編織角對(duì)3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲性能的影響

賀辛亥,寧志新，梁軍浩，周光瑞，劉江南，王俊勃，尚星宇，徐雅琪，鞠錄巖

(1.西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院， 陜西 西安 710048；2. 西京學(xué)院 理學(xué)院， 陜西 西安 710126；3. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

三維編織復(fù)合材料[1-3]是將纖維編織成三維整體織物，再與基體(樹(shù)脂、陶瓷和金屬等)復(fù)合而成。三維編織碳纖維復(fù)合材料具有良好的結(jié)構(gòu)整體性，比強(qiáng)度、比剛度高，抗疲勞性能好[4-6]。由于三維編織碳纖維能有效克服碳纖維復(fù)合材料分層的難題，因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、軍事及民用領(lǐng)域[7-9]。

編織角是復(fù)合材料預(yù)制體編織的一個(gè)重要工藝參數(shù)，直接影響編織復(fù)合材料的力學(xué)性能。關(guān)于編織角對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)行為的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李嘉祿等研究發(fā)現(xiàn)，隨著編織角的增大，T300/TDE-85復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度和模量均減小[10]。郭穎等研究了三維六向編織T700/TDE86復(fù)合材料的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料拉伸彈性模量和拉伸強(qiáng)度受編織角的影響顯著,編織角較小時(shí)，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于線性，材料表現(xiàn)為脆性特征[11]。鄭錫濤等研究了四向編織和五向編織復(fù)合材料編織工藝參數(shù)與拉伸性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在纖維的體積含量相同時(shí)，復(fù)合材料的拉伸彈性模量和拉伸強(qiáng)度均隨著編織角度的增大而減小，而泊松比卻隨著編織角度的增大而增大[12]。SINGH等對(duì)編織角為30°、45°和60°的混雜纖維增強(qiáng)熱塑性編織復(fù)合管梁進(jìn)行了靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著編織角的增加，局部壓碎顯著減少[13]。CUI等系統(tǒng)地研究不同編織角度三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)編織角對(duì)復(fù)合材料的縱向力學(xué)性能影響較大[14]。FUJIHARA等研究編織結(jié)構(gòu)的接骨復(fù)合板的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)編織角在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)薄板的彎曲性能影響不大[15]。張?jiān)弃Q等采用擠壓鑄造法制備了增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為50%的Cf/Al復(fù)合材料，該材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，分別達(dá)到302 MPa·cm3/g和104 GPa·cm3/g[16]。胡銀生等研究了保壓時(shí)間對(duì)3D-SiCf/6061Al復(fù)合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨著保壓時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)[17]。聶明明等利用真空氣壓浸滲法制備三維五向M40碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料并測(cè)試其力學(xué)性能[18]。結(jié)果表明，三維編織碳纖維鋁基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨纖維預(yù)制體預(yù)熱溫度的提高而顯著降低。然而，在金屬基復(fù)合材料中，編織角對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律以及影響機(jī)制尚不明確，開(kāi)展該方面的研究工作對(duì)金屬基三維紡織復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

本研究以6061鋁合金為基體材料，選用三維四向編織碳纖維增強(qiáng)體,通過(guò)壓力浸滲法制備了3D-Cf/6061Al復(fù)合材料,研究不同編織角3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的微觀組織和彎曲性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

1.1.1 材料

碳纖維(日本東麗T300-6K，密度為1.76 g/cm3)；基體合金為6061鋁合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表 1 6061鋁合金化學(xué)成分

1.1.2 設(shè)備

UTM5504.50kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(山東科盛電子)；蔡司evo 10掃描電子顯微鏡(德國(guó)卡爾蔡司)；SX2-8-10箱式電阻爐(北京科偉永興)；100T平板硫化機(jī)(鄭州大眾機(jī)械)；DK7720線切割機(jī)機(jī)(江蘇萊特斯)。

1.2 制作工藝

三維四向碳纖維預(yù)制體采用“四步法”工藝,由自研三維編織機(jī)編織而成。分別編織了10°、20°和30°編織角的預(yù)制體，如圖1(a)所示。將編織后的三維碳纖維預(yù)制體與6061鋁合金采用壓力浸滲法進(jìn)行復(fù)合[19-21]，浸滲工藝如圖2所示。在氬氣保護(hù)下，模具中碳纖維預(yù)熱至550 ℃；在680 ℃條件下，將熔煉坩堝中6061鋁合金倒入模具中；液壓機(jī)下行，在50～70 MPa壓力下將熔融態(tài)鋁合金浸滲進(jìn)入碳纖維預(yù)制體中；保壓90 s，冷卻后即可得到復(fù)合材料，如圖1(b)所示。

(a) 三維四向碳纖維預(yù)制件 (b) 壓力浸滲成型件圖 1 3D-Cf/6061Al復(fù)合材料Fig.1 3D-Cf/6061Al composites

圖 2 復(fù)合材料壓力浸滲成型示意圖及工藝流程Fig.2 Schematic diagram of composite material pressure infiltration molding

1.3 物理性能

本文中，編織角指的是預(yù)制體表面編織角，預(yù)制體編織完成后采用稱(chēng)重法計(jì)算纖維體積分?jǐn)?shù)。稱(chēng)重前將預(yù)制件烘干，測(cè)量所得復(fù)合材料尺寸，根據(jù)式(1)計(jì)算出每件試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf。計(jì)算結(jié)果及復(fù)合材料試片的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

(1)

式中:G為預(yù)制件的烘干后質(zhì)量；ρ為纖維束的密度；W、T和H分別為復(fù)合材料的寬度、厚度和長(zhǎng)度[22-24]。

表 2 復(fù)合材料試片的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 彎曲性能

復(fù)合材料的彎曲性能按照國(guó)家實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)HB 7617—1998《纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料層板彎曲性能試驗(yàn)方法》，采用三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸2 mm×10 mm×75 mm，支點(diǎn)間距60 mm，壓頭的加載速度0.5 mm/min。三點(diǎn)彎曲儀器采用UTM5504．50 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量根據(jù)ASTM D790-10[25]中給出的公式計(jì)算。通過(guò)掃描電子顯微鏡(蔡司evo 10)觀察試樣的微觀組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖3為不同編織角下3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的顯微照片。由T300-6K碳纖維編織的6061鋁基復(fù)合材料，編織角分別為10°、20°和30°。圖3(a)中的纖維相較于圖3(b)和(c)有明顯纖維沖散，即在3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的編織角度不同的情況下，低角度的編織緊密程度明顯比大角度的低。原因是在編織過(guò)程中，編織角隨花節(jié)的增大而減小?；ü?jié)越小，編織角越大，碳纖維預(yù)制體越緊密。使得碳纖維預(yù)制體在浸滲過(guò)程中，小角度纖維預(yù)制體更容易被金屬容易沖散，造成纖維分布不均勻、纖維團(tuán)聚。由圖3(c)局部放大部分可以清晰看出，碳纖維與6061Al基體之間的界面結(jié)合良好，界面附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分層、開(kāi)裂、縮孔和縮松等缺陷，提高了3D5-Cf/6061Al復(fù)合材料的性能。從圖3(c)還可以看到，碳纖維在鋁基體中分散良好，反映了3D5-Cf/6061Al復(fù)合材料在壓力浸滲過(guò)程中碳纖維與6061鋁基體的滲透性良好，同時(shí)也表明了3D5-Cf/6061Al復(fù)合材料的致密性良好。壓力浸滲能在一定程度解決碳纖維與6061鋁合金基體界面結(jié)合力弱這一問(wèn)題，從而獲得較好的浸滲效果。

(a) 10° (b) 20° (c) 30°圖 3 不同編織角的3D-Cf/6061Al復(fù)合材料橫截面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of cross-sections of composites under different braiding angles

2.2 力學(xué)性能

不同編織角度3D-Cf/6061A復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同編織角復(fù)合材料彎曲性能對(duì)比Fig.4 Comparison of bending properties of composites with different braided angles

從圖4可以看出：當(dāng)編織角為10°時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到316.88 MPa,彎曲模量達(dá)到75.67 GPa;當(dāng)編織角為30°時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到267.47 MPa，彎曲模量達(dá)到31.19 GPa?？梢?jiàn)：當(dāng)編織角越小時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量越大；當(dāng)編織角越大時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度越小。

圖5為3種不同編織角3D-Cf/6061Al復(fù)合材料彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出：在彎曲測(cè)試的初始階段，應(yīng)力-應(yīng)變?cè)谳^短時(shí)間內(nèi)并未呈現(xiàn)出線性趨勢(shì)；隨著彎曲載荷的逐漸增加，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈現(xiàn)出線性變化趨。3D-Cf/6061Al復(fù)合材料呈彈性變形特征。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料失效斷裂，應(yīng)力急劇下降，失效斷裂呈現(xiàn)為脆性斷裂。當(dāng)編織角10°時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率最大，說(shuō)明編織角在10°時(shí)彎曲模量最大；同時(shí)，編織角在10°時(shí)應(yīng)力最大，說(shuō)明彎曲強(qiáng)度最大。隨著編織角的增大，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的應(yīng)變量也隨之增大，此時(shí)其延伸率變大，韌性更好。

圖 5 復(fù)合材料彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Bending stress and strian curves of composites

2.3 斷口破壞機(jī)理

不同編織角下3D-Cf/6061Al 復(fù)合材料斷口形貌如圖6所示。觀察斷面發(fā)現(xiàn)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料試樣斷口參差不齊。分析可知，材料的破壞并不在纖維與基體界面，而是以纖維的拉斷和基體的破壞為主要形式。但是，此過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)明顯拉拔現(xiàn)象，碳纖維局部斷面平滑；碳纖維與界面之間反應(yīng)良好時(shí)，斷面上的纖維平齊斷裂。原因是界面結(jié)合力強(qiáng)，斷裂由基體發(fā)生。從圖6還可以看到，一部分碳纖維從內(nèi)部斷裂。也說(shuō)明了3D5-Cf/6061Al復(fù)合材料的界面結(jié)合力強(qiáng)，并且已經(jīng)高于碳纖維的橫向強(qiáng)度，因此裂紋并未從界面擴(kuò)展。與碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料不同，銅對(duì)碳纖維潤(rùn)濕性較差，在碳纖維未進(jìn)行涂層處理時(shí)，兩相間的界面結(jié)合狀況很差，在復(fù)合材料中纖維只是被銅基體包裹在基體中，纖維與基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度很低，是一種弱界面結(jié)合。在拉伸的過(guò)程，復(fù)合材料在拉伸載荷的作用下首先出現(xiàn)垂直于纖維的裂紋，裂紋繞過(guò)纖維擴(kuò)展。隨著裂紋的擴(kuò)展，基體首先斷裂，纖維拔出[26]。

(a) 10° (b) 20° (c) 30°圖 6 不同編織角的復(fù)合材料斷口SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of fracture surface of composites under different braiding angles

當(dāng)編織角增大時(shí)，纖維斷裂面的不平整度增加，斷口部分呈現(xiàn)出一定角度的剪切斷裂特征。原因是編織角度的增加使纖維在切向方向的分力增加，從而使得軸方向上應(yīng)力減小?？梢缘贸觯壕幙椊窃酱?，纖維橫向分力越大，纖維斷裂面的不平整度增加，拉拔現(xiàn)象明顯增加。從圖6(b)和(c)可以看出，纖維與基體的界面附近有較為明顯的開(kāi)裂，成束的纖維從斷口處拔出，還可以看出裸露的纖維面比較光滑。說(shuō)明纖維與基體在受力過(guò)程中兩者之間黏附力小于所受的彎曲應(yīng)力，從而造成脫粘現(xiàn)象。在壓力浸滲3D-Cf/6061Al復(fù)合材料時(shí)，保壓的過(guò)程并未對(duì)纖維造成損傷，但是碳纖維與鋁基體在界面附近存在一定的界面孔隙缺陷，使得纖維間很容易發(fā)生分離現(xiàn)象，從而降低3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)編織角較小時(shí)，3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的斷面較平整，纖維拔出較少，脆性斷裂特性明顯；當(dāng)編織角較大時(shí)，復(fù)合材料斷面參差不齊，斷口呈現(xiàn)一定的角度，纖維束平整度下降，有纖維拉拔現(xiàn)象。

2) 3D-Cf/6061Al復(fù)合材料在彎曲起始階段，應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诙虝r(shí)間并未呈現(xiàn)線性趨勢(shì)；隨著載荷的增加，應(yīng)力隨應(yīng)變開(kāi)始呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)；當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣失效斷裂，應(yīng)力急劇下降。

3) 3D-Cf/6061Al復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均隨編織角的減小而增大。當(dāng)編織角10°時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大，彎曲強(qiáng)度達(dá)到316.88 MPa，彎曲模量達(dá)到75.67 GPa。