縫合密度對(duì)預(yù)浸料復(fù)合材料的性能影響

王芳芳，周凱運(yùn)，喬志煒，張方超

（1.南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012；2.航空工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，濟(jì)南 250023）

0 前言

復(fù)合材料由于比模量高、比強(qiáng)度高、材料性能可設(shè)計(jì)、制造工藝簡(jiǎn)單、良好的熱穩(wěn)定性、抗疲勞、抗腐蝕等性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)、空間技術(shù)、汽車(chē)工業(yè)、化工、醫(yī)學(xué)、武器裝備技術(shù)、信息技術(shù)、民用建筑等領(lǐng)域［1，2］。在航空航天技術(shù)迅速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)材料及結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足對(duì)力學(xué)性能、電性能、輕質(zhì)、低燒蝕和高效隔熱等的需求，為此Z向連接的預(yù)制體成為一種既能滿(mǎn)足力學(xué)性能又能滿(mǎn)足功能要求的復(fù)合材料增強(qiáng)體，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用。

縫合工藝是指采用縫合線使疊加的多層織物或分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料用預(yù)制體制備技術(shù)［3］?？p合復(fù)合材料具有抗分層能力強(qiáng)，抗疲勞性能優(yōu)異、構(gòu)件的整體性能好等特性，縫合作為一項(xiàng)提高復(fù)合材料層間性能的工藝越來(lái)越受到世界各國(guó)的普遍重視。20世紀(jì)90年代末，波音公司的第三代編織機(jī)已經(jīng)研制成功，其中大量采用縫合工藝，實(shí)現(xiàn)幾何尺寸更大、形狀更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如半翼展機(jī)翼盒段、機(jī)身曲面板、蒙皮和壓力擋板等［4］。張佐光等［5，6］提出了一種采用縫合工藝實(shí)現(xiàn)泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法。B.巴赫［7］研發(fā)了一種采用縫合、針刺工藝提供一種纖維預(yù)浸料層加強(qiáng)的復(fù)合材料，該方法可以通過(guò)熱壓裝置處理制備具有針對(duì)性的加強(qiáng)構(gòu)件。梁森等［8］提出了一種嵌入式共固化縫合阻尼薄膜復(fù)合材料及其制作工藝，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王振華［9］提供了一種能使梯度密度材料功能和性能呈現(xiàn)合理梯度變化，且能消除界面問(wèn)題的梯度密度樹(shù)脂復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，該方法主要是先制備不同功能、性能的預(yù)浸料，然后梯度鋪層疊加縫合實(shí)現(xiàn)層間連接。

國(guó)內(nèi)外對(duì)縫合工藝對(duì)材料性能影響開(kāi)展了大量的研究工作，縫合結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)、縫合原材料等是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本的重要因素，其中縫合密度作為主要的縫合參數(shù)之一，亦是提高材料層間性能的關(guān)鍵因素之一。［10，11］縫合密度對(duì)材料性能的影響主要體現(xiàn)為：①縫合線引入的同時(shí)會(huì)引入預(yù)制體缺陷，導(dǎo)致纖維布層一定程度受損及纖維屈曲，降低材料面內(nèi)性能；②引入的縫合線在厚度方向連續(xù)，改善材料抗層間剪切能力。［12］因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)縫合密度，提高復(fù)合材料制件整體性能。但是目前大多數(shù)研究的基礎(chǔ)是采用干態(tài)纖維層逐層疊加、縫合、復(fù)合而制備成復(fù)合材料，而針對(duì)預(yù)浸料逐層疊加壓實(shí)、縫合、復(fù)合而制備成復(fù)合材料的研究鮮有報(bào)道，尚且未查到縫合參數(shù)對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料性能影響的相關(guān)報(bào)道。

本文選用環(huán)氧樹(shù)脂制備石英纖維預(yù)浸料，將石英纖維預(yù)浸料逐層疊加壓實(shí)，采用縫合工藝研制了不同縫合密度的石英纖維預(yù)浸料縫合預(yù)制體，然后采用熱壓罐成型工藝制備了相應(yīng)的復(fù)合材料，深入研究了縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響，探究較優(yōu)的縫合密度，為高性能預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的推廣應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)支撐，使得預(yù)浸料縫合預(yù)制體在航空航天發(fā)展上得到長(zhǎng)足的應(yīng)用，對(duì)我國(guó)的國(guó)防及民用復(fù)合材料技術(shù)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

石英纖維布：厚度0.2mm的 2/2石英纖維斜紋布，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司；

石英纖維：B型，線密度為72 tex ，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司；

樹(shù)脂：耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂，自制。

1.2 預(yù)浸料縫合預(yù)制體的制備

為了避免引入因素過(guò)多，本試驗(yàn)采用0°/90°交替鋪層的方式進(jìn)行預(yù)浸料石英纖維布層鋪放，并真空壓實(shí)。按照表1所示的主要縫合參數(shù)，通過(guò)縫合工藝對(duì)已鋪放好的預(yù)浸料進(jìn)行縫合而得預(yù)浸料縫合預(yù)制體，見(jiàn)圖1所示。

圖1 不同縫合密度的預(yù)浸料縫合預(yù)制體

表1 預(yù)浸料縫合預(yù)制體的主要縫合參數(shù)

2 預(yù)浸料縫合復(fù)合材料成型與材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)

采用熱壓罐成型方式對(duì)前述預(yù)浸料縫合預(yù)制體進(jìn)行復(fù)合成型，制備形成預(yù)浸料縫合復(fù)合材料。預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的拉伸、彎曲和層間剪切性能在Instron3365萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試表征，其測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2所示，每項(xiàng)性能測(cè)試取5個(gè)以上有效試樣計(jì)算平均值，測(cè)試過(guò)程的加載速率均為1 mm/min。

表2 性能測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 面內(nèi)性能分析

復(fù)合材料的面內(nèi)性能主要是由面內(nèi)連續(xù)長(zhǎng)纖維和基體提供，測(cè)試不同縫合密度的預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的面內(nèi)性能，測(cè)試結(jié)果表3所示，縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料面內(nèi)性能影響趨勢(shì)見(jiàn)圖2~圖3所示。

表3 面內(nèi)性能測(cè)試結(jié)果

在室溫測(cè)試條件，對(duì)比未縫合與縫合密度為3 mm×3 mm預(yù)浸料復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，縫合后預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度降低約236.80 MPa，可見(jiàn)縫合線引入的同時(shí)會(huì)引入預(yù)制體缺陷，造成面內(nèi)強(qiáng)度降低。由測(cè)試結(jié)果可知，縫合密度變化對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料拉伸性能影響較大。

圖2~圖3分別為縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料面內(nèi)拉伸、彎曲性能的影響趨勢(shì)圖?？p合線引入造成的纖維布層中纖維彎曲、斷裂損傷等影響，隨著縫合密度增大，預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能整體均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比未縫合，隨著縫合密度增大，室溫測(cè)試條件下拉伸強(qiáng)度降低幅度分別約41.7%、47.5%和42.4%，拉伸模量降低幅度分別為9.9%、8.1%和12.9%；在室溫和350 ℃測(cè)試環(huán)境下彎曲性能降低幅度均增大，且高溫降低的幅度較大，彎曲強(qiáng)度降低幅度依次分別為4.6%、12%、13.2%，彎曲模量降低幅度依次分別為16.6%、18.8%、32.2%，但彎曲性能降低幅度低于拉伸性能，這是彎曲破壞時(shí)面內(nèi)連續(xù)纖維隨著基體開(kāi)裂而被剪斷；縫合密度6 mm×6 mm的面內(nèi)性能的離散值整體相對(duì)較低，縫合線的引入在一定程度上降低了復(fù)合材料性能的離散性。

圖2 縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料面內(nèi)強(qiáng)度影響

圖3 縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料面內(nèi)模量影響

3.2 層間剪切性能分析

縫合復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度主要由縫合線引入的長(zhǎng)纖維與平面連續(xù)長(zhǎng)纖維相互作用來(lái)提供。在室溫和高溫環(huán)境下，測(cè)試不同縫合密度的預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所示，其縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度影響趨勢(shì)如圖4所示。對(duì)比未縫合和預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，層間剪切強(qiáng)度有所提升，可見(jiàn)引入的縫合線在厚度方向連續(xù)，提高了材料抗層間剪切能力。

表4 層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖4為縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料層間剪切性能的影響趨勢(shì)圖。隨著縫合密度增大，預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后略減的變化趨勢(shì)?？p合復(fù)合材料厚度方向引入的縫合線使層間剪切破壞機(jī)理發(fā)生改變，在原來(lái)的基體剪切破壞基礎(chǔ)上增加了縫合線的剪切和拉伸破壞，有利于提高層間強(qiáng)度，但縫合密度過(guò)小時(shí)，縫合對(duì)纖維的彎曲和損傷較大，針腳處的富樹(shù)脂區(qū)尺寸變大，更容易引發(fā)裂紋并造成應(yīng)力集中，使層間剪切強(qiáng)度有所降低。常溫測(cè)試環(huán)境下，縫合密度6 mm×6 mm的層間剪切強(qiáng)度略低于未縫合，可能是由于取樣的差異導(dǎo)致，并不影響整體變化趨勢(shì)。

圖4 縫合密度對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度影響

相比常溫測(cè)試環(huán)境，隨著縫合密度增大，在高溫測(cè)試環(huán)境下，層間剪切強(qiáng)度的增加幅度較大，且增加幅度約26%~34%，這可能是在高溫環(huán)境下縫合線與耐高溫樹(shù)脂體界面性較好，提高了材料層間剪切的整體性能。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同縫合密度的石英纖維預(yù)浸料縫合復(fù)合材料在室溫和350 ℃條件下測(cè)試其力學(xué)性能，并針對(duì)縫合密度對(duì)其力學(xué)性能影響的分析和討論，得到以下結(jié)論：

（1）預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的面內(nèi)拉伸、彎曲性能隨著縫合密度增加，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且拉伸降低的幅度最大，而彎曲性能降低幅度較小，這是在彎曲承載過(guò)程中，隨著縫合密度增加一定程度，纖維布層間易因?qū)娱g強(qiáng)度高而不易發(fā)生層間開(kāi)裂破壞。

（2）層間剪切性能隨著縫合密度的增加，呈現(xiàn)先增后略減的變化趨勢(shì)，因而，縫合密度存在一個(gè)最佳值，可以充分發(fā)揮縫合線的剪切和拉伸承載作用，使得縫合對(duì)層間強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最大化。

（3）相比室溫測(cè)試環(huán)境下，雖然高溫環(huán)境對(duì)預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的彎曲性能影響不大，但是隨著縫合密度增加，預(yù)浸料縫合復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度增加的幅度較大，說(shuō)明預(yù)浸料縫合復(fù)合材料在高溫環(huán)境下工作層間性能有一定程度的改善。