三維編織復(fù)合材料T型梁的低溫場彎曲性能

劉 軍， 劉 奎， 寧 博， 孫寶忠， 張 威

(1. 上海飛機(jī)制造有限公司， 上海 200436； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

三維編織復(fù)合材料T型梁是由三維異形整體編織而成，由多向纖維束構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有比傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料更好的結(jié)構(gòu)整體性，較高的損傷容限和斷裂韌性。相比于矩形梁，工程結(jié)構(gòu)中常用的T型梁結(jié)構(gòu)具有更高的抗彎強(qiáng)度和剛度，可減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，節(jié)約材料。由于三維編織復(fù)合材料T型梁優(yōu)異的性能，在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。

為更好地了解和應(yīng)用三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，針對三維編織復(fù)合材料T型梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究已吸引不少研究者關(guān)注。文獻(xiàn)[2-4]分別針對三維編織復(fù)合材料T型梁的抗彎性能進(jìn)行有限元模擬分析和實驗，以及建立特殊的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，采用剛度合成法預(yù)測其彎曲性能。Yan等[5]和歐陽屹偉等[6-8]分別采用實驗和有限元法研究了三維編織復(fù)合材料T型梁結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞性能。王歡等[9]采用懸臂梁自由衰減振動的實驗方法測試了三維編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)性能，分析了纖維體積分?jǐn)?shù)對其固有頻率和阻尼的影響。以上研究主要針對三維編織復(fù)合材料T型梁的彎曲性能、疲勞性能和模態(tài)性能，為三維編織復(fù)合材料T型梁的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)，但這些研究主要集中在常溫下，Zhang等[10]研究了三維編織復(fù)合材料T型梁高溫下的橫向沖擊性能，在不同溫度環(huán)境下尤其是低溫下的力學(xué)性能研究還鮮見報道。

本文采用碳纖維一體編織成型三維編織復(fù)合材料T型梁作為預(yù)成型體，制備成復(fù)合材料；自制低溫環(huán)境箱，與MTS 810.23型材料測試系統(tǒng)相結(jié)合測試三維編織復(fù)合材料T型梁低溫環(huán)境下的彎曲力學(xué)性能，研究不同筋高高度T型梁在不同低溫下的彎曲力學(xué)響應(yīng)，為三維編織復(fù)合材料T型梁在低溫環(huán)境下的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

T700S-12 K型碳纖維(東麗碳纖維美國有限公司)，通過1×1型四步法進(jìn)行T型梁整體編織成型。JA-02型環(huán)氧樹脂(常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)約為 110 ℃，密度為1.12～1.14 g/cm3。

1.2 預(yù)成型體編織

三維編織復(fù)合材料T型梁預(yù)成型體成型過程如圖1所示。三維編織復(fù)合材料T型梁預(yù)成型體織造方法采用1×1型四步法方形編織技術(shù)。編織T型梁預(yù)成型體時，將T型劃分為如圖1所示A、B的2個矩形。A部分為底板紗線排列，B部分為筋高紗線排列，分別依次完成4步編織循環(huán)，8步則完成整個T型編織循環(huán)。攜紗錠子的運(yùn)動方向用箭頭進(jìn)行標(biāo)識，每次推動攜紗錠子運(yùn)動1個位置。通過紗線排列組合，將T型梁筋高位置的紗線分別按矩陣0×0、5×3和9×3進(jìn)行排列設(shè)計，底板位置紗線均按矩陣3×15進(jìn)行排列設(shè)計，共編織出3種不同筋高高度的T型梁預(yù)成型體。圖2示出編織成的預(yù)成型體，編織角為18°～23°。

圖1 三維編織復(fù)合材料T型梁預(yù)成型體編織過程Fig.1 Braiding process of 3-D braided composite T-beam preform

圖2 三維編織復(fù)合材料T型梁預(yù)成型體Fig.2 3-D braided composite T-beam preform

1.3 復(fù)合材料制備

基于真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制備三維編織復(fù)合材料T型梁。預(yù)成型體通過抽真空完全注入環(huán)氧樹脂后在烘箱內(nèi)依次于90 ℃加熱2 h，于110 ℃加熱1 h，最后在130 ℃加熱4 h，固化結(jié)束后在室溫下冷卻24 h。按照測試要求進(jìn)行切割得到3種筋高高度三維編織復(fù)合材料T型梁試樣，如圖3所示。試樣長度均為 150 mm， 3種筋高高度分別約為0、5和10 mm。通過燃燒法測得纖維體積分?jǐn)?shù)約為55%，復(fù)合材料密度約為 1.5 g/cm3。

圖3 不同筋高高度三維編織復(fù)合材料T型梁Fig.3 3-D braided composite T-beam with different flange height

1.4 低溫場彎曲加載測試

利用MTS 810.23型材料測試系統(tǒng)結(jié)合自行設(shè)計的低溫環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行三維編織復(fù)合材料T型梁低溫場準(zhǔn)靜態(tài)彎曲加載測試。圖4示出低溫場準(zhǔn)靜態(tài)彎曲加載測試系統(tǒng)。低溫環(huán)境系統(tǒng)與試樣加載一體化設(shè)計，將試樣兩端置于裝置兩端夾持槽內(nèi)，中間跨距100 mm，通過液氮提供冷源，溫控儀和熱電偶組成溫度控制系統(tǒng)。測試20、-20、-50和-80 ℃共 4個測試溫度點(diǎn)，依據(jù)GB/T 9979—2005《纖維增強(qiáng)塑料高低溫力學(xué)性能試驗準(zhǔn)則》，在不同測試溫度下保溫15 min，每個溫度點(diǎn)測試 3個試樣，分別測試3種筋高高度T型梁試樣，加載速度為2 mm/min。

圖5 三維編織復(fù)合材料T型梁不同測試溫度下載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of 3-D braided composite T-beam at different temperature

圖4 低溫場準(zhǔn)靜態(tài)彎曲加載測試系統(tǒng)Fig.4 Quasi-static bending testing system with low temperature environment system

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷-位移曲線

圖5 示出不同筋高高度三維編織復(fù)合材料T型梁在不同測試溫度下彎曲加載測試得到的代表性載荷-位移曲線。

從圖5(a)中發(fā)現(xiàn)，20 ℃時不同筋高高度T型梁的初始載荷隨位移增加均呈線性增加，斜率則隨筋高高度不同而出現(xiàn)較大不同。斜率隨筋高高度增加而增大，說明抗彎剛度也隨之越大，筋高高度為 10 mm 的T形梁具有最大的抗彎剛度。筋高高度為0 mm的T型梁幾乎線性增加到峰值載荷后即發(fā)生斷裂破壞，載荷-位移曲線下降；筋高高度為5 mm的T型梁在達(dá)到最大載荷前呈現(xiàn)略微的屈服，隨即發(fā)生斷裂破壞，曲線下降；筋高高度為10 mm的T型梁達(dá)到最大載荷前發(fā)生較大的屈服，直至達(dá)到最大載荷，試樣斷裂失效。這是由于筋高高度為0 mm時，試樣較易失效斷裂，隨著筋高高度的逐漸增高，試樣能夠較好地抵抗彎曲斷裂，產(chǎn)生一定的屈服，直至達(dá)到最大破壞載荷而失效。由圖5(b)可知，測試溫度為 -20 ℃ 時，與 20 ℃ 時的彎曲響應(yīng)行為類似，不同筋高高度的T型梁均產(chǎn)生不同程度的屈服破壞。由測試溫度為-50和-80 ℃時的載荷-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試溫度的降低，復(fù)合材料T型梁的屈服逐漸減小，尤其是0和5 mm筋高的T型梁線性增加到最大載荷后迅速下降，發(fā)生明顯的脆性斷裂行為，筋高高度為10 mm的T型梁在-80 ℃時快速達(dá)到最大載荷后，也發(fā)生明顯的脆性斷裂破壞。說明三維編織復(fù)合材料T型梁由常溫時的不同程度屈服斷裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵碌拇嘈詳嗔哑茐摹?/p>

2.2 彎曲性能分析

為分析筋高高度和溫度對三維編織復(fù)合材料T型梁準(zhǔn)靜態(tài)彎曲加載響應(yīng)的影響，從載荷-位移曲線上分別提取T型梁所受峰值載荷，峰值載荷對應(yīng)的失效位移和彎曲失效能量吸收等數(shù)據(jù)列于表1中，并進(jìn)行三維作圖分析筋高高度和溫度對復(fù)合材料T型梁彎曲載荷、失效位移以及吸收能量的影響，如圖6所示。由圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，T型梁所受最大載荷隨著T型梁筋高高度增加而逐漸增加，隨著測試溫度降低逐漸增大。筋高高度越高、溫度越低，T型梁所能承受的峰值載荷越高，筋高高度為 10 mm、測試溫度為-80 ℃時，T型梁所受載荷最大；筋高高度越小、溫度越高，T型梁所能承擔(dān)的載荷能力越弱；筋高高度為0 mm、測試溫度20 ℃時，T型梁所受載荷最小。

表1 三維編織復(fù)合材料T型梁低溫場測試結(jié)果Tab.1 Testing results of 3-D braided composite T-beam at low temperature

圖6 溫度和筋高高度對三維編織復(fù)合材料T型梁彎曲性能影響Fig.6 Effect of temperature and flange height on bending properties of 3-D braided composite T-beam.(a) Load; (b) Failure displacement; (c) Energy adsorption

由圖6(b)可知，失效位移隨筋高高度增加而減小，隨測試溫度降低而略微增大，筋高高度越小，溫度越低，T型梁失效位移越大。筋高高度為 0 mm、測試溫度為-80 ℃時，T型梁失效位移最大；筋高高度越高，溫度越高，T型梁失效位移越小，筋高高度為 10 mm，測試溫度為20 ℃時，T型梁失效位移最小。

由圖6(c)得知，復(fù)合材料T型梁能量吸收隨筋高高度增加逐漸增多，隨測試溫度降低能量吸收也增多。筋高高度越高、溫度越低，T型梁所吸收的能量越多，筋高高度為10 mm，測試溫度為-80 ℃時T型梁所具有的吸收能量最多；筋高高度越小、測試溫度越高，T型梁的能量吸收能力越弱， 筋高高度為 0 mm， 測試溫度為20 ℃時，T型梁所具有的吸收能量最小。

從圖6可以看出，筋高高度對T型梁彎曲性能影響相比于溫度影響更為顯著，這是由于筋高的存在顯著提高了梁的截面慣性矩，隨筋高高度增加，T型梁截面慣性矩越大，抗彎剛度越高，承載能力更強(qiáng)，采用T型梁結(jié)構(gòu)是有效提高梁承載性能的重要方式。低溫增強(qiáng)效應(yīng)主要源于對復(fù)合材料基體性質(zhì)的增強(qiáng)作用，影響效應(yīng)遠(yuǎn)小于增加T型梁筋高帶來的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效應(yīng)。

2.3 試樣損傷形態(tài)

圖7示出不同筋高高度的三維編織復(fù)合材料T型梁在-80 ℃時的表面彎曲破壞形態(tài)?？梢钥闯觯航罡吒叨葹? mm的T型梁斷口發(fā)生在與試樣長度方向垂直的中線位置，基本呈彎曲斷裂；隨筋高增加，斷口與試樣長度方向成一定角度出現(xiàn)，筋高越高，斷口出現(xiàn)角度越大，逐漸呈剪切斷裂破壞，這是由于筋高高度增加，T型梁抗彎強(qiáng)度增加，不易直接彎曲斷裂。圖8 示出筋高高度為10 mm的三維編織復(fù)合材料T型梁在不同低溫環(huán)境下的彎曲損傷形態(tài)?？梢姡狠^高溫度下?lián)p傷區(qū)域不規(guī)則，表面紗線未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂，主要為較多樹脂開裂；隨著溫度降低，紗線斷裂損傷越明顯，斷口清晰，表現(xiàn)為脆性斷裂。

圖7 不同筋高高度三維編織復(fù)合材料T型梁在-80 ℃時的彎曲破壞形態(tài)Fig.7 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with different flange height at -80 ℃

圖8 10 mm筋高高度三維編織復(fù)合材料T型梁在不同低溫下的彎曲破壞形態(tài)Fig.8 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with flange height of 10 mm at different low temperature

3 結(jié) 論

對不同筋高高度的三維編織復(fù)合材料T型梁在不同低溫下進(jìn)行彎曲性能測試分析，得到以下結(jié)論。

1)隨著測試溫度降低，三維編織復(fù)合材料T型梁承載載荷增加，位移增大，能量吸收增加；隨著筋高高度增加，三維編織復(fù)合材料T型梁抗彎剛度增強(qiáng)，載荷增加，位移減小以及能量吸收增加。相比于溫度，筋高高度對于三維編織復(fù)合材料T型梁的彎曲性能影響更為顯著。

2)隨著測試溫度降低，三維編織復(fù)合材料T型梁失效模式由較高溫度下不同程度的屈服斷裂失效轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵碌拇嘈詳嗔咽?；隨著筋高高度增加，三維編織復(fù)合材料T型梁失效模式彎曲斷裂失效轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗔咽А?/p>