三維五向編織復合材料纖維束真實形態(tài)觀測

孫夢堯，于 頌，劉景艷，張典堂，錢 坤

（江南大學紡織科學與工程學院生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

三維編織復合材料是綜合現(xiàn)代復合材料和編織技術發(fā)展的新型先進結構復合材料。近年來，三維五向編織復合材料作為主承力構件和功能構件被廣泛應用于航天航空、軍事防護、交通運輸和海洋等領域，其結構設計及力學分析是當前學者研究的熱點問題［1-3］。三維編織復合材料中纖維束真實形態(tài)的研究直接關乎織物細觀結構建模及數(shù)值模擬的準確性，對于揭示服役條件下三維編織復合材料失效機理有重要意義［4-6］。

關于三維編織復合材料的細觀結構與纖維束橫截面形狀已經(jīng)有一些學者進行了研究［7-9］。文獻［10］利用磨拋手段獲取了9份不同花節(jié)高度位置的切面，采用CCD顯微攝像儀獲取了三維五向編織復合材料的一系列截面圖像，觀察到了內部纖維束的真實截面。然而其觀察面數(shù)量較少，并未分析截面變化規(guī)律，同時也未提取材料中纖維束的整體形態(tài)。朱元林等假設纖維束截面為橢圓形，經(jīng)擠壓后接觸面為六邊形柱面，建立了一個新的三維四向實體細觀結構模型，該模型主要通過假設和理論計算推導出來，與纖維束的真實形態(tài)還存在一些偏差［11］。近年來隨著Micro-CT 等內部檢測技術的發(fā)展，對織物結構的內部形態(tài)研究越來越多［12-14］。文獻［15-17］利用顯微計算機斷層掃描成像（Micro-CT）的方式，對2/2平紋織物以及2.5 D織物進行纖維束提取試驗，并利用數(shù)理統(tǒng)計法分析了相關截面參數(shù)變化，以及纖維束中心點位置、截面面積、截面偏轉角度等參數(shù)變化趨勢，但是并未對編織結構進行研究。在對三維編織復合材料的細觀結構研究中，劉振國等在碳纖維預制體中混入玻璃纖維作為示蹤紗，通過CT掃描方式提取三維全五向編織復合材料中的纖維束，得到了纖維束的真實形態(tài)，但是提取的截面為玻璃纖維的形態(tài)，且玻璃纖維和碳纖維的材料屬性差別很大，在預制體中的變形程度也不同，不能準確描述碳纖維編織復合材料中的纖維束形態(tài)［18］。綜上，現(xiàn)有研究對碳纖維三維五向編織復合材料內部纖維束的真實形態(tài)，如橫截面變化和受擠壓程度的研究很少，然而此研究對于細觀結構建模影響重大。

本文采用Micro-CT對樹脂基三維五向編織復合材料的內部結構進行觀察，可以清晰地看到纖維束在不同方向上的切片圖像，并提取了纖維束的真實形態(tài)。結合圖像分析技術獲得了纖維束的截面形狀，建立形成纖維束截面輪廓點的坐標系，計算得到一個花節(jié)內不同高度下的纖維束截面面積、截面中心點位置和截面偏轉角等參數(shù)，并對其結果進行分析。為進一步精細化建立三維五向結構模型和仿真計算奠定了基礎，為建立復雜載荷下的結構設計分析方法和失效判據(jù)提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 三維五向編織復合材料的制備

預制體設計：選用四步法編織三維五向預制體，攜紗器平面走勢如圖1所示。

圖1 三維五向編織預制體的纖維束平面路徑Fig.1 Planar path of fiber bundles of three-dimensional five-directional braided preform

圖1 不同區(qū)域的纖維束運動軌跡用不同顏色標出，紅色代表內胞，藍色代表面胞，綠色代表角胞。另外，○表示編織紗代表軸紗。纖維束平面路徑圖和單胞結構如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)一個單胞內包含9 根軸紗和10 根編織紗，所有編織紗按平面路徑方向可以分為與水平線呈45°和-45°等2 種，而所有軸紗都與水平面垂直。

圖2 纖維束平面路徑和單胞結構Fig.2 Fiber bundle plane path and single cell structure

原材料：選用密度為1.78 g/cm3的PAN基碳纖維，編織紗規(guī)格為T700-12 K。樹脂選用南通星辰合成材料有限公司的鳳凰牌E-51環(huán)氧樹脂，密度為1.2 g/cm3。

預制體：尺寸為300 mm×300 mm×4 mm，纖維體積含量為（54±1）%，花節(jié)寬度4.2 mm，花節(jié)高度7.2 mm，表面編織角30°。

復合工藝：用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝制備三維五向編織復合材料，模具尺寸為300 mm×300 mm×4 mm。固化工藝：烘箱溫度70 ℃，加熱時長3 h。

RTM機操作站以及制備好的復合材料板塊如圖3所示。板塊表面光滑平整無氣孔，經(jīng)機械加工廠切割成10 mm×20 mm×4 mm大小的試件。

圖3 RTM機和制備完成的板塊Fig.3 RTM machine and fabricated plate

1.2 Micro-CT掃描實驗原理和方法

高分辨率Micro-CT掃描技術可以對復合材料內部結構進行高精度、高清晰度和高對比度的掃描和重構，有助于對復合材料內部結構的深入研究[19-21]。工作原理如圖4所示，利用試件材料不同位置的不同密度，造成X射線的衰減系數(shù)不同，當X射線穿過試件時投射至面陣探測器上形成透射圖像。掃描過程中試件需要在樣件臺上旋轉。當旋轉180°后，Micro-CT設備的探測器就已經(jīng)得到該樣件的完整投影數(shù)據(jù)。

圖4 Micro-CT原理示意圖Fig.4 Illustration of Micro-CT principle

采用上海恩迪無損檢測控制技術有限公司提供的Micro-CT設備對試件進行掃描，空間分辨率為5～100 μm。對試樣每次進步0.5°，旋轉360°采集數(shù)據(jù)，樣品斷層掃描間距為35 μm，通過對試件進行斷層掃描后，得到5.3×109的體素數(shù)據(jù)，沿編織方向的切片層數(shù)1 256層。

2 結果與討論

圖5（a）為試件經(jīng)Micro-CT掃描后得到的整體形貌，圖5（b）～（c）為不同位置和方向的切面圖，其中由亮線圈出的部分為識別出的纖維束截面形狀。碳纖維對X射線的衰減系數(shù)大，所以在圖像中較亮；樹脂的衰減系數(shù)小，顏色較暗。調節(jié)灰度差值使樹脂在成像區(qū)域完全變暗至黑色，從而獲得清晰的纖維束形態(tài)[22]。由于在大型結構件中，內胞在結構分布中所占比例較多，所以本文主要研究三維五向編織結構中內胞纖維束的真實形態(tài)。

圖5 Micro-CT掃描圖像Fig.5 Micro-CT scan images

2.1 纖維束橫截面

借助VGSTUDIO MAX 軟件對三維五向編織復合材料的掃描數(shù)據(jù)進行截面提取，利用渲染工具調節(jié)圖像界面的灰度差值，使各個纖維束之間的邊界更加明顯。截面間隔為35 μm，一個花節(jié)高度內可提取出196層截面，同時可通過軟件中的多邊形工具對每一層提取出的截面進行截面定位，以保證纖維束信息的準確性［23］。將編織紗截面提取完成后的剩余區(qū)域為軸紗的橫截面，繼續(xù)利用多邊形工具對其分割提取。當所有纖維束截面提取完成后，由196層厚度為35 μm 的截面堆疊而成的實體即為纖維束的真實形態(tài)，如圖6所示。

圖6 提取完成的編織紗和軸紗Fig.6 Extraction of finished braiding yarn and axial yarn

從圖6可清晰看出，編織紗的截面隨著花節(jié)高度的變化會產生偏轉，表面出現(xiàn)凹凸不平，而纖維束整體形態(tài)仍保持伸直狀態(tài)；軸紗在空間中保持豎直形態(tài)，由于在每一個高度下軸紗所受周圍編織紗的擠壓情況不同，導致軸紗整體形態(tài)在空間上形成內凹帶棱的螺旋形態(tài)，但實質上并非發(fā)生扭轉。

為了便于分析，將圖6 中的纖維束在花節(jié)高度（h）上平均分成8份，并提取這些截面圖像，如圖7所示。由圖7（a）可以看出，隨著花節(jié)高度的增加，編織紗截面始終保持細長凸透鏡形狀，在3h/8～4h/8位置處編織紗有明顯的旋轉和擠壓程度的變化。由圖7（b）可以看出，軸紗截面形狀為扇形和三角形過渡變化，隨著花節(jié)高度的增加，自身截面被擠壓的程度不同。

圖7 纖維束截面形狀Fig.7 Cross sections of yarn

2.2 纖維束整體形態(tài)

由三維五向編織原理可知［24-25］，隨著編織工序的進行，編織紗會由內胞區(qū)域運動至面胞區(qū)域，但是這類編織紗在預制體內部時，截面變化情況和其他內胞中的纖維束相同［18］。本試樣中提取的編織紗就存在運動到預制體表面的情況，此類編織紗截面平行于花節(jié)寬度方向。由于試樣是由大塊板材切割制得，所以未提取到角胞區(qū)域的纖維束形態(tài)。實驗提取了13 根編織紗和9 根軸紗的空間形態(tài)，并對所有纖維束進行標號定位，如圖8所示。

圖8 建立的纖維束真實形態(tài)模型Fig.8 The established real morphological model of fiber bundles

從圖8（a）、（b）處的截面對比可以看出，纖維束形狀并不能完全重合，但是截面位置基本相同，其中部分編織紗運動到預制件表面進入到面胞區(qū)域，使其周圍軸紗形態(tài)也發(fā)生變化。雖然軸紗在空間上也并非完全豎直排列，但由于軸紗并不參與編織，所以其位置并未發(fā)生移動。圖8（c）為重構的三維編織纖維束真實模型。

2.3 纖維束橫截面變化情況

2.3.1 編織紗橫截面

此模型共計196 層截面，通過Image-J 中的Measure 功能計算截面參數(shù)。以花節(jié)起始位置0h處為第一層，定義5 號軸紗中心點為原點，花節(jié)寬度方向為X軸，預制體厚度方向為Y軸，建立平面坐標系。構成一個纖維束截面輪廓需要n個點，設n=25，連接這些點形成一個多邊形，可計算出截面面積S、截面中心點坐標（xi，yi）、截面偏轉角θ等相關截面參數(shù)。然后進行下一層參數(shù)的統(tǒng)計。為了便于分析截面變化規(guī)律，將花節(jié)均分成8 份，如圖9 所示。

圖9 截面偏轉角θ示意圖Fig.9 Schematic diagram of cross section deflection angle

對13 根編織紗進行參數(shù)統(tǒng)計，形成了截面相關參數(shù)曲線，如圖10所示。實驗中，纖維束運動到面胞時的參數(shù)不做統(tǒng)計，只統(tǒng)計內胞中的數(shù)據(jù)，即個別纖維束選取層數(shù)不足9層。圖10（a）為不同花節(jié)高度下的截面面積變化情況，圖10（b）為編織紗在水平面上的投影路徑，圖10（c）為不同花節(jié)高度下截面偏轉角θ的變化情況。

圖10 編織紗截面相關參數(shù)Fig.10 Relevant parameters of the braiding yarn sections

由圖10（a）可以發(fā)現(xiàn)，編織紗截面面積主要聚集在2～3 mm2之間。隨著花節(jié)高度的增加，面積變化呈正弦型曲線，且振幅大小較穩(wěn)定，說明在編織過程中，編織紗擠壓程度會發(fā)生變化，且在4h/8 位置上編織紗擠壓程度最大。由圖10（b）可以看出，纖維束中心路徑平面上的投影呈±45°，這與文獻［10］中的結論相同。但是由于編織紗在空間中互相纏繞交織，同時“打緊”工序使其受力變形，實際的纖維束自身存在旋轉和偏移，并非完全伸直。此外，在復合過程中模具加壓也會對預制體厚度產生影響，導致纖維束截面形狀改變。這將對后期細觀精細化建模提供新的思路。從圖10（c）可以發(fā)現(xiàn)，截面偏轉角θ的范圍是40°～60°，120°～140°，整體曲線以切面位置等于4h/8 為軸呈對稱狀，在花節(jié)高度為1h/8～2h/8 和6h/8～7h/8 時，編織紗偏轉程度最大；在花節(jié)高度為4h/8 時，纖維束的偏轉程度最小。這也說明每一根編織紗在不同層下的中心點位置也并非呈線性趨勢，編織紗自身的確存在偏轉從而導致截面中心偏移。

綜上所述，在四步法編織過程中編織紗自身存在偏轉，截面形狀呈凸透鏡狀基本不會變化，但是面積大小呈正弦式變化，4h/8 處的編織紗截面面積最小，即所受擠壓程度最大；在1h/8～2h/8 和6h/8～7h/8 位置中編織紗偏轉程度最大。

2.3.2 軸紗橫截面

軸紗的空間形態(tài)和編織紗完全不同，圖11（a）為軸紗的截面面積變化情況。由于軸紗在編織方向呈豎直狀態(tài)，并不參與編織，可認為所有軸紗的運動規(guī)律相同，所以圖11（b）選取了具有代表性的3 號軸紗，統(tǒng)計不同高度下的截面中心點變化情況。由圖11（a）可看出，軸紗的截面積大小在1.5～2.2 mm2之間，曲線圖呈雙峰狀，2h/8 和6h/8處軸紗面積最大，即此時受擠壓程度最小，4h/8 處的面積數(shù)值最小。由圖11（b）可以看出，截面中心點分布比較集中，纖維束整體并未形成偏移。由于軸紗截面形狀為三角形到扇形的過渡變化，導致截面偏轉角的計算結果并不準確，所以本文并未對其進行計算。

圖11 軸紗截面相關參數(shù)Fig.11 Relevant parameters of the axial yarn sections

3 結 論

1）三維五向編織復合材料內胞區(qū)域中編織紗和軸紗相互作用明顯，編織紗截面中軸線在空間呈伸直狀態(tài)，但存在明顯偏轉。軸紗受編織紗運動影響，表面呈內凹帶棱的螺旋形態(tài)，這將為細觀模型重構提供更可靠的依據(jù)。

2）三維五向編織復合材料內胞區(qū)域中編織紗截面形狀為凸透鏡形，且基本不變，但截面積大小隨著花節(jié)高度增加呈近正弦式變化。軸紗截面形狀在三角形和扇形之間迭代變化。

3）編織紗的平面路徑與水平線夾角并非理想狀態(tài)下的±45°，這也說明使用有限元分析的細觀模型存在較大的局限性。