料的壓縮試驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，經(jīng)編織物復合材料的面內(nèi)壓縮強度為502 MPa，最大壓縮應變?yōu)?.44%;平紋織物復合材料的面內(nèi)壓縮強度為450 MPa，最大壓縮應變?yōu)?.14%.與經(jīng)編織物相比，平紋織物復合材料的壓縮強度及最大壓縮應變均較小.這是由于平紋織物中碳纖維處于彎曲狀態(tài)，而纖維的初始微屈曲是復合材料的一種缺陷，在壓縮載荷作用下，易產(chǎn)生界面拉應力，同時，如前述討論，徑向和緯向纖維束相交處的富樹脂區(qū)也是一種原始缺陷，在壓縮載荷下易產(chǎn)生損傷，引起復合材料壓縮強度和壓縮斷裂應變的降低［21－24］.

圖6為經(jīng)編及平紋織物復合材料壓縮過程中采集到的聲發(fā)射電壓信號強度與時間的關系以及壓縮應力與時間的關系.由圖6可以看出，對于經(jīng)編及平紋織物，初始階段聲發(fā)射電壓信號基本不變，隨載荷逐漸增加，電壓信號開始波動，但信號強度較小，持續(xù)時間較短，仍然判斷此階段主要是原始缺陷引發(fā)的損傷.隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射電壓信號強度逐漸增大，持續(xù)時間逐漸增加，此階段的損傷為基體開裂及界面損傷為主，同時伴隨部分45°纖維剪切破壞及少量纖維束內(nèi)斷裂.在壓縮過程末期，平紋織物復合材料聲發(fā)射電壓信號突發(fā)性增強，瞬間達到最大值，纖維束發(fā)生斷裂.而經(jīng)編織物復合材料的聲發(fā)射電壓信號中有較長的振動過渡區(qū)，揭示了界面分層擴展的演化歷程.

圖6 復合材料壓縮試驗中的聲發(fā)射信號/應力隨時間的變化關系

圖7所示為經(jīng)編及平紋織物復合材料壓縮斷口顯微照片.由圖7可以看出，在兩種復合材料的宏觀破壞模式中都包含由45°纖維剪切破壞、分層、0°纖維斷裂等，但經(jīng)編織物復合材料纖維束的斷口較為參差不齊，分層現(xiàn)象顯著，而平紋織物復合材料的斷口相對較齊平，分層現(xiàn)象不明顯.同樣是由于平紋織物復合材料的編織結構較穩(wěn)定，整體性較好，使得纖維束幾乎同時被壓斷，因此，斷口比較齊平.

圖7 經(jīng)編及平紋織物復合材料壓縮試樣斷口形貌

3 結論

1)碳纖維織物的結構形式對復合材料的力學性能有較大影響.與經(jīng)編織物相比，平紋織物復合材料的拉伸、壓縮性能較差，且其拉伸、壓縮破壞試樣的斷口相對齊平，分層現(xiàn)象不明顯.

2)聲發(fā)射技術可以較好地應用于碳纖維樹脂基復合材料的損傷監(jiān)測，測試結果表明，兩種碳纖維織物復合材料拉、壓過程中試件的破壞過程為加載初期是原始缺陷損傷，隨后是界面或纖維的薄弱處以及少部分纖維束斷裂損傷，最后是大量纖維束斷裂引起試驗件的最終失效.與經(jīng)編織物相比，平紋織物拉、壓過程的聲發(fā)射電壓信號相對穩(wěn)定且整體強度較低.

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