三維面芯編織復(fù)合材料的彎曲性能分析

賈夢晴,李倩倩,李 煒,2,3

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海201620； 2.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201620；3.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201620)

0 研究背景

三維編織復(fù)合材料與層合復(fù)合材料相比具有比強(qiáng)度高、比模量高、高損傷容限和斷裂韌性、抗沖擊、耐疲勞等特點(diǎn),且有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和凈成型性[1-6]。這符合高精尖領(lǐng)域?qū)で蟾咝阅懿牧系囊?在 航 空、航 天、軍 事、民 用 等 領(lǐng) 域 有 廣 泛應(yīng)用[7-10]。

對三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究也在不斷深入,早期針對工藝參數(shù)對三維編織復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能[11-14]的影響的結(jié)果顯示,編織角和纖維體積分?jǐn)?shù)是三維編織復(fù)合材料拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能的重要影響因素,力學(xué)性能隨著編織角的增大而降低,隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提升,并探究了不同力學(xué)性能測試下材料的損傷破壞機(jī)理。隨著監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步,近年來結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)(AE)、數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)、Micro-CT等技術(shù)更深入探究了材料的損傷演化及破壞機(jī)理。張彥靖等[15]利用AE技術(shù)和DIC方法實(shí)現(xiàn)對三維五向編織復(fù)合材料橫向拉伸狀態(tài)下的損傷變形過程的監(jiān)測,明確其損傷失效模式主要為基體開裂和纖維脫粘及少部分的纖維斷裂；陳俊等[16]通過改進(jìn)的DIC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對高溫下環(huán)境下C/SiC復(fù)合材料彎曲斷裂應(yīng)變場的實(shí)時(shí)測量,揭示了高溫環(huán)境下復(fù)合材料的失效是由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂；Anubhav Singh[17]利用DIC研究了編織角對編織熱塑性復(fù)合材料梁彎曲性能的影響,結(jié)果表明彎曲變形主要表現(xiàn)為局部擠壓和整體彎曲兩種模式,不同編織角梁的彎曲變形差異顯著；Liu[18]結(jié)合X-CT和DIC研究了SiCf/SiC復(fù)合材料在彎曲載荷下的失效機(jī)理,結(jié)果表明彎曲載荷下失效是由于壓縮產(chǎn)生的裂紋,失效模式包括基體開裂、纖維基體脫粘及纖維斷裂；三維面芯編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究目前還較少,Sun[19-20]研究了三維面芯編織復(fù)合材料的拉伸及剪切性能以及切邊對力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明三維面芯編織復(fù)合材料可以有效抑制切邊造成的材料力學(xué)性能下降。

本文制備了三種編織角的三維面芯編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,對其彎曲性能進(jìn)行測試并結(jié)合3D-DIC探究彎曲載荷下的損傷演化。

1 性能測試

1.1 材料與儀器

編織材料采用中國石化上海石油化工股份有限公司T700-12K碳纖維,基體為上緯(天津)風(fēng)電材料有限公司2511-1A型環(huán)氧樹脂,固化劑為2511-1BS型,表1為纖維和環(huán)氧樹脂參數(shù)。

表1 纖維和環(huán)氧樹脂參數(shù)

編織預(yù)制件利用實(shí)驗(yàn)室自制三維編織機(jī),力學(xué)性能試驗(yàn)利用LABSANS LD26電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和Correlated Solutions公司數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation簡稱DIC)系統(tǒng)。

1.2 試樣制備

三維面芯編織預(yù)制體編織工藝如圖1所示,編織原理如下[21]:將攜紗器在編織底盤按照預(yù)制件橫截面形狀進(jìn)行排列,控制攜紗器在編織機(jī)底盤上的運(yùn)動(dòng)路徑使紗線發(fā)生交織并經(jīng)過打緊工序形成織物。其中,攜紗器按運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為相互垂直運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)中每兩行(列)構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)組,分別為x向運(yùn)動(dòng)組和y向運(yùn)動(dòng)組。x向和y向運(yùn)動(dòng)組的數(shù)量分別用m和n表示,預(yù)制件的尺寸可表示為(m, n),紗線總根數(shù)(N)表示為N=8mn+2m+2n。

圖1 編織過程攜紗器運(yùn)動(dòng)規(guī)律

本試驗(yàn)預(yù)制件尺寸為(m,n)=(2,5),編織時(shí)第一步,所有x向的攜紗器沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)至相鄰攜紗器的位置(即1運(yùn)動(dòng)到2,3運(yùn)動(dòng)到4)；第二步,所有y向的攜紗器沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)至相鄰攜紗器的位置(1運(yùn)動(dòng)到2,3運(yùn)動(dòng)到4)；第三步與第一步相同,第四步與第二步相同,且每一步都緊跟一道打緊工序,將織物進(jìn)行打緊,如此循環(huán)編織成面芯結(jié)構(gòu)預(yù)制件[21]。

預(yù)制件經(jīng)真空輔助樹脂傳遞模塑工藝灌注環(huán)氧樹脂后,在室溫下靜置24小時(shí),隨后在烘箱中70℃持續(xù)6小時(shí)固化。

按照以上步驟制成編織角度為40°、30°和20°的三維面芯編織復(fù)合材料,機(jī)械加工后得到155mm×17.5mm×6.6mm試樣,并沿試樣厚度方向噴涂黑白散斑用于3D-DIC檢測,三維面芯編織復(fù)合材料實(shí)物圖如圖2所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖2 三維面芯編織復(fù)合材料實(shí)物圖

表2 不同編織角復(fù)合材料參數(shù)

1.3 彎曲試驗(yàn)過程

三維面芯編織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)參考GB/T 1449-2005(纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法),跨距為110mm,加載速度為2mm/min,利用兩個(gè)相機(jī)記錄材料彎曲過程中的全場應(yīng)變,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

圖3 彎曲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 測試與結(jié)果分析

2.1 彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三種不同編織角的面芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲載荷-位移曲線如圖4所示,曲線大致可分為三個(gè)階段,第一階段為0A段,連續(xù)加載的初期曲線表現(xiàn)為線性,纖維與樹脂結(jié)合良好,此時(shí)材料處于彈性變形階段；第二階段為AB段,隨著加載的進(jìn)行,曲線增長變?yōu)榉蔷€性波動(dòng)上升,此過程復(fù)合材料表面逐漸出現(xiàn)微裂紋并逐漸擴(kuò)展,伴隨著細(xì)小基體開裂聲,直至最大載荷；第三階段為BC段,達(dá)到極限載荷后材料出現(xiàn)斷裂,曲線表現(xiàn)為不同程度突然下降,材料表現(xiàn)為脆性斷裂。此后不同編織角的復(fù)合材料曲線呈現(xiàn)不同的下降特點(diǎn),40°編織角的試樣曲線表現(xiàn)為總體均勻下降,而編織角較小的30°和20°的試樣曲線表現(xiàn)為階梯式下降。

圖4 載荷-位移曲線

在彎曲實(shí)驗(yàn)中,載荷達(dá)到一定程度時(shí),上表面基體首先發(fā)生塑性變形產(chǎn)生開裂、脫粘,纖維受到擠壓發(fā)生變形滑移；隨著加載進(jìn)行,基體向纖維傳遞應(yīng)力,纖維沿著編織方向逐漸被拉伸,編織角較大時(shí)沿編織方向的分力更小,即材料能承受的最大載荷較小,達(dá)到承載極限后,編織角較大時(shí)纖維有更大的拉伸變形空間,材料彎曲變形逐步增大,損傷是漸進(jìn)式累積,曲線表現(xiàn)為逐步下降。編織角較小的與編織方向具有較高的取向度使材料能達(dá)到更高的極限載荷,當(dāng)拉伸面基體破壞傳遞到纖維束時(shí),纖維束變形小受到更大的應(yīng)力集中產(chǎn)生斷裂,材料破壞由上下表面向中性面擴(kuò)展,外層編織結(jié)構(gòu)的纖維發(fā)生斷裂后傳遞到內(nèi)層纖維承受應(yīng)力集中,層與層的編織結(jié)構(gòu)間傳遞損傷起到一定的緩沖作用,曲線出現(xiàn)一段平臺(tái)再下降表現(xiàn)為階梯式下降。

圖5 是三種編織角復(fù)合材料的最大載荷,編織角為20°的試樣最大載荷為2577.0N,編織角為30°的試樣最大載荷均值為2267.2N,編織角為40°的試樣最大載荷均值僅為1773.1N,可以看出隨著編織角的增大,材料最大載荷減小；圖6和圖7分別是三種材料的彎曲模量和強(qiáng)度,整體來看編織角最大的材料彎曲強(qiáng)度和模量最小,原因如上述材料受彎曲加載時(shí),同時(shí)承受壓縮和拉伸載荷,編織角大的材料纖維與編織成型方向取向低,使得壓縮拉伸性能較低；編織角30°和20°試樣,彎曲強(qiáng)度和彎曲模量差異不大,分析原因一是編織過程中編織角控制不精確,30°和20°試樣編織角差異較小,二是雖然編織角減小彎曲性能提升,但是當(dāng)編織角度降低到一定界限時(shí),編織角對材料整體性能影響減弱,其他因素限制彎曲性能進(jìn)一步提升。

圖5 最大載荷

圖6 彎曲強(qiáng)度

圖7 彎曲模量

2.2 破壞形貌

圖8 ～圖10三種編織角復(fù)合材料破壞形貌圖,材料受到彎曲加載時(shí),加載壓頭部位樹脂及纖維束產(chǎn)生擠壓變形,損傷嚴(yán)重處基體被壓碎開裂及纖維斷裂,圖8(a)可觀察到大量的基體開裂、基體發(fā)生塑性變形與纖維分離脫粘、纖維束間的裂紋以及纖維束斷裂,從圖中還可以得知,編織角越小的材料上表面破壞區(qū)域越集中在加載壓頭處,而編織角越大的材料上表面破壞區(qū)域越向外擴(kuò)展且越大。

圖8 40°試樣破壞形貌圖

彎曲試樣的下表面受拉應(yīng)力,編織角較大的材料基體及纖維產(chǎn)生較大的變形,試樣表面基體出現(xiàn)沿編織紗呈鋸齒狀的裂紋；編織角小的材料下表面基體開裂與纖維分離,圖9(b)和圖10(b)可觀察到斷口處既有垂直于編織方向的拉伸斷裂,也與編織成型方向呈一定角度的剪切破壞,靠近試樣邊緣處部分纖維斷裂翹起。

圖9 30°試樣破壞形貌圖

圖10 20°試樣破壞形貌圖

從試樣破壞側(cè)面圖可以觀察到靠近上表面樹脂及纖維因彎曲擠壓產(chǎn)生屈曲變形或沿編織紗開裂并向下擴(kuò)展,下表面處基體受拉應(yīng)力開裂,產(chǎn)生很多橫向裂紋向上擴(kuò)展。

圖11 為20°試樣加載至斷裂的斷口破壞形貌圖,從圖11中可以觀察到受壓側(cè)纖維斷裂面齊整,而拉伸側(cè)有明顯的纖維抽拔現(xiàn)象,說明壓縮側(cè)的纖維受到剪切或屈曲作用斷裂,拉伸側(cè)纖維在拉伸作用力下斷裂。

圖11 試樣斷口形貌圖

2.3 損傷應(yīng)變場分析與損傷演化

為進(jìn)一步探究不同編織角的三維面芯編織復(fù)合材料損傷情況,利用3D-DIC圖像采集及分析系統(tǒng)對試樣彎曲過程進(jìn)行圖像采集,通過分析得到試樣在不同階段的應(yīng)變分布情況及損傷演化過程。

圖12 和圖13為40°編織角試樣彎曲過程中載荷-時(shí)間曲線及對應(yīng)的不同時(shí)刻應(yīng)變圖。應(yīng)變場不同顏色代表剪切應(yīng)變量大小及正負(fù),顏色越靠近標(biāo)尺紅色區(qū)域應(yīng)變?yōu)檎以酱?越靠近紫色區(qū)域應(yīng)變?yōu)樨?fù)且越小。圖13(a)為加載初期5s時(shí)刻應(yīng)變圖,此時(shí)材料處于線彈性階段,應(yīng)變圖沒有顯示應(yīng)變差異；圖13(b)為加載至78s應(yīng)變圖,試樣上方的壓頭兩側(cè)為顏色不同區(qū)域,應(yīng)變梯度差異增大,但未出現(xiàn)明顯應(yīng)變集中處；圖13(c)為最大載荷處應(yīng)變圖,此時(shí)試樣靠近壓頭處出現(xiàn)紫色高應(yīng)變集中材料破壞；繼續(xù)加載高應(yīng)變區(qū)域逐漸向下延伸,可以觀察到表面裂紋擴(kuò)展,至118s圖13(d)時(shí)試樣出現(xiàn)新的高應(yīng)變區(qū),可觀察到試樣表面皺起及裂紋。

圖12 40°試樣載荷-時(shí)間曲線

圖13 40°試樣彎曲過程應(yīng)變圖

圖14 和圖15為30°編織角試樣彎曲過程中載荷-時(shí)間曲線及對應(yīng)的不同時(shí)刻應(yīng)變圖。圖15(a)為加載初期5s時(shí)刻應(yīng)變圖,與40°編織角試樣相同此時(shí)應(yīng)變圖沒有明顯高應(yīng)區(qū)域；隨著加載進(jìn)行,如圖15(b)所示,試樣表面出現(xiàn)高低不同應(yīng)變區(qū)域,表明已經(jīng)有微小裂紋產(chǎn)生；15(c)為達(dá)到最大載荷處,此時(shí)材料上層突然開裂試樣破壞,繼續(xù)加載裂紋持續(xù)擴(kuò)展增多,至114s試樣下表面出現(xiàn)新的應(yīng)變集中,后續(xù)材料可能在此處開裂。

圖14 30°試樣載荷-時(shí)間曲線

圖15 30°試樣彎曲過程應(yīng)變圖

圖16 和圖17為20°編織角試樣彎曲過程中載荷-時(shí)間曲線及對應(yīng)的不同時(shí)刻應(yīng)變圖。加載初期應(yīng)變場分布均勻,加載至97s曲線變?yōu)榉蔷€性,如圖17(b)所示試樣表面出現(xiàn)明顯應(yīng)變集中區(qū),加載壓頭處產(chǎn)生裂紋；137s時(shí)達(dá)到最大載荷,靠近上表面處基體及纖維受到擠壓皺起,靠近下表面應(yīng)變梯度差異增大顏色加深；17(d)所示為加載至183s時(shí),壓頭處損傷加劇,下表面邊緣處纖維斷裂。

圖16 20°試樣載荷-時(shí)間曲線

圖17 20°試樣彎曲過程應(yīng)變圖

綜合三種編織角應(yīng)變圖分析可知,彎曲過程材料受壓面接觸壓頭處首先發(fā)生損傷；損傷初期裂紋微小且被材料表面散斑遮蓋不易被觀察,通過應(yīng)變圖中應(yīng)變變化趨勢可判斷微裂紋產(chǎn)生部位及發(fā)展趨勢,加載后期基體及纖維被擠壓皺起開裂,散斑剝落使得裂紋凸顯；材料失效是由于受壓面大量基體開裂與纖維束斷裂,20°及30°編織角材料隨著加載進(jìn)行受拉面會(huì)突現(xiàn)基體開裂和纖維斷裂,40°編織角材料直至加載后期仍未發(fā)生明顯斷裂。

3 結(jié)論

本文制備了三種編織角度三維面芯編織復(fù)合材料,使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),并利用3D-DIC圖像采集及分析系統(tǒng)研究彎曲過程中三維面芯編織復(fù)合材料損傷演變。

(1)三維面芯編織復(fù)合材料彎曲載荷-位移曲線加載前期近似呈線性變化,編織角較大的材料達(dá)到極限載荷后曲線緩慢下降,編織角較小的材料達(dá)到極限載荷后曲線呈階段式的階梯下降。

(2)三維面芯編織復(fù)合材料的彎曲性能隨著編織角的增大而降低,40°編織角的材料最大載荷、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最小,但當(dāng)編織角超過一定界限后角度對材料彎曲性能的影響減弱。

(3)三維面芯編織復(fù)合材料在彎曲載荷下因彎曲中產(chǎn)生的大量裂紋及纖維斷裂而失效,結(jié)合3D-DIC技術(shù)觀察到裂紋首先發(fā)生在材料受壓面并逐漸向中性面擴(kuò)展,持續(xù)加載受拉面的基體及纖維發(fā)生斷裂,3D-DIC技術(shù)一定程度可得到材料各階段損傷的演變趨勢預(yù)測損傷的發(fā)生。