二維二軸編織鋪層復(fù)合材料壓縮性能的研究*

徐 倩 閻建華

1． 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2． 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3． 東華大學(xué)研究院，上海 201620

二維二軸編織鋪層復(fù)合材料壓縮性能的研究*

徐 倩1, 2閻建華3

1． 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2． 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3． 東華大學(xué)研究院，上海 201620

利用二維編織機(jī)，設(shè)計(jì)編織用芯模尺寸，編織成不同層數(shù)的編織鋪層復(fù)合材料。討論多層碳纖維/環(huán)氧樹脂編織鋪層復(fù)合材料的壓縮性能，并分析不同層數(shù)、不同編織角的編織鋪層復(fù)合材料的平均壓縮模量的變化規(guī)律及壓縮破壞模式。結(jié)果表明，隨著層數(shù)的增加，編織鋪層復(fù)合材料的平均壓縮模量呈下降趨勢(shì)；在同一塊編織鋪層復(fù)合材料板內(nèi)，編織角影響編織鋪層復(fù)合材料的平均壓縮模量，其隨編織角增大而減??；編織鋪層復(fù)合材料的壓縮破壞模式主要是分層現(xiàn)象較明顯，其次是樹脂剝離、碳纖維脆斷。

編織鋪層復(fù)合材料，壓縮，編織角，二維編織機(jī)

編織復(fù)合材料是近幾年發(fā)展比較迅速的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之一，由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)及材料性能可設(shè)計(jì)性和抗疲勞性能好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于航天航空、交通運(yùn)輸裝備、建筑材料等領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域占有獨(dú)特的地位。編織鋪層復(fù)合材料(國(guó)外學(xué)者大多稱其為over-braiding結(jié)構(gòu))是一種新型的立體編織結(jié)構(gòu)材料，它集編織和鋪層為一體，結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)整體性好，可根據(jù)產(chǎn)品形狀編織成復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣[1]。

關(guān)于編織復(fù)合材料的壓縮性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。但相對(duì)于拉伸、彎曲、剪切等其他力學(xué)性能而言，壓縮試驗(yàn)測(cè)試比較復(fù)雜，壓縮性能研究并沒有一個(gè)完整的研究體系，而且由于編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多樣性，其研究方向比較雜亂。

目前來(lái)說(shuō)，壓縮性能仍然是國(guó)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容之一。Naik等[2]針對(duì)0°/90°多層編織復(fù)合材料建立了一個(gè)壓縮力學(xué)模型，研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)與壓縮模量、壓縮強(qiáng)度、失效模式等因素之間的關(guān)系。Naik等[3]較為細(xì)致地討論了二維二軸編織復(fù)合材料的力學(xué)性能與紗線形狀、編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)等因素之間的關(guān)系。Chiu等[4]討論了二維三軸管狀編織的壓縮失效模式及機(jī)理。Quek等[5]研究了二維三軸編織復(fù)合材料的壓縮性能，并與管狀壓縮相對(duì)比，分析其壓縮機(jī)理。Song等[6]利用有限元法模擬二維三軸編織復(fù)合材料的壓縮過(guò)程，主要討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)及壓縮性能的預(yù)測(cè)。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也研究了不同結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料的壓縮性能。曹翠微等[7]探討了軸棒法三維四向碳/碳復(fù)合材料的壓縮性能，觀測(cè)材料在不同載荷下的壓縮現(xiàn)象，并探討其破壞機(jī)理。馬小菲等[8]、張平等[9]討論了2D圓管編織復(fù)合材料的壓縮性能，分析編織角等工藝參數(shù)對(duì)壓縮性能的影響。于平等[10]、梁仕飛等[11]采用有限元模擬的方法，研究二維編織復(fù)合材料的壓縮行為，建立了損傷模型，并與實(shí)際試驗(yàn)觀察對(duì)比，討論纖維束間隙、纖維束截面尺寸對(duì)壓縮性能的影響。

對(duì)于二維層合板的壓縮性能，不同學(xué)者討論的方向不同，其中討論沖擊后及開孔后的壓縮性能的文獻(xiàn)比較多。潘文革等[12]討論了二維編織層合板在濕熱環(huán)境下沖擊后的壓縮性能。程小全等[13]、林淡等[14]對(duì)層合板低速?zèng)_擊后的壓縮性能做了一系列探討，建立了損傷模型。許延敏等[15]研究了開孔后的層合板的壓縮性能。

在二維編織復(fù)合材料的壓縮性能研究上，大多數(shù)文章主要探討編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)壓縮性能的影響，分析其壓縮機(jī)理和破壞模式，或者借助有限元分析軟件模擬壓縮行為。本文中的二維二軸編織鋪層復(fù)合材料(over-braiding結(jié)構(gòu))采用一種結(jié)構(gòu)比較新穎的立體編織形式，主要討論編織層數(shù)的變化對(duì)編織復(fù)合材料壓縮性能的影響，以及編織層數(shù)與編織角、取樣位置與編織角和壓縮性能之間的關(guān)系，以期為該類材料在工業(yè)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供有效理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文使用的增強(qiáng)纖維是由日本東麗公司生產(chǎn)的T700S-12K型碳纖維，樹脂和固化劑是由常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的JA-02型環(huán)氧樹脂體系。碳纖維和樹脂的主要性能參數(shù)見表1。

表1 碳纖維和樹脂的主要性能參數(shù)

1.2 試樣制備

采用立體一體化編織工藝，將碳纖維紗線編織在長(zhǎng)方體形狀的芯模上，形成一個(gè)交叉網(wǎng)狀的碳纖維編織鋪層復(fù)合材料預(yù)制件。芯模長(zhǎng)100 mm，寬60 mm，高1 140 mm。圖1所示為編織原理簡(jiǎn)圖。采用二維編織機(jī)，錠速S500，芯模速度F550，其他機(jī)器運(yùn)動(dòng)參數(shù)保持不變，控制初始張力穩(wěn)定、均勻，芯模固定，沿芯模編織。

圖1 編織原理示意

編織時(shí)，在芯模上編織1層后，以此為基礎(chǔ)編織第2層，如此反復(fù)，得到試驗(yàn)所需的不同層數(shù)的編織鋪層復(fù)合材料。芯模如圖2所示，其設(shè)計(jì)為側(cè)面開槽，以便于后續(xù)裁剪編織成的預(yù)制件和固化。

圖2 芯模示意

本文討論編織鋪層復(fù)合材料的壓縮性能，試樣需要一定的厚度，故采用編織層數(shù)5、 6、 7、 8、 9。編織完成后將預(yù)制件固定，按圖3所示，沿芯模側(cè)面箭頭方向裁開，然后通過(guò)真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)，環(huán)氧樹脂與固化劑的質(zhì)量比為100∶85，固化溫度和時(shí)間依次為90 ℃×2 h、 110 ℃×1 h、 130 ℃×4 h，將預(yù)制件和樹脂固化成型得到矩形編織鋪層復(fù)合材料試樣。

圖3 預(yù)制件裁剪

1.3 壓縮試驗(yàn)

在矩形試樣上取樣，并做好標(biāo)記。取樣位置及編號(hào)如圖4所示。

表2給出了試樣編織層數(shù)和取樣位置與編織角的關(guān)系。在相同的取樣位置，隨著編織層數(shù)的增加，編織角逐漸增大。在同一試樣中，取樣位置不同，編織角也有變化。1號(hào)和3號(hào)取樣位置的編織角之間差異不大，但它們與2號(hào)取樣位置的編織角之間有明顯差異。這種現(xiàn)象在編織鋪層復(fù)合材料的生產(chǎn)實(shí)踐中客觀存在，在芯模上編織是無(wú)法避免的。其原因主要是在芯模上編織時(shí)，芯模的側(cè)面較上、下表面窄(圖2)，在整個(gè)編織過(guò)程中，紗線根數(shù)保持不變，所以在窄的側(cè)面上紗線排列緊密、編織角小，而在寬的上、下表面上紗線排列稀松、編織角大。

(a) 實(shí)物照片 (b) 示意

編織層數(shù)取樣位置123542.0°53.6°41.0°645.6°54.0°44.0°746.0°56.3°45.3°849.0°59.0°47.3°952.6°61.6°50.0°

壓縮性能的影響因素較多，加上編織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在測(cè)試過(guò)程中極易發(fā)生彎曲，試樣的形狀或尺寸的微小變化及載荷的微小偏移都會(huì)導(dǎo)致試樣屈曲或過(guò)早破壞，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)成敗至關(guān)重要。根據(jù)ASTM D6641/6641M-16和MTS 647 Hydraulic Wedge Grip 測(cè)試儀器的要求，經(jīng)切割機(jī)切割和機(jī)械砂輪打磨，得到壓縮試驗(yàn)試樣。試樣的有效壓縮長(zhǎng)度既不能太長(zhǎng)也不能太短，太長(zhǎng)測(cè)試時(shí)試樣容易彎曲，太短則不能包含完整的1個(gè)單胞結(jié)構(gòu)，無(wú)法體現(xiàn)出編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。1個(gè)花節(jié)長(zhǎng)度約12.00 mm，故試樣有效壓縮長(zhǎng)度取2個(gè)花節(jié)長(zhǎng)度，約25.00 mm。試樣長(zhǎng)105.00 mm、寬30.00 mm。夾持片長(zhǎng)度40.00 mm。試樣厚度至少3.00 mm，否則易彎曲，故編織層數(shù)最少為5[16-17]。壓縮試驗(yàn)試樣尺寸及壓縮裝置如圖5所示。

圖5 壓縮試驗(yàn)試樣尺寸及壓縮裝置

在室溫條件下，在MTS 647 Hydraulic Wedge Grip 測(cè)試儀器上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，加載速率5 mm/min。在同一位置，每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次試驗(yàn)。最終的編織鋪層復(fù)合材料成品為板狀，故纖維體積分?jǐn)?shù)采用克重法測(cè)量。克重法的測(cè)試原理是假想將增強(qiáng)纖維(即碳纖維)與樹脂分離，各自熔融成相同底面積的長(zhǎng)方體，則編織鋪層復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)可以轉(zhuǎn)化為碳纖維熔融形成的長(zhǎng)方體的高度與編織鋪層復(fù)合材料的厚度的比值[18]。其計(jì)算式：

式中：Vf——編織鋪層復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)，%；

G——編織鋪層復(fù)合材料的面密度，g/m2；

ρf——碳纖維的密度，g/cm3；

d——編織鋪層復(fù)合材料的厚度，mm。

表3給出了壓縮試驗(yàn)試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)和試樣尺寸。編織鋪層復(fù)合材料隨著編織層數(shù)的增加，其厚度增加，但纖維體積分?jǐn)?shù)的變化不大。

表3 壓縮試驗(yàn)試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)和試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平均壓縮模量

圖6給出了不同編織層數(shù)試樣在不同取樣位置的平均壓縮模量，可以看出：

圖6 試樣的平均壓縮模量

(1) 當(dāng)編織層數(shù)相同時(shí)，取樣位置不同，試樣的平均壓縮模量有明顯差異。在1號(hào)和3號(hào)取樣位置，試樣的平均壓縮模量比較接近；而在2號(hào)取樣位置，試樣的平均壓縮模量與1號(hào)、3號(hào)取樣位置有明顯區(qū)別。這表明編織角對(duì)試樣壓縮性能有很大的影響，編織角大，試樣的平均壓縮模量小。

(2) 當(dāng)取樣位置相同時(shí)，隨著編織層數(shù)增加，試樣的平均壓縮模量呈下降趨勢(shì)。隨著編織層數(shù)的增加，芯模上編織預(yù)制件的外徑越來(lái)越大，內(nèi)層纖維的編織角小于外層纖維的編織角，而且編織層數(shù)增加越多，這種差異越明顯。對(duì)于某個(gè)單層，壓縮時(shí)大部分的載荷由縱向纖維承擔(dān)，而隨著編織角的增大，碳纖維在縱向提供的分力減小。從整體來(lái)看，每個(gè)單層能夠承擔(dān)的載荷能力下降，則整體承擔(dān)載荷的能力減弱。壓縮時(shí)，每個(gè)單層并不是平均地承擔(dān)載荷，故而編織層數(shù)越多，試樣厚度越厚，這種差異越明顯，所以試樣的平均壓縮模量呈下降趨勢(shì)。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7為編織層數(shù)5、 6、 7、 8、 9的試樣在2號(hào)取樣位置的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出：

試樣在壓縮破壞前，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性狀態(tài)，在壓縮初始階段呈現(xiàn)彈性變形，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力迅速上升到最高值，然后下降，下降速度相對(duì)較緩慢。

圖7 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 失效模式及機(jī)理分析

2.3.1 壓縮后的表面形態(tài)

采用Nikon SM2 7457顯微鏡觀察壓縮試驗(yàn)后的試樣，發(fā)現(xiàn)試樣表面呈對(duì)角線破壞，裂紋與加載方向形成一個(gè)夾角，表面出現(xiàn)裂紋，類似于十字形破壞。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，試樣內(nèi)側(cè)(貼近芯模表面的一側(cè))的破壞程度明顯比試樣外側(cè)(預(yù)制件的最外層)嚴(yán)重。圖8為7層2號(hào)取樣位置試樣豎切顯微鏡觀察照片，可以看出，試樣內(nèi)側(cè)的裂紋明顯大于外側(cè)，而且隨著編織層數(shù)增多，試樣厚度越厚，這種差異越明顯。這是因?yàn)榫幙棇訑?shù)越多，試樣內(nèi)側(cè)和外側(cè)的編織角差異越大，壓縮時(shí)每個(gè)單層所承擔(dān)的載荷不一致，應(yīng)力分散、不均勻，在相同載荷下，試樣內(nèi)側(cè)的編織角小，故先于外側(cè)發(fā)生破壞。

圖8 7層2號(hào)取樣位置試樣豎切顯微鏡觀察照片(注：將編織層數(shù)為7、在2號(hào)取樣位置的試樣沿編織方向切割，然后在YM-1A型金相試樣預(yù)磨機(jī)上，依次采用號(hào)數(shù)為800、1200、2000的砂紙打磨拋光，最后在顯微鏡下觀察)

2.3.2 失效模式

在Nikon SM2 7457顯微鏡下觀察試樣壓縮破壞后的橫切面(圖9)，可以清楚地看到試樣的壓縮破壞主要是分層現(xiàn)象比較明顯，界面分離，樹脂脆斷，部分碳纖維從樹脂中被抽拔出來(lái)。纖維微屈曲和剪切破壞是復(fù)合材料縱向壓縮破壞的主要原因，纖維微屈曲后容易引起界面脫黏、層間分離。

圖9 7層2號(hào)取樣位置試樣橫切面顯微鏡觀察照片

圖10 切開后的試樣的左側(cè)、中間、右側(cè)對(duì)比

為了觀察試樣內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展情況(圖10)，將壓縮后的試樣沿壓縮方向在其中部切開，再經(jīng)打磨拋光后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)：同一塊試樣的左側(cè)、中間、右側(cè)的裂紋不一致，內(nèi)部破壞嚴(yán)重，觀察到的裂紋數(shù)也明顯較多；左側(cè)、中間、右側(cè)的裂紋集中點(diǎn)不在同一位置；從左到右，裂紋在擴(kuò)散，并呈一定方向，且裂紋與加載方向形成一定角度，裂紋延伸點(diǎn)未超過(guò)試樣有效壓縮長(zhǎng)度范圍。這是壓縮剪切現(xiàn)象。范金娟等[19]提出了壓縮剪切的概念，斷面與加載方向約成45°。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 在纖維體積分?jǐn)?shù)基本一致的情況下，對(duì)于同一塊編織鋪層復(fù)合材料，編織角會(huì)影響其壓縮性能，編織角大，材料的平均壓縮模量小。隨著編織層數(shù)增加，編織鋪層復(fù)合材料的厚度增大，其平均壓縮模量呈下降趨勢(shì)。

(2) 編織鋪層復(fù)合材料在壓縮破壞前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性狀態(tài)，在壓縮初始階段呈現(xiàn)彈性變形，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力迅速上升到最高值，然后下降，下降速度較緩慢。

(3) 編織鋪層復(fù)合材料的壓縮破壞過(guò)程中，最主要的破壞形式是分層，分層的程度介于單向布鋪層復(fù)合材料和三維編織復(fù)合材料之間。在同一試驗(yàn)條件下，隨著編織層數(shù)增加，編織鋪層復(fù)合材料的破壞程度趨于嚴(yán)重。在同一層，編織角小的內(nèi)側(cè)的破壞程度較編織角大的外側(cè)嚴(yán)重。裂紋與加載方向形成一定角度，裂紋擴(kuò)展未超過(guò)有效壓縮長(zhǎng)度范圍。

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Research on compression properties of 2D two-axis over-braiding composites

XuQian1, 2,YanJianhua3

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201600, China;2. Key Lab of Textile Science & Technology, Ministry of Education， Shanghai 201600, China；3. Research Institute of Donghua University， Shanghai 201600, China

Through the 2D vertical braiding machine, the size of braiding mandrel was designed, and the over-braiding composites with different layers were braided. The compression of the over-braiding composites with different layers made of carbon fibers and epoxy resin was discussed. The variation of average compression modulus as well as the compression failure mode of the over-braiding coposites with different layers and different braiding angles were also analyzed. The results showed that, with the number of layers increasing, the average compression modulus decreased. In the same over-braiding composite plate, the braiding angle affected the average compression modulus of the over-braiding composites, which reduced when the braiding angle increased. The compression failure mode of the over-braiding composites mainly appeared obvious delamination, following stripping of resin and brittle fracture of carbon fibers.

over-braiding composite, compression, braiding angle, 2D vertical braiding machine

*上海市科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(12521102400)；上海市教委上海高校知識(shí)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(ZF1215)

2016-10-04

徐倩，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘祭w維編織鋪層復(fù)合材料的基本力學(xué)性能

閻建華，E-mail：jh_yan@dhu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)12-0018-06