碳/芳綸混編三維編織復(fù)合材料拉伸性能

孫 穎， 劉俊嶺， 鄭園園， 陳 利， 李嘉祿(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

碳纖維三維編織復(fù)合材料的整體纖維空間網(wǎng)狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，克服了層合復(fù)合材料易分層、厚度方向強(qiáng)度低、損傷擴(kuò)展快等缺點(diǎn)[1]，逐漸應(yīng)用于航空航天、火箭推進(jìn)、建筑、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料斷裂方式大都表現(xiàn)為脆性斷裂，改善其脆性的方法有2種：1)樹脂基體增韌。有研究表明樹脂韌性提高25倍，其復(fù)合材料斷裂韌性僅提高8倍，同時(shí)這種增韌手段降低了復(fù)合材料的某些力學(xué)性能，且污染環(huán)境[3]；2)纖維混雜。利用高伸長(zhǎng)率纖維與碳纖維混雜，可提高碳纖維復(fù)合材料的韌性，使混雜復(fù)合材料在強(qiáng)度、模量滿足使用要求的同時(shí)，又能提高碳纖維復(fù)合材料的斷裂韌性[4-5]。

諸多學(xué)者分析了混雜方式和混雜比對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：張宗強(qiáng)等[6]通過將碳纖維、芳綸纖維交替混編制備混編三維織物增強(qiáng)錦綸復(fù)合材料，并對(duì)其沖擊強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量進(jìn)行了測(cè)試，分析了彎曲性能的混雜效應(yīng)。結(jié)果表明，在纖維總體積不變的情況下，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量提高，且在碳纖維體積含量為18%時(shí)達(dá)到最大值；Kostar等[7]研究了碳纖維與芳綸纖維混雜比為1∶1、混雜方式為雙側(cè)混編的三維四向編織復(fù)合材料的拉伸性能，認(rèn)為混編復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量比芳綸纖維三維編織復(fù)合材料高，而失效應(yīng)變比芳綸纖維三維編織復(fù)合材料低；方丹丹等[8]研究了以玻璃纖維為編織紗，碳纖維為軸紗和碳/玻璃纖維按一定規(guī)律交替排列作為軸紗的玻璃/碳纖維混編復(fù)合材料的沖擊和沖擊后彎曲性能，并與玻璃纖維編織復(fù)合材料作了對(duì)比，認(rèn)為當(dāng)軸紗排列為碳纖維/玻璃纖維/碳纖維時(shí)，混編復(fù)合材料的抗沖擊性能最好。纖維混雜方式主要包括束內(nèi)混雜和束間混雜2種；束內(nèi)混雜工序?qū)w維造成二次損傷，束內(nèi)混雜不均勻，混雜后紗線內(nèi)部張力不勻造成預(yù)制件織造困難，易引起結(jié)構(gòu)不均勻；而束間混雜則會(huì)在一定程度上避免以上情況發(fā)生。

數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)擁有非接觸的全場(chǎng)光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)[9]，能夠準(zhǔn)確有效地在線記錄試樣在實(shí)驗(yàn)過程中表面的變形情況和損傷發(fā)展過程，近年來已有很多學(xué)者將其用在了復(fù)合材料的性能測(cè)試中[10-11]。本文借助DIC技術(shù)表征了碳/芳綸纖維分別為編織紗和軸紗的三維五向、三維六向編織復(fù)合材料的縱向拉伸性能，計(jì)算得到泊松比；通過相近纖維體積含量下碳纖維編織復(fù)合材料的表面應(yīng)變對(duì)比分析，得出混雜方式和編織結(jié)構(gòu)對(duì)碳/芳綸編織復(fù)合材料拉伸性能影響及其斷裂模式。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣準(zhǔn)備

碳纖維(T700-12 K，日本東麗公司)、芳綸纖維(K49，美國(guó)杜邦公司)，線密度為1 580 dtex×4。預(yù)制件在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自研編織機(jī)上完成，結(jié)構(gòu)為三維五向、三維六向編織結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中：“○”為編織紗掛紗點(diǎn)；“□”為軸紗掛紗點(diǎn)；“—”為襯入的六向紗。預(yù)制件表面局部形貌如圖2所示(橫向?yàn)閤方向，縱向?yàn)閥方向)。試樣命名方式為編織結(jié)構(gòu)、混編方式，其中：3D5d和3D6d分別表示三維五向和三維六向編織結(jié)構(gòu)；CA表示碳纖維為編織紗、芳綸纖維為軸紗/六向紗的混編方式；AC、CC同理。

圖1 紗線排列方式Fig.1 Arrangements of yarns

圖2 預(yù)制件表面局部形貌照片F(xiàn)ig.2 Local morphologies photo of preforms

采用樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Moulding, RTM)成型工藝對(duì)預(yù)制件進(jìn)行復(fù)合固化，基體選用天津晶東化學(xué)復(fù)合材料有限公司的TDE 86#環(huán)氧樹脂。稱量法計(jì)算纖維體積含量[12]，材料參數(shù)如表1所示。

1.2 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

參考GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，為使DIC能夠有效采集測(cè)試時(shí)試樣表面圖像信息，需將試樣表面用黑、白漆制成灰斑，制斑前后的試樣如圖3所示，其中橫向?yàn)閥方向，縱向?yàn)閤方向。

表1 三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Micro structure parameters of 3-D braided composite

圖3 制斑前后試樣Fig.3 Non-speckled (a) and speckled (d) samples

拉伸實(shí)驗(yàn)在島津AG-250KNE萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，十字頭速率為2.0 mm/min，采用ARAMIS 5 M (GOM 3D LTD, Germany) 三維應(yīng)變光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)采集試樣在拉伸過程中的圖像信息，如圖4所示。

圖像采集頻率為1 Hz，使用軟件ARAMIS v6.3進(jìn)行圖像相關(guān)分析得到試樣表面的全場(chǎng)應(yīng)變。利用ZQ-800型切割機(jī)(上海光相制樣設(shè)備有限公司)對(duì)殘樣進(jìn)行縱向切割，三維顯微鏡(Leica，×35.5)，數(shù)字顯微鏡(VH-Z500R，×500)進(jìn)行斷面觀察。

2 結(jié)果及分析

各組典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，曲線初始階段近似線性。相同編織結(jié)構(gòu)，碳纖維為軸紗的試樣失效應(yīng)力和曲線斜率大于芳綸纖維為軸紗試樣；相同混雜模式下，六向紗的引入使得3D6d編織復(fù)合材料中軸紗發(fā)生一定程度的屈曲，3D6d編織復(fù)合材料的曲線斜率低于3D5d。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves

各組試樣拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂伸長(zhǎng)率和泊松比均值及偏差如表2所示。預(yù)制件在編制過程中，打緊動(dòng)作以及紗線間相互摩擦?xí)?duì)紗線造成一定程度的損傷，由于芳綸纖維柔韌性好，受損傷較小，軸紗縱向取向度高，因此軸紗有效利用率高于編織紗。3D6d-CC中六向紗的引入使得編織紗和軸紗的損傷更為嚴(yán)重，因此其拉伸強(qiáng)度最低；3D5d-CA和3D6d-CA較3D5d-CC和3D6d-CC軸紗斷裂伸長(zhǎng)率高，在編織紗受損程度相近時(shí)，其斷裂伸長(zhǎng)率得到了顯著提高；3D5d-AC和3D6d-AC較3D5d-CC和3D6d-CC編織紗損傷降低且斷裂伸長(zhǎng)率提高，在碳纖維仍為軸紗時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和模量與3D5d-CC和3D6d-CC相近，而斷裂伸長(zhǎng)率有了一定程度的提高。

相同混雜模式下，3D6d編織復(fù)合材料中六向紗的引入使得編織紗屈曲程度加大，且交織點(diǎn)處應(yīng)變不協(xié)調(diào)導(dǎo)致交織點(diǎn)處應(yīng)力集中，減弱了3D6d復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量，同時(shí)六向紗的存在阻礙了復(fù)合材料的橫向變形。

表2 各組試樣縱向拉伸性能Tab. 2 Longitudinal tensile properties of samples in each group

各組典型試樣的橫、縱向應(yīng)變曲線如圖6所示，各試樣泊松比在實(shí)驗(yàn)過程中變化不大，3D5d、3D6d編織復(fù)合材料在拉伸過程中變形協(xié)調(diào)。3D5d編織復(fù)合材料泊松比遠(yuǎn)高于 3D6d，六向紗的引入使得3D6d編織復(fù)合材料的橫向變形受到限制；而混雜方式對(duì)材料的泊松比影響較小。

各組典型試樣拉伸破壞的微觀斷口(橫向?yàn)閥方向，縱向?yàn)閦方向)如圖7所示。芳綸纖維的加入改善了碳纖維三維編織復(fù)合材料脆性斷裂特征。相同編織結(jié)構(gòu)，3D5d-CC和3D6d-CC的斷口較為整齊，斷口處碳纖維呈現(xiàn)脆性斷裂特征，而3D5d-CA、3D5d-AC、3D6d-CA和3D6d-AC的斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征，芳綸纖維抽拔黏連及原纖化現(xiàn)象嚴(yán)重。六向紗的加入則使得復(fù)合材料出現(xiàn)了沿寬度方向的應(yīng)力集中和纖維/基體界面，相同混雜模式下，三維五向編織復(fù)合材料的斷口呈現(xiàn)鋸齒狀，而三維六向編織復(fù)合材料的斷口較為平齊。

圖6 橫縱向應(yīng)變曲線Fig.6 Transverse-longitudinal strain curves

各組典型試樣的時(shí)間-縱向應(yīng)變曲線及全場(chǎng)縱向應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。云圖反映試樣工作段100 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬)區(qū)域的表面應(yīng)變信息，取樣間隔100 s直至試樣斷裂。3D5d-CC、3D5d-CA、3D6d-CC和3D6d-CA的編織紗為碳纖維，在測(cè)試時(shí)此種試樣變形較小，呈脆性斷裂，如圖7(a)～(e)；芳綸韌性較好，3D5d-AC和3D6d-AC在測(cè)試時(shí)試樣呈韌性斷裂，纖維有黏連如圖7(c)、(f)。

圖7 縱向拉伸破壞微觀形貌Fig.7 Local morphologies of longitudinal tensile fracture

從縱向應(yīng)變?cè)茍D得出，試樣的應(yīng)變呈現(xiàn)宏觀均勻性，細(xì)觀周期性。三維五向編織復(fù)合材料的表面高應(yīng)變區(qū)沿表層編織紗交織點(diǎn)均勻分布，三維六向編織復(fù)合材料的表面高應(yīng)變區(qū)則是整體上沿六向紗分布。三維五向編織復(fù)合材料在承受拉伸載荷過程中，編織紗取向有一定程度的調(diào)整，易在交織點(diǎn)處形成應(yīng)力集中，由于三維六向紗的引入在一定程度上限制了三維六向編織復(fù)合材料中編織紗取向調(diào)整，因此在三維六向紗處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中狀態(tài)。

3 結(jié) 論

圖8 試樣縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線和表面全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Longitudinal strain-time curves and surface full-field strain contours of samples

1)相同編織結(jié)構(gòu)，碳纖維為軸紗、芳綸纖維為編織紗的三維五向、六向編織復(fù)合材料在不損失拉伸強(qiáng)度和模量的情況下提高了復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率；芳綸纖維為軸紗、碳纖維為編織紗的三維五向、六向編織復(fù)合材料雖然顯著提高復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率，但其拉伸強(qiáng)度和模量損失較為明顯。相同混雜模式下，三維五向編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量較三維六向高。

2)試樣的應(yīng)變呈現(xiàn)宏觀均勻性，細(xì)觀周期性。三維五向編織復(fù)合材料的表面高應(yīng)變區(qū)沿表層編織紗交織點(diǎn)均勻分布，三維六向編織復(fù)合材料的表面高應(yīng)變區(qū)則是整體上沿六向紗分布。

3)泊松比受編織結(jié)構(gòu)影響較大，受混編方式影響較小。各試樣的泊松比在拉伸過程中基本保持不變，說明了試樣在拉伸過程中變形協(xié)調(diào)性較好。

FZXB

[1] 李嘉祿, 魏麗梅, 楊紅娜. 碳纖維三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸和彎曲性能的影響[J]. 材料工程, 2004(12):3-7.

LI Jialu, WEI Limei, YANG Hongna. Influence of Structures of darbon fiber three dimensional braiding composites on their tensile and bending properties[J]. Journal of Materials Engineering, 2004(12):3-7.

[2] BILISIK K. Three-dimensional braiding for composites: a review[J]. Textile Research Journal, 2013,83(13):1414-1436.

[3] CHEN S F, JANG B Z. Fracture behavior of interleaved fiber-resin composites[J]. Composites Science and Technology, 1991,41(1):77-97.

[4] SWOLFS Y, GORBATIKH L, VERPOEST I. Fibre hybridisation in polymer composites: a review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014,67:181-200.

[5] 曾金芳, 喬生儒, 丘哲明,等. F-12/CF混雜復(fù)合材料縱向拉伸性能研究[J]. 固體火箭技術(shù). 2004,27(1):60-63.

ZENG Jinfang, QIAO Shengru, QIU Zheming, et al. Study on longitudinal tensile properties of F-12/CF hybrid composites[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2004,27(1):60-63.

[6] 張宗強(qiáng), 王玉林, 萬怡灶,等. 三維混雜碳纖維/芳綸纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J]. 宇航材料工藝, 2004(1):38-41,6.

ZHANG Zongqiang, WANG Yulin, WAN Yizao, et al. Study on mechanical properties of 3D-braided carbon fiber/kevlar fiber hybrid composites[J].Aerospace Materials & Technology, 2004(1):38-41,6.

[7] KOSTAR T D, CHOU T W, POPPER P. Characterization and comparative study of three-dimensional braided hybrid composites[J]. Journal of Materials Science, 2000,35(9):2175-2183.

[8] 方丹丹, 閻建華. 三維五向編織玻纖/碳纖環(huán)氧樹脂混雜復(fù)合材料沖擊性能和沖擊后彎曲性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2014(7):57-61.

FANG Dandan，YAN Jianhua. Investigation on impact and post-impact flexural property of 3D five-direction braided carbon/glass hybrid epoxy composites[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2014(7):57-61.

[9] ZHANG D, ANTHONY M W, YEN C. Progressive damage and failure response of hybrid 3D textile composites subjected to flexural loading, part I: experimental studies[J]. International Journal of Solids and Structures, 2015, 75/76:309-320.

[10] 郝文峰, 郭廣平, 陳新文, 等. 基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的復(fù)合材料層間剪切性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2016(1):29-32.

HAO Wenfeng, GUO Guangping, CHEN Xinwen, et al. Characterization of interlaminate shear properties for composite materials using digital image correlation[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2016(1):29-32.

[11] 呂雙祺，石多奇，楊曉光，等．采用數(shù)字圖像相關(guān)方法的莫來石纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料力學(xué)試驗(yàn)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2015,32(5):1428-1435.

Lü Shuangqi, SHI Duoqi, YANG Xiaoguang, et al. Mechanical test of mullite fiber resin forced aerogel composites using digital image correlation method[J]. Acta Materiae Composites Sinica, 2015,32(5):1428-1435.

[12] 楊彩云, 李嘉祿. 三維機(jī)織復(fù)合材料纖維體積含量計(jì)算方法[J]. 固體火箭技術(shù), 2005,28(3):224-227.

YANG Caiyun, LI Jialu. Calculation methods of 3-D woven composites fiber volume fraction[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2005,28(3):224-227.