T字型三維機織物設(shè)計及其復(fù)合材料彎曲性能

呂麗華, 張雪飛, 閆淑娟, 錢永芳, 葉 方， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué)， 遼寧 大連 116034)

T字型三維機織物設(shè)計及其復(fù)合材料彎曲性能

呂麗華, 張雪飛, 閆淑娟, 錢永芳, 葉 方， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué)， 遼寧 大連 116034)

為探究不同梁高的T字型三維整體機織復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)合理設(shè)計，使用玄武巖長絲束在普通小樣織機上，低成本織造3種不同梁高的T字型三維整體機織物，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，制備T字型三維整體機織復(fù)合材料。用電子萬能試驗機測試，得到相應(yīng)的載荷-位移曲線和吸收能量-位移曲線。由實驗結(jié)果可知，梁越高的T型三維整體機織復(fù)合材料所承受的載荷和吸收的能量也越高，且不同梁高的T型三維整體機織復(fù)合材料也表現(xiàn)出不同的彎曲破壞模式。該研究結(jié)果表明，梁高對T字型三維整體機織復(fù)合材料的彎曲載荷、吸能和破壞模式影響顯著。

三維機織結(jié)構(gòu)； T字型復(fù)合材料； 彎曲性能； 玄武巖長絲束； 梁高

金屬T字梁由于比強度小，限制了其在航空航天領(lǐng)域方面的應(yīng)用。目前，鋪層的T字梁，由于厚度方向沒有纖維束，易引起分層現(xiàn)象。Shahaway等[1]研究了碳纖維鋪層增強復(fù)合材料T型梁的彎曲性能。Gendron等[2]研究了鋼筋混凝土里加入纖維制備的纖維增強復(fù)合材料T型梁的剪切性。Pye等[3]研究了玻璃纖維復(fù)合材料T型梁在建筑中使用的可行性。Hulatt等[4]分析了T型梁的截面對復(fù)合材料性能的影響。Wang等[5]論證了碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料T型梁的應(yīng)用。此外，為解決鋪層T字型紡織復(fù)合材料的分層缺陷，有學(xué)者研究了正交結(jié)構(gòu)、三明治結(jié)構(gòu)、針織及編織T字型復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)，如Lopez等[6]研究了一種正交結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料T型梁的翹曲性能,提出了解決方案。GU等[7]研究了三明治結(jié)構(gòu)T型梁的強度。張明星等[8]比較三維雙軸向間隔緯編復(fù)合材料T型梁在不同筋高下的橫向準(zhǔn)靜態(tài)彎曲性能和動態(tài)沖擊性能，并進行了模擬。張中偉等[9]采用四步法三維編織以及真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)技術(shù)制得三維編織復(fù)合材料T型梁，并對材料的彎曲疲勞性能進行研究，得出導(dǎo)致材料最終失效的主要破壞模式是筋高處纖維的斷裂。徐艷華等[10]選用不同線密度的高強高模玄武巖纖維作為增強體，乙烯樹脂作為基體，制備玄武巖纖維/乙烯復(fù)合材料，研究其彎曲性能，其彎曲破壞為韌性破壞。李嘉祿等[11]研究了三維編織復(fù)合材料T型梁的抗彎性能并進行了模擬分析，但關(guān)于T字型三維整體機織復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能的研究較少，其力學(xué)性能、破壞損傷機制及模式需進一步探究。

在T字型三維整體機織復(fù)合材料預(yù)制件的織造方面，楊彩云[12]介紹了T形、工字形異形件的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是織機需要3個經(jīng)軸，至少2把梭子，操作復(fù)雜繁瑣。Chen等[13]介紹了3種不同組織結(jié)構(gòu)，研究了織物組織及緯紗層數(shù)對其力學(xué)性能的影響。王元昌等[14]介紹了在多臂多梭箱織機上制織工字型，經(jīng)、緯向 T型異形件的可行性，但是采用的是正交分層接結(jié)的組織結(jié)構(gòu)。劉淑萍等[15]介紹了幾種異形預(yù)制件的機織工藝，但操作較繁瑣。顧平等[16]分析了T形結(jié)構(gòu)件及其衍生異型件的組織結(jié)構(gòu)及特征。陳思霞等[17]嘗試了采用角連鎖組織結(jié)構(gòu)對 T型、工字型及緯向回型3種典型的三維異形件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，而對能否在普通織機上制織沒有詳細(xì)描述。呂麗華等[18]簡介了利用普通小樣織機織制蜂窩狀及T字形三維機織物的織造方法。本文探究在普通小樣織機上經(jīng)過合理設(shè)計開發(fā)T字型三維整體機織物，通過VARTM成型工藝制備復(fù)合材料，并研究其彎曲性能。

1 實驗材料與方法

1.1 T字型三維整體機織物的設(shè)計

本文設(shè)計是緯向T字型三維整體機織物，緯向截面如圖1所示。圖中尺寸為：W1=W3≠W2、H1≠H2(W表示織物所具有的寬度，H則為其高度，A表示區(qū)域)。在織造的時候，織機幅寬會影響A的尺寸；H1、H2的大小即織物的厚度受綜框數(shù)限制，因而應(yīng)根據(jù)綜框的頁數(shù)確定緯紗的層數(shù)。

圖1中的3種T字型結(jié)構(gòu)，A1、A3區(qū)均采用3層，A2區(qū)分別為14層、7層和0層，(分別表示H1的高度即梁高，0層時則H1=0，織物為平板狀)。以A2區(qū)為14層的為例，設(shè)計其經(jīng)向截面圖和紋板圖。A2區(qū)為14層的T字型織物組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)向截面圖如圖2所示。

1)共使用16頁綜框，A1區(qū)穿入1～4頁綜框中，采用順穿，以方便邊經(jīng)穿在前綜；A2區(qū)借用1～3頁綜框采用照圖穿法；A3區(qū)穿綜順序依次為4,3,2,1。

2)穿筘：筘號45根/10 cm，A1、A3區(qū)每筘3入，A2區(qū)每筘14入。

3)紋板圖：通過觀察經(jīng)緯紗的交織情況最終可得到紋板圖，如圖3所示。

1.2 T字型三維整體機織物的織造

1.2.1 紗線和織機

為降低成本，選用600 tex的玻璃長絲束作為經(jīng)紗,2 000 tex的玄武巖長絲束作為緯紗?？棛C為普通小樣織機(Y100S，南通三思機電有限公司)，操作簡單方便，便于調(diào)整。

1.2.2 T字型三維整體機織物的上機織造

3種不同梁高的T字型三維整體機織物的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 T字型三維整體機織物參數(shù)Tab.1 Parameters of T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics

注：循環(huán)根數(shù)是指一個結(jié)構(gòu)單元所需要的經(jīng)紗根數(shù)。

1.3 T字型三維整體機織復(fù)合材料的制備

VARTM成型工藝操作簡單、方便、安全、成本低，室溫條件下即可固化[19]。樹脂選用雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂(EPOVIA?RF-1001)，固化劑為過氧化甲乙酮，促進劑為辛酸鈷，三者的體積比為100∶4∶2(采用燃燒法,測試梁高為0的T字型三維整體機織復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)為46.7%;梁高6 mm的為48.2%;梁高12 mm的為50.4%)。

1.4 彎曲性能測試

參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行材料彎曲性能測試，試樣規(guī)格為長110 mm，寬15 mm，梁高分別取0，6，12 mm。每組測試3個試樣得其最優(yōu)載荷-位移曲線，跨距選用60 mm。每個同樣的試樣測試3條載荷-位移曲線。每組最大載荷值、平均值及方差如表2所示，得其最優(yōu)載荷-位移曲線，跨距選用60 mm。用微機控制電子萬能試驗機(RG Y-5)加載速度為2 mm/min，測試載荷-位移曲線，圖4示出彎曲裝置示意圖。

表2 每組最大載荷值、平均值及方差Tab.2 Each group of maximum load value

2 實驗結(jié)果

2.1 載荷與位移曲線

3種不同梁高的T字型三維整體機織復(fù)合材料的載荷與位移曲線如圖5所示。從圖可看出，初始階段載荷與位移曲線呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，在位移達到一定值后，表現(xiàn)為非線性特點。探究其原因可能為：1)在載荷-位移曲線的初始階段，表現(xiàn)為線性，此時T字型三維整體機織復(fù)合材料的增強材料和雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂黏結(jié)良好，是一個整體，二者一起發(fā)生變形。且三維整體機織復(fù)合材料與錐頭接觸面區(qū)域試樣受到擠壓，而其背面區(qū)域受到拉伸，初始階段表現(xiàn)較好的線性趨勢。2)隨著位移的增大，T字型三維整體機織復(fù)合材料與錐頭接觸面區(qū)域增大，試樣承受的壓應(yīng)力逐漸增大。此時，由于T字型三維整體機織復(fù)合材料的增強材料和雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂變形變量不同，T字型三維整體機織物的紗線發(fā)生滑移，從而使得T字型三維整體機織復(fù)合材料的增強材料與雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯間的界面發(fā)生破壞。載荷與位移曲線表現(xiàn)為非線性階段。3)當(dāng)載荷與位移曲線達到最大值時，T字型三維整體機織復(fù)合材料發(fā)生彎曲破壞現(xiàn)象，如纖維斷裂、樹脂開裂。此時，載荷主要由纖維來承擔(dān)，曲線曾現(xiàn)微小波動。隨著應(yīng)力集中導(dǎo)致材料中結(jié)構(gòu)薄弱位置的纖維陸續(xù)發(fā)生斷裂。由于材料結(jié)構(gòu)內(nèi)層間剪切應(yīng)力的存在，纖維與樹脂還可能發(fā)生脫黏和剝離現(xiàn)象，由于試樣中的經(jīng)紗、緯紗都處于不同程度的屈曲狀態(tài)，在承受最大載荷時，延緩了對試樣的破壞，曲線未表現(xiàn)出急劇下降。可看到，隨著位移的增加，載荷逐漸增大，材料在承受最大載荷點的附近，曲線未表現(xiàn)出急劇下降，而是表現(xiàn)出較小波動后再逐漸下降，這主要是因為作為復(fù)合材料增強體的T字型三維整體機織物，其組織是疏松正交角連鎖結(jié)構(gòu)，具有較好的彈性形變，延緩了外部載荷對材料的破壞。

從圖5可明顯看出，梁高為12 mm的T字型三維整體機織復(fù)合材料可承受的載荷最大，其次是梁高為6 mm，梁高為0的T字型三維整體機織物可承受的最大載荷最小。

2.2 吸收能量曲線

3種不同梁高的T字型三維整體機織復(fù)合材料的吸收能量-位移曲線如圖6所示。由圖可見：在施加載荷的初始階段，能量吸收量較少，曲線表現(xiàn)為緩慢增長，試樣整體共同承擔(dān)載荷；隨著位移的增加，纖維逐漸斷裂，基體發(fā)生破碎，纖維與樹脂脫黏和剝離，材料逐漸被破壞，其吸收的能量越多。梁高越大，材料吸收能量越多。

2.3 破壞模式

2.3.1 彎曲后試樣的表面形態(tài)

圖7示出3種不同梁高的T字型三維整體機織復(fù)合材料在微機控制電子萬能實驗機上測得的最終彎曲破壞實際圖。3種不同梁高的試樣承載能力不同，彎曲變形的程度也不同，可是均沒有發(fā)生完全的彎曲破壞。

實驗過程中，壓頭首先與材料的背面接觸，破壞狀態(tài)并不顯著，但隨位移的增加，材料的表面出現(xiàn)樹脂開裂和清脆的斷裂聲，載荷通過界面向增強體內(nèi)部和附近傳遞，直至在應(yīng)力集中處發(fā)生開裂現(xiàn)象，通過觀察彎曲破壞的位置和形貌，復(fù)合材料的梁高越大，被破壞情況越嚴(yán)重，由于受到人為因素的限制和組織結(jié)構(gòu)的原因，使得梁和底板接結(jié)處比較薄弱，有稍許撕裂現(xiàn)象，但并未產(chǎn)生分層。

2.3.2 彎曲破壞損傷機制

在加載過程中可看出，試樣在受到彎曲作用時，梁高為0的試樣并沒有發(fā)生整體破壞，只是在受拉面和受壓面產(chǎn)生了基體的開裂，受拉面基體開裂顯著，頂端有少許纖維斷裂但在受壓面未發(fā)現(xiàn)纖維斷裂，顯然受拉面損傷較嚴(yán)重。破壞模式的不同造成了試樣兩面破壞的不同，受拉面為拉伸破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂和纖維的斷裂；受壓面為壓縮破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂等破壞。

梁高為6 mm和12 mm的試樣破壞位置主要是在A2區(qū)和A1、A3區(qū)接結(jié)處，受拉面發(fā)生基體的開裂，未看到纖維的斷裂，受壓面纖維束和基體有稍許剝離現(xiàn)象，造成這種情況的原因是在施加載荷過程中，層間基體所受的剪切應(yīng)力先達到極值，當(dāng)層間的應(yīng)力大于纖維和樹脂黏著層強度的極值時，便會發(fā)生纖維與樹脂脫黏和層間剝離現(xiàn)象，即受拉面為拉伸破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂和纖維的斷裂；受壓面為剪切破壞，主要體現(xiàn)在纖維束和基體界面的分離和在剪切應(yīng)力下纖維的斷裂等等。

3 結(jié) 論

1)合理設(shè)計緯向T字型三維機織物的經(jīng)向截面圖、上機參數(shù)、上機圖設(shè)計和織造步驟等，在普通小樣織機上，成功試織了不同梁高的T字型三維整體機織物。通過VARTM成型工藝將3種不同梁高的T字型三維整體機織物預(yù)制件制備成復(fù)合材料。

2)測試了3種不同梁高的T字型三維整體機織復(fù)合材料，在加載速度為2 mm/min下的準(zhǔn)靜態(tài)彎曲性能，分析得到載荷-位移曲線、能量吸收曲線、材料破壞模式及機制。從實驗所得的載荷-位移曲線和吸收能量-位移曲線關(guān)系圖來看，隨著位移的增加，梁越高的T型復(fù)合材料所能承受的載荷和吸收的能量也都越高，表現(xiàn)為梁高為12 mm的材料所能承載的載荷和吸收的能量最大，梁高為6 mm的材料次之，梁高為0的材料最小。從材料最終破壞形態(tài)來看，梁高為0的材料為平板狀，其破壞表現(xiàn)為典型的彎曲破壞模式，正面受壓縮破壞，背面受拉伸破壞；而梁高為6 mm和12 mm的材料則正面表現(xiàn)為壓縮破壞，背面為剪切破壞。其中基體開裂、纖維與樹脂脫黏和纖維斷裂等破壞是材料彎曲破壞時主要的吸收能量方式。

FZXB

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Design of T-shaped three-dimensional woven fabric and bending properties of composites

Lü Lihua, ZHANG Xuefei, YAN Shujuan, QIAN Yongfang, YE Fang, ZHAO Yuping

(DalianPolytechnicUniversity,Liaoning,Dalian116034,China)

For exploring the bending properties of T-shaped three-dimensional integrated woven composites with different beam depths, by reasonable design, three kinds of T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics with different high beam depths are woven from basalt fiber filaments on a common loom with low cost. The T-shaped three-dimensional integrated woven composites with different beam depths were produced by vacuum assisted resin transfer molding. Then, the composites were tested by an electronic universal testing machine, and the load-displacement curves and absorption energy-displacement curves were obtained. Results showed that the higher the beam depth, the greater the values of the load and absorbed energy on the composites. The T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics with different high beam depths showed different bending failure patterns. The results indicated that the bending load, energy absorption and failure pattern of the T-shaped three-dimensional integrated woven composites were significantly affected by the beam depth.

three-dimensional woven structure; T-shaped composite; bending properties; basalt fiber filament; beam depth

10.13475/j.fzxb.20160101706

2016-01-12

2016-07-22

遼寧省自然科學(xué)基金項目(201602051)

呂麗華(1978—)，女，副教授，博士。研究方向為三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能。E-mail: lvlh@dlpu.edu.cn。

TS 101.2

A