變角度牽引鋪縫復(fù)合材料開孔拉伸性能研究

梁群群，劉婷，呂凱明，王永利

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 前言

碳纖維復(fù)合材料在眾多輕量化材料中，具有比強(qiáng)度和比模量高、高強(qiáng)抗沖擊性、抗腐蝕性好等一系列優(yōu)點，在航空航天、體育休閑和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-2]。由于檢查、拆裝、維護(hù)，需要在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行開孔處理，開孔打斷了碳纖維的連續(xù)性，將會導(dǎo)致孔周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，使其成為復(fù)合材料中最薄弱的區(qū)域[3-4]。常規(guī)織物制備出的復(fù)合材料纖維成直線狀態(tài)，無法避免開孔時纖維的斷裂，一種新穎的先進(jìn)纖維鋪放技術(shù)——變角度牽引鋪縫的誕生(TFP，Tailored Fiber Placemen)，為解決該難題帶來了希望。

變角度牽引鋪縫可以根據(jù)材料主應(yīng)力方向設(shè)計纖維軌跡并進(jìn)行任意角度鋪放，對解決復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)力集中有顯著的效果[5-7]。國內(nèi)外對此技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列理論成果。如Crothers等人[8]以E玻璃纖維多軸向織物為母體材料，以E玻璃纖維絲束為補(bǔ)強(qiáng)材料，采用TFP技術(shù)制備了主應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)片，對開孔復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)研究，取得了較好的補(bǔ)強(qiáng)效果。GUO等人[9]對比研究了直線纖維鋪層補(bǔ)強(qiáng)片和用變角度牽引鋪縫技術(shù)制得的環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)片對剪切載荷下含孔C型梁的補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)果表明，環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)片效果要明顯優(yōu)于直線纖維鋪層補(bǔ)強(qiáng)片。秦永利[10]研究表明，變角度牽引鋪縫補(bǔ)強(qiáng)片面外補(bǔ)強(qiáng)效果最佳，其最大拉伸載荷相對于未開孔補(bǔ)強(qiáng)層壓板和纖維布補(bǔ)強(qiáng)開孔層壓板分別提高103.9%和42.2%，達(dá)到未開孔層壓板的94.3%。以上研究結(jié)果顯示，采用TFP技術(shù)制備的補(bǔ)強(qiáng)材料對開孔件有更優(yōu)的補(bǔ)強(qiáng)效果，但在TFP一體成型預(yù)制件復(fù)合材料開孔拉伸強(qiáng)度方面的研究卻鮮有報道[11-15]。

本文采用樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形(RTM)工藝制備平紋機(jī)織物層壓板和TFP預(yù)制件層壓板，對比兩種層壓板的開孔拉伸強(qiáng)度。采用有限元軟件Abaqus實體建模，通過數(shù)值模擬分析和解釋兩種開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應(yīng)變分布和破壞位置的變化。

1 實驗

1.1 樣品的制備

1.1.1 原材料

實驗采用江蘇恒神股份有限公司生產(chǎn)的HF10-3K碳纖維和TF1890環(huán)氧樹脂體系，TFP用縫合紗采用凱泰特種纖維科技有限公司生產(chǎn)的錦綸紗，基布采用中材科技股份有限公司生產(chǎn)的EW100A玻璃纖維布。HF10-3K碳纖維的主要性能參數(shù)見表1。

表1 HF10-3K碳纖維主要性能參數(shù)

1.1.2 TFP碳纖維預(yù)制件的制備

設(shè)備采用江蘇恒神股份有限公司的變角度牽引鋪縫設(shè)備，用錦綸紗將HF10-3K碳纖維縫合在玻璃纖維基布上，碳纖維的間距為1 mm，單層面密度為200 g/m2，預(yù)制件尺寸為350 mm×350 mm，鋪層層數(shù)為8層。TFP預(yù)制件由奇偶層間隔縫合而成(圖1)，其中奇數(shù)層的纖維鋪放軌跡如圖1(a)所示，纖維成0 °平行排列，偶數(shù)層纖維鋪放軌跡如圖1(b)所述，中心圓孔直徑為6 mm，纖維沿中心圓孔向外偏移。制備的TFF預(yù)制件圖片如圖2所示。

圖1 TFP預(yù)制件纖維軌跡

圖2 TFP預(yù)制件圖片

1.1.3 碳纖維平紋機(jī)織物的制備

設(shè)備采用德國進(jìn)口的DORNIER劍桿織機(jī)，使用HF10-3K碳纖維作為經(jīng)緯紗、織造面密度為200 g/m2的平紋機(jī)織物。平紋機(jī)織物如圖3所示。

圖3 平紋機(jī)織物

1.2 層壓板的制備

鋪縫完成的TFP碳纖維預(yù)制件去除玻璃纖維基布后放入模具左側(cè)，將平紋機(jī)織物按纖維方向裁剪成尺寸為350 mm×350 mm的試樣，將試樣鋪疊8層后放入模具右側(cè)。

用TFP碳纖維預(yù)制件和平紋機(jī)織物作為增強(qiáng)材料，TF1890環(huán)氧樹脂作為基體，采用RTM工藝進(jìn)行復(fù)合材料成型。樹脂體系黏度<0.3 Pa·s，固化制度為90 ℃×2 h。

2 測試

2.1 開孔拉伸性能測試

將兩種織物的層壓板沿0 °纖維方向裁樣，采用AG-X plus 250kN型電子萬能材料試驗機(jī)，按照ASTM D5766-18標(biāo)準(zhǔn)分別測試兩種試樣的開孔拉伸強(qiáng)度，每組測試有效數(shù)據(jù)不少于5個，取平均值作為最終結(jié)果。測試完成后，觀察斷裂處的宏觀形貌。

2.2 數(shù)值模擬

為了精準(zhǔn)地模擬以上實驗過程中兩種開孔層壓板承受拉伸載荷條件下的應(yīng)力分布，分別選用T300級碳纖維平紋機(jī)織物和鋪縫預(yù)制件作為鋪層材料，其材料參數(shù)見表2和表3。開孔拉伸試驗樣條的，長度為250 mm，寬度為36 mm，厚度為1.6 mm，中間開φ6 mm的孔；單層厚度為0.2 mm，共計8層，從下到上依次為[0/90/0/90/0/90/0/90]，具體如圖4所示。

表2 T300級碳纖維平紋機(jī)織物材料參數(shù)

表3 T300級碳纖維鋪縫預(yù)制件材料參數(shù)

圖4 開孔拉伸試驗樣條結(jié)構(gòu)示意圖

采用有限元軟件Abaqus實體建模，共計18 528個單位、22 194個節(jié)點，固定端約束施加載數(shù)值模型的左端，位移載荷施加在右端。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 開孔拉伸強(qiáng)度

圖6為兩種織物試驗件開孔拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果。由圖6可以看出，TFP碳纖維預(yù)制件所有試樣的開孔拉伸強(qiáng)度值都高于平紋機(jī)織物，TFP層壓板試樣開孔拉伸強(qiáng)度均值為343 MPa，平紋機(jī)織物層壓板試樣開孔拉伸強(qiáng)度均值為304 MPa，TFP比平紋機(jī)織物高出12.8%。這主要是由于平紋機(jī)織物是由0 °/90 °方向纖維交織而成，開孔處的纖維都被切斷后不連續(xù)，而TFP碳纖維預(yù)制件偶數(shù)層的纖維軌跡按圍繞開孔圓形環(huán)向鋪放，對開孔周圍有環(huán)向加強(qiáng)。

圖6 開孔拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果

圖7(a)為平紋機(jī)織物增強(qiáng)層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖。由圖7(a)可知，試樣的破壞發(fā)生在開孔直徑90 °位置處及試樣橫截面積最小處，且每層的斷裂處，幾乎呈同一位置，和90 °纖維方向一致，徑向纖維束的斷裂截面整齊幾乎成一個平面狀態(tài)。這就說明在開孔直徑處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最容易發(fā)生破壞。

圖7(b)為TFP碳纖維預(yù)制件增強(qiáng)層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖。由圖7(b)可知，試樣的破壞位置較復(fù)雜，并沒有對稱的發(fā)生在孔直徑處，而是發(fā)生在離開孔一定距離處，且破壞軌跡和偶數(shù)層纖維鋪放軌跡一致，每層的斷裂處的位置參差不齊，斷口截面不平齊，纖維拔出長度較長，分層現(xiàn)象也較明顯。這主要是因為TFP碳纖維預(yù)制件偶數(shù)層在孔周邊有環(huán)向纖維加強(qiáng)，緩解了開孔直徑處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 增強(qiáng)層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖

3.2 有限元分析

圖8是碳纖維平紋機(jī)織物的開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應(yīng)變云圖。從圖8中可以看出，平紋機(jī)織物層壓板最大應(yīng)變區(qū)域集中在孔直徑90 °位置處，最大應(yīng)變?yōu)? 152 με，應(yīng)變由孔邊向外逐漸減小。這說明該處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，當(dāng)拉伸載荷到達(dá)一定值，在孔直徑90 °位置處會優(yōu)先發(fā)生斷裂，然后向外延伸，最終樣條在開孔處對稱斷裂。平紋機(jī)織物應(yīng)變云圖分析結(jié)果和實際樣條的破壞形貌基本一致。

圖8 平紋機(jī)織物應(yīng)變云圖

圖9 TFP應(yīng)變云圖

圖9是TFP碳纖維預(yù)制件的開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應(yīng)變云圖。從圖9中可以看出，TFP預(yù)制件層壓板最大應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)在開孔直徑60 °左右位置，最大應(yīng)變?yōu)?28.5 με，比平紋機(jī)織物應(yīng)變減少62.8%。這說明TFP預(yù)制件有效地緩解了開孔層壓板的應(yīng)力集中，孔周邊的應(yīng)力變化比較復(fù)雜，不同于平紋機(jī)織物向外逐漸減小，而是在上下離孔有一點距離的區(qū)域應(yīng)變較小。當(dāng)拉伸載荷到達(dá)一定值，在孔直徑60 °左右位置處會優(yōu)先發(fā)生斷裂，然后向外彎曲延伸，最終樣條可能在孔的左邊或右邊斷裂，也可能在開孔處沿60 °直徑方向?qū)ΨQ斷裂。TFP應(yīng)變云圖分析結(jié)果和實際樣條的破壞形貌較為一致。

4 結(jié)論

(1)TFP碳纖維預(yù)制件的復(fù)合材料開孔拉伸強(qiáng)度值為343 MPa，比碳纖維平紋機(jī)織物的復(fù)合材料開孔拉伸強(qiáng)度值304 MPa高出12.8%。

(2)碳纖維平紋機(jī)織物的復(fù)合材料開孔拉伸斷裂發(fā)生開孔直徑90 °位置處，徑向纖維束的斷裂截面整齊，幾乎呈一個平面狀態(tài)。TFP碳纖維預(yù)制件的復(fù)合材料開孔拉伸斷裂發(fā)生在孔邊，破壞軌跡和偶數(shù)層纖維鋪放軌跡一致，斷口截面不平齊，纖維拔出長度較長。

(3)兩種層壓板仿真模擬的應(yīng)變云圖分析結(jié)果和實際樣條的破壞形貌較為一致；跟進(jìn)模擬結(jié)果可知，TFP碳纖維預(yù)制件相對于碳纖維平紋機(jī)織物，孔邊的最大應(yīng)變減小62.8%，有效地緩解了孔邊的應(yīng)力集中。