三維織造復(fù)合材料面內(nèi)壓縮性能試驗研究

吳曉川，劉豐，李志坤，劉云志，趙倩娟，趙蒙蒙

(先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083)

三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與二維復(fù)合材料相比，由于在Z 向引入了增強體，層間結(jié)合能力強，損傷容限高，受到了學(xué)者們的關(guān)注[1]。目前已廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動機喉襯[2]、獵戶座飛行器熱防護系統(tǒng)[3]、X–37B 飛行器機翼[4]、GEnx 發(fā)動機葉片[5]等關(guān)鍵零部件。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，航空航天、國防軍工、交通運輸?shù)雀咝录夹g(shù)領(lǐng)域?qū)?fù)合材料構(gòu)件的需求越來越大[6]，且著重于尺寸大型化、結(jié)構(gòu)整體化三維復(fù)合材料構(gòu)件的低成本、自動化、一體化成形的核心技術(shù)攻關(guān)[7]。

先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室單忠德團隊[8]發(fā)明了復(fù)合材料柔性導(dǎo)向三維織造成形方法，將導(dǎo)向模板和導(dǎo)向陣列引入三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的織造成形過程中，利用導(dǎo)向模板設(shè)計、導(dǎo)向陣列預(yù)置，形成Z 向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)，在三維CAD 模型驅(qū)動下，織造纖維束以導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為節(jié)點進行層層織造成形，最終得到三維結(jié)構(gòu)預(yù)制體。該復(fù)合材料三維織造成形方法可制備預(yù)制體尺寸由導(dǎo)向模板大小、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)高度決定，理論上可實現(xiàn)大型復(fù)合材料預(yù)制體的整體成形；并且由CAD 模型驅(qū)動織造系統(tǒng)，易于實現(xiàn)三維復(fù)合材料成形過程的數(shù)字化、自動化。Kang Huairong 等[9]研究了纖維棒作為Z 向增強體的柔性導(dǎo)向復(fù)合材料細(xì)觀模型，討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸性能之間的關(guān)系；師有玲等[10]基于不同的織造路徑和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了柔性導(dǎo)向三維織造復(fù)合材料細(xì)觀模型，研究了該復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和纖維體積分?jǐn)?shù)之間的影響規(guī)律。劉云志等[11]分析了柔性導(dǎo)向三維織造預(yù)制體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，探究了宏觀壓實致密化參數(shù)對預(yù)制體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，為研究復(fù)合材料的性能提供了參考。

應(yīng)志平[12]研究了三維正交機織復(fù)合材料中緯紗卷曲、經(jīng)紗扭轉(zhuǎn)對材料壓縮性能的影響規(guī)律，提出緯紗卷曲和經(jīng)紗扭轉(zhuǎn)均會降低正交復(fù)合材料壓縮性能；于嬌[13]、黃雄[14]以三維編織復(fù)合材料為研究對象，討論了材料的面外動態(tài)壓縮特性，指出復(fù)合材料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)特征對材料裂紋分布和壓縮變形行為具有顯著影響。劉軍等[15]建立了三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了材料的低速沖擊壓縮破壞性質(zhì)和失效行為，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊能量的不同，材料的壓縮破壞模式也會不同。

筆者以柔性導(dǎo)向三維復(fù)合材料為研究對象，通過柔性導(dǎo)向三維復(fù)合材料面內(nèi)壓縮強度測試、壓縮變形行為和失效行為分析，進一步探究Z 向增強體對三維復(fù)合材料壓縮性能影響規(guī)律的研究。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料力學(xué)性能研究具有一定借鑒意義，為三維復(fù)合材料的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹脂系統(tǒng)：Araldite LY1564 SP／Hardener XB3486，美國HUNTSMANA 公司；

碳纖維增強環(huán)氧樹脂三維復(fù)合材料：自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

柔性導(dǎo)向三維織造成形機：自制；

萬能材料試驗機：WDW–200 型，濟南試金集團有限公司；

熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡：ULTRA 55 型，德國ZEISS 公司；

高清數(shù)碼相機：索尼Alpha 公司。

1.3 試樣制備

試樣為碳纖維／環(huán)氧樹脂三維復(fù)合材料，采用先進成形國家重點實驗室自主研發(fā)的復(fù)合材料柔性導(dǎo)向三維織造成形機進行試樣預(yù)制體的成形織造，Z 向增強體選用連續(xù)拉擠成型的碳纖維／乙烯基復(fù)合材料棒(以下稱導(dǎo)向套)，織造纖維采用6K 規(guī)格T300 碳纖維。利用真空輔助成型工藝(VARI)進行樹脂浸漬，待預(yù)制體固化成型后經(jīng)機械加工，獲得尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的壓縮試樣。

依據(jù)導(dǎo)向陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，壓縮試樣編號見表1。

表1 試樣編號及參數(shù)

1.4 壓縮測試

采用含導(dǎo)向套的三維織造復(fù)合材料為研究對象，如圖1 所示，沿導(dǎo)向套軸向作為試樣的厚度方向，X／Y 向壓縮測試則垂直于導(dǎo)向套軸向。壓縮試驗在萬能材料試驗機上進行，壓縮試驗加載速率為2 mm／min，實驗環(huán)境溫度20～30℃。

圖1 三維織造復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖

采用高清數(shù)碼相機和熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對壓縮破壞后試樣的宏觀破壞模式和微觀形貌進行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線特性

復(fù)合材料具有較高的可設(shè)計性，原材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同均使復(fù)合材料具有不同的性能表征，導(dǎo)向套作為三維織造復(fù)合材料的Z 向增強體，其直徑、排布間隙直接影響復(fù)合材料的壓縮性能表征。

圖2 為不同導(dǎo)向套排布參數(shù)下三維織造復(fù)合材料的X／Y 向壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線，可知，沿X／Y向壓縮時，三維織造復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的韌性斷裂的特征。當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙相同時，導(dǎo)向套直徑1.5 mm 的試樣，其壓縮強度明顯高于導(dǎo)向套直徑6 mm 的試樣；當(dāng)導(dǎo)向套直徑相同時，排布間隙為4.5 mm 的試樣均表現(xiàn)出較高的壓縮強度。

圖2 三維織造復(fù)合材料X／Y 向壓縮的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

試樣在加載初期，導(dǎo)向套、纖維、基體協(xié)同變形，隨著壓縮載荷的增加，試樣變形量增大，由于導(dǎo)向套附近存在富樹脂區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)向套／基體界面處首先產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸積累形成宏觀裂紋，并隨著壓縮變形量的增加逐步向基體、纖維處擴展，如圖3 所示。當(dāng)與加載方向平行的纖維束發(fā)生屈曲失效后，還未發(fā)生斷裂的導(dǎo)向套作為主要承載單元。所以，應(yīng)力達(dá)到最高值后，未發(fā)生迅速下降，而是出現(xiàn)緩慢的降低，由于導(dǎo)向套的存在，試樣的壓縮變形過程表現(xiàn)出較好的韌性特征。

圖3 X／Y 向壓縮時裂紋擴展示意圖

2.2 壓縮破壞機制分析

為進一步探究三維織造復(fù)合材料的X／Y 向壓縮變形特性，開展了試樣壓縮破壞機制分析。圖4為導(dǎo)向套直徑6 mm 時試樣X／Y 向壓縮破壞模式圖片，可知，試樣發(fā)生壓縮破壞失效后，導(dǎo)向套基本未產(chǎn)生明顯變形，導(dǎo)向套與樹脂基體的剝離較為明顯。隨著導(dǎo)向套排布間隙的減小，試樣發(fā)生壓縮破壞后，試樣的形量變增大，主要是由于纖維束隨著導(dǎo)向套排布間隙的減小會產(chǎn)生嚴(yán)重扭折，在壓縮加載時，纖維束更易發(fā)生斷裂，大幅度降低了試樣的抗壓縮能力。試樣的X／Y 向壓縮破壞模式主要有基體開裂、導(dǎo)向套與樹脂基體剝離以及內(nèi)部纖維的斷裂。

圖4 導(dǎo)向直徑為6 mm 的試樣X／Y 向壓縮破壞模式

利用場發(fā)射電子顯微鏡進行樣品破壞面的微觀觀察，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙較小時，纖維束在織造過程中便已產(chǎn)生屈曲，因此在壓縮破壞時，較小的壓縮應(yīng)力即可使纖維發(fā)生進一步的彎折斷裂，從而失效，如圖5a 所示；而當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙較大時，纖維的斷裂表現(xiàn)為剪切斷裂，纖維斷口整齊，如圖5b 所示。

圖5 不同排布間隙試樣中纖維的斷裂模式

圖6 是導(dǎo)向套直徑1.5 mm 時試樣的X／Y 向壓縮破壞模式圖片，由圖6 可知，試樣均發(fā)生了典型的剪切破壞，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙減小至2 mm 時，試樣被壓潰，不僅是試樣中基體發(fā)生剪切破壞，沿壓縮加載方向的纖維幾乎完全斷裂。在X／Y 向壓縮過程中，與壓縮加載方向平行的纖維束為主要承載單元，當(dāng)承載纖維束發(fā)生斷裂失效后，基體已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重開裂，此時導(dǎo)向套則作為主要承載單元。與導(dǎo)向套直徑為6 mm 的試樣組(圖4)進行對比，發(fā)現(xiàn)，相同排布間隙條件下，隨著導(dǎo)向套直徑的減小，導(dǎo)向套周圍富樹脂區(qū)比例減小，試樣整體均勻性提高，基體、纖維束、導(dǎo)向套之間的變形協(xié)同性更好。

圖6 導(dǎo)向直徑為1.5 mm 的試樣X／Y 向壓縮破壞模式

由于壓縮載荷加載方向垂直于導(dǎo)向套軸向，導(dǎo)向套內(nèi)部出現(xiàn)開裂，如圖7 所示，導(dǎo)向套的劈裂吸收了裂紋擴展的驅(qū)動能。此時，試樣的壓縮破壞模式除了基體開裂、纖維斷裂、導(dǎo)向套與樹脂基體的界面剝離外，試樣中還存在導(dǎo)向套的局部開裂。

圖7 X／Y 向壓縮時導(dǎo)向套發(fā)生劈裂

采用的織造纖維束為6K 規(guī)格碳纖維束，紗線截面形狀呈扁帶狀，紗線厚度約為0.1 mm，寬度大小在4.0～4.5 mm 之間，因此，當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙減小至2 mm 時，間隙過窄導(dǎo)致纖維束無法平整鋪放而產(chǎn)生嚴(yán)重的扭折，從而大幅度降低了纖維束的增強效果。當(dāng)導(dǎo)向套排布間隙為4.5 mm 或6 mm時，纖維束可平展鋪設(shè)于導(dǎo)向陣列縫隙，且纖維束寬度與導(dǎo)向套排布間隙相近，避免纖維束的彎折或扭轉(zhuǎn)，從而使成型后復(fù)合材料獲得較好的性能。

3 結(jié)論

含導(dǎo)向套的三維織造復(fù)合材料，其面內(nèi)壓縮破壞均表現(xiàn)出塑性斷裂特征，X／Y 向壓縮變形過程中，平行于加載方向的纖維束為主要承載單元，導(dǎo)向套作為增強體與面內(nèi)纖維束發(fā)生協(xié)同壓縮變形。依據(jù)導(dǎo)向套的排布參數(shù)的不同，導(dǎo)向套的損傷模式主要有：①導(dǎo)向套／基體界面分離；②導(dǎo)向套軸向開裂；③導(dǎo)向套剪切斷裂。隨著導(dǎo)向套直徑的減小，導(dǎo)向套的壓縮斷裂模式由導(dǎo)向套／基體分離轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)向套／基體分離與導(dǎo)向套剪切斷裂或軸向開裂的混合損傷模式，提高了材料的壓縮斷裂應(yīng)力。為避免纖維束在織造成形過程中產(chǎn)生彎折或扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)向陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮導(dǎo)向套排布間隙大小與所選纖維束尺寸相近。