二維與三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能對(duì)比

孫洋，黃建，*，韓晨晨，趙振強(qiáng)，周海麗，孫方方，李超，張超，張立泉

1.南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210000

2.西北工業(yè)大學(xué) 民航學(xué)院，西安 710072

隨著工業(yè)化進(jìn)程和節(jié)能減排需求的加深，輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料逐漸成為研發(fā)和生產(chǎn)制造領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。高性能連續(xù)纖維及其織物是先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)體的主要形式，根據(jù)織造工藝，織物又分為機(jī)織結(jié)構(gòu)、編織結(jié)構(gòu)和針織結(jié)構(gòu)［1］。隨著機(jī)織工藝和自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)織復(fù)合材料在航空航天和軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。法國(guó)CFM公司的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片和機(jī)匣均采用了機(jī)織復(fù)合材料，在提高葉片抗疲勞性和機(jī)匣包容性的同時(shí)，成功使發(fā)動(dòng)機(jī)減重454 kg［2-3］。

二維機(jī)織層合和三維機(jī)織是機(jī)織復(fù)合材料的兩種常見結(jié)構(gòu)，前者由二維機(jī)織布鋪設(shè)工藝制備，存在層合純樹脂界面，后者由三維機(jī)織工藝制備，經(jīng)緯紗束交聯(lián)互鎖呈整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Li等［4］通過原位加載試驗(yàn)研究了三維機(jī)織復(fù)合材料的面外拉伸性能和剪切性能，發(fā)現(xiàn)裂紋起始于纖維束/基體界面，并沿彎曲的紗線表面擴(kuò)展至接結(jié)經(jīng)紗后改變路徑。Pankow等［5］和Naik［6］的研究表明，在準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞載荷下，二維機(jī)織層合復(fù)合材料更容易出現(xiàn)明分層現(xiàn)象，而接結(jié)經(jīng)紗的綁定作用提升了三維機(jī)織復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度［7］，使其表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)整體性和更高損傷容限。但接結(jié)經(jīng)紗的引入增大了纖維束的波動(dòng)角度，使三維機(jī)織復(fù)合材料的損傷失效機(jī)制更加復(fù)雜，同時(shí)試樣在壓縮載荷下呈現(xiàn)更分散的損傷狀態(tài)。Cox［8］、Kuo［9］和Mahadik［10-11］等研究發(fā)現(xiàn)，三維機(jī)織復(fù)合材料中纖維束的典型彎曲波動(dòng)角度為4°～12°，導(dǎo)致材料在壓縮載荷下更容易產(chǎn)生纖維束扭結(jié)破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維束的彎曲波動(dòng)使三維機(jī)織復(fù)合材料的彈性模量降低了約35%［12］。Warren等［13］試驗(yàn)研究了三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能，并認(rèn)為材料在拉伸載荷下的非線性行為與纖維束的彎曲程度有關(guān)。結(jié)合Dai等［14］的研究可知，接結(jié)經(jīng)紗的彎曲波動(dòng)角度和體積含量直接影響了復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸和壓縮性能，處于平直狀態(tài)的紗線能更加充分地發(fā)揮承載能力。Saleh等［15］發(fā)現(xiàn)接結(jié)經(jīng)紗的引入增加了三維機(jī)織復(fù)合材料的孔隙率。Aly-hassan等［16］對(duì)比了二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸和剪切性能，三維機(jī)織復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度較低，最終剪切變形較高，但其拉伸斷裂韌性明顯高于二維機(jī)織復(fù)合材料。Huang等［17］提出了4步法研究三維機(jī)織復(fù)合材料漸進(jìn)損傷行為與微裂紋效應(yīng)的試驗(yàn)方法，獲取了不同損傷程度對(duì)于復(fù)合材料剩余剛度、剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律。紗束在空間中的交織運(yùn)動(dòng)，給三維機(jī)織復(fù)合材料提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間，紗線的密度［18-19］、規(guī)格［20］、體積分?jǐn)?shù)［21］等工藝參數(shù)都極大地影響材料的力學(xué)性能。

以上研究主要以三維機(jī)織復(fù)合材料為對(duì)象，分析接結(jié)經(jīng)紗的交織方式、體積含量和波動(dòng)角度對(duì)材料力學(xué)性能的影響。相比于二維機(jī)織層合復(fù)合材料，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在厚度上層層交聯(lián)，形成互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有更好的面外性能，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多為薄壁結(jié)構(gòu)，面內(nèi)力學(xué)性能通常是設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)依據(jù)，目前，對(duì)二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的面內(nèi)力學(xué)性能和承載機(jī)制的差異化研究還不夠充分。通過試驗(yàn)對(duì)比結(jié)構(gòu)形式和工藝參數(shù)相同的二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向拉伸和壓縮性能及面內(nèi)剪切性能，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC）采集了試樣的應(yīng)變場(chǎng)，研究二維和三維機(jī)織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能和失效機(jī)制的差異，以期為機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 材料制備及試驗(yàn)方法

1.1 機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了對(duì)比研究二維和三機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能和失效機(jī)制的差異，設(shè)計(jì)并制備了結(jié)構(gòu)形式和工藝參數(shù)相同的二維機(jī)織層合和三維機(jī)織復(fù)合材料，如圖1所示，二維機(jī)織結(jié)構(gòu)是由三維機(jī)織結(jié)構(gòu)經(jīng)平面映射獲得，表1列出了兩種復(fù)合材料的工藝參數(shù)，二維機(jī)織層合復(fù)合材料由7層機(jī)織布堆疊而成，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯紗在平面內(nèi)的交織方式與二維機(jī)織層合復(fù)合材料一致，在厚度方向上每根經(jīng)紗穿過相鄰兩層緯紗形成周期性交聯(lián)互鎖，如圖1（b）所示。這兩種復(fù)合材料預(yù)制體均采用T700碳纖維束機(jī)織而成，經(jīng)環(huán)氧樹脂RTM成型工藝制備。

表1 二維機(jī)織層合和三維機(jī)織細(xì)觀單胞工藝參數(shù)Table 1 Weaving process parameters of 2D and 3D woven unit cell

圖1 兩種機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀單胞結(jié)構(gòu)Fig.1 Microscopic unit cell structure of two types of woven composites

兩種機(jī)織結(jié)構(gòu)的表面紋理一致，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯差異。圖2和圖3對(duì)比了兩種機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)、緯紗的截面形貌，一方面，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗更加彎曲，緯紗也在經(jīng)紗的影響下呈現(xiàn)一定的彎曲形態(tài)，如圖3所示，另一方面，由于經(jīng)紗與相鄰緯紗的交織，在三維機(jī)織復(fù)合材料表面兩層緯紗間形成空隙區(qū)域，如圖2（d）所示，導(dǎo)致RTM成型后該區(qū)域樹脂富集。

圖3 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料緯紗截面Fig.3 Cross section of 2D and 3D woven composites along weft direction

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)二維機(jī)織層合和三維機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行了經(jīng)、緯向拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切試驗(yàn)。其中，拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)分別參照ASTM D3039、ASTM D6641和ASTM D7078標(biāo)準(zhǔn)開展，在1 000～3 000 με范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)織復(fù)合材料的拉伸和壓縮模量，取最終斷裂載荷計(jì)算拉伸和壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度為5%剪切應(yīng)變時(shí)的剪切應(yīng)力。根據(jù)ASTM D6856標(biāo)準(zhǔn)，為了避免機(jī)織復(fù)合材料尺寸效應(yīng)的影響，拉伸和壓縮試樣在寬度上包含至少2個(gè)代表性體積單胞，其中，經(jīng)向拉伸和壓縮試樣寬度w=25 mm，緯向拉伸和壓縮試樣寬度w=30 mm，圖4為試樣的幾何尺寸，拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切試樣的測(cè)試段長(zhǎng)度分別為130 mm、30 mm和25 mm。所有試驗(yàn)均在PLD/250 kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸和壓縮試驗(yàn)加載速率為2 mm/min，剪切試驗(yàn)加載速率為1 mm/min，每種工況進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，以保證結(jié)果的有效性。由于機(jī)織復(fù)合材料獨(dú)特的重復(fù)性單胞結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試方法應(yīng)保證至少覆蓋測(cè)試方向上的最小單胞尺寸，為保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，通過DIC技術(shù)采集試樣在承載過程中的應(yīng)變場(chǎng)，分別在拉伸、壓縮和剪切試樣的測(cè)試段內(nèi)噴涂白色底漆和黑色散斑，采用大恒工業(yè)相機(jī)拍攝試樣表面，拍攝分辨率為1 400×3 672像素，采集頻率為2 Hz，相關(guān)試驗(yàn)設(shè)置如圖5所示。在試驗(yàn)正式開始前，用相機(jī)拍攝標(biāo)定板不同方位和角度的照片，作為標(biāo)定相機(jī)相對(duì)位置的參數(shù)。

圖4 試樣的幾何尺寸Fig.4 Geometry parameters of specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸力學(xué)性能

圖6為兩種復(fù)合材料沿經(jīng)、緯向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中應(yīng)力由拉伸試驗(yàn)機(jī)載荷計(jì)算得到，應(yīng)變由DIC技術(shù)同步測(cè)試得到。如圖6（a）所示，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特征，二維機(jī)織層合復(fù)合材料則表現(xiàn)出典型的線彈性行為。在緯向拉伸載荷的作用下，二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變現(xiàn)出相同的線彈性趨勢(shì)，如圖6（b）所示。由表2對(duì)比可知，二維機(jī)織層合復(fù)合材料的經(jīng)、緯向拉伸性能比較接近，材料在經(jīng)、緯向具有較好的穩(wěn)定性，而三維機(jī)織復(fù)合材料在緯向具有明顯的拉伸性能優(yōu)勢(shì)，其緯向拉伸模量比二維機(jī)織層合復(fù)合材料高22.07%，但其經(jīng)向拉伸模量比二維機(jī)織層合復(fù)合材料低28.64%，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度僅為二維機(jī)織層合復(fù)合材料的62.74%。這主要是因?yàn)槎S機(jī)織層合復(fù)合材料的經(jīng)、緯紗束比較平直，而三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在相鄰層間的交織增大了紗線的彎曲程度，降低了紗線的承載效率，見圖2。

表2 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能Table 2 Tensile properties of 2D and 3D weave composites

圖6 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile strain-stress curves

兩種機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸DIC云圖演化過程如圖7所示，可知，二維機(jī)織層合復(fù)合材料和三維機(jī)織復(fù)合材料在經(jīng)向拉伸載荷下的應(yīng)變演化過程不同，這主要是由經(jīng)紗在空間中的交織方式引起。如圖7（a）所示，由Ⅰ點(diǎn)至Ⅱ點(diǎn)，在經(jīng)向拉伸載荷的作用下，由于紗線和樹脂基體力學(xué)性能不同，相同載荷作用下的變形不一致，二維機(jī)織層合復(fù)合材料相鄰緯紗的間隙逐漸增大，在紗線間的樹脂區(qū)形成了一系列橫向高應(yīng)變帶；當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到一定的水平后，樹脂中率先出現(xiàn)裂紋，加劇了應(yīng)變?cè)跇渲瑓^(qū)的集中，在Ⅲ點(diǎn)，二維機(jī)織層合復(fù)合材料的高應(yīng)變帶更加清晰；隨著拉伸載荷的持續(xù)增加，由Ⅲ點(diǎn)到Ⅳ點(diǎn)，樹脂中的裂紋向相鄰層間擴(kuò)展，釋放了部分應(yīng)力集中，提升了經(jīng)紗的承載效率，隨著裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，紗線也逐漸達(dá)到承載極限，最終斷裂失效。由圖7（b）可知，由Ⅰ點(diǎn)至Ⅱ點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性，三維機(jī)織復(fù)合材料的表面形成了與二維機(jī)織層合復(fù)合材料一致的橫向高應(yīng)變帶；從Ⅱ點(diǎn)至Ⅲ點(diǎn)，樹脂基體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，經(jīng)紗在層間的交織捆綁作用抑制裂紋向相鄰層間的擴(kuò)展，樹脂中的應(yīng)力集中得不到釋放，加速了樹脂基體的局部失效，因此在這一階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出非線性；從Ⅲ點(diǎn)至Ⅳ點(diǎn)，材料表面出現(xiàn)應(yīng)變集中，這主要是由機(jī)織結(jié)構(gòu)本身引起的，每根經(jīng)紗在厚度方向上貫穿相鄰兩層緯紗，在三維機(jī)織物表面兩層緯紗間形成一定的空隙區(qū)域，如圖2（b）所示，造成該區(qū)域的樹脂富集，在拉伸載荷達(dá)到一定水平時(shí)，空隙區(qū)域的樹脂產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)變集中，最終完全失效，拉伸載荷主要由經(jīng)紗承擔(dān)，直至紗線斷裂失效，試樣斷口位于應(yīng)變集中處。

圖8是兩種機(jī)織復(fù)合材料的緯向拉伸應(yīng)變演化過程，二維機(jī)織層合復(fù)合材料和三維機(jī)織復(fù)合材料的緯向拉伸行為的宏觀表現(xiàn)明顯不同。如圖8（a）所示，二維機(jī)織層合合材料緯向拉伸的承載機(jī)制基本與經(jīng)向一致，由于紗線和樹脂基體的變形不一致，在試樣表面形成一系列橫向應(yīng)變帶，由Ⅰ點(diǎn)到Ⅳ點(diǎn)，橫向應(yīng)變帶隨著拉伸載荷的增加逐漸清晰，樹脂內(nèi)部產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致應(yīng)變集中，并由裂紋擴(kuò)展最終引起材料斷裂失效。如圖8（b）所示，由Ⅰ點(diǎn)至Ⅱ點(diǎn)，三維機(jī)織復(fù)合材料試樣表面呈現(xiàn)斜向應(yīng)變紋理，這主要是由于經(jīng)紗對(duì)緯紗層的強(qiáng)約束作用，當(dāng)緯紗受到拉伸載荷時(shí)，對(duì)經(jīng)紗具有一定的擠壓作用，造成經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)處的應(yīng)變集中；由Ⅱ點(diǎn)至Ⅳ點(diǎn)，隨著載荷持續(xù)增加，經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)處的應(yīng)變集中更加明顯，當(dāng)局部高應(yīng)變達(dá)到一定的水平后，經(jīng)紗劈裂破壞，拉伸載荷主要由緯紗承擔(dān)直至斷裂。

圖8 緯向拉伸載荷下試樣DIC應(yīng)變演化Fig.8 DIC strain evolution of tensile specimens under weft loading

圖9為二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸失效形貌，這兩種材料的經(jīng)向拉伸斷裂形貌也存在顯著差異。二維機(jī)織層合復(fù)合材料以經(jīng)紗斷裂和嚴(yán)重分層為主導(dǎo)失效模式，在拉伸過程中，基體內(nèi)的裂紋沿經(jīng)紗向相鄰層間的擴(kuò)展引起了嚴(yán)重的分層失效，同時(shí)釋放了部分應(yīng)力集中。而三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)紗層間的周期性交織聯(lián)鎖，抑制了裂紋向相鄰層間的擴(kuò)展，在經(jīng)紗拉斷后，材料內(nèi)部的應(yīng)力集中瞬間釋放，導(dǎo)致試樣斷口膨脹，因此三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸的主導(dǎo)失效模式是經(jīng)紗斷裂和緯紗開裂。

圖9 經(jīng)向拉伸載荷下試樣的失效形貌Fig.9 Failure morphology of tensile specimens under warp loading

二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的緯向拉伸失效形貌相似，如圖10所示，試樣斷口處的緯紗斷裂，經(jīng)紗開裂。與經(jīng)向拉伸不同，兩種復(fù)合材料的緯向拉伸損傷幾乎不存在沿加載方向擴(kuò)展，破壞區(qū)域相對(duì)集中。

圖10 緯向拉伸載荷下試樣的失效形貌Fig.10 Failure morphology of tensile specimens under weft loading

2.2 壓縮力學(xué)性能

表3對(duì)比了二維機(jī)織層合和三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向壓縮模量和強(qiáng)度。三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向壓縮模量和強(qiáng)度分別比二維機(jī)織層合復(fù)合材料低45.58%和54.01%，主要是由于結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗彎曲程度較高，在經(jīng)向壓縮載荷下更容易變形和失效。三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在厚度方向上與相鄰兩層緯紗交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在經(jīng)紗層數(shù)一致的條件下，三維機(jī)織復(fù)合材料的緯紗比二維機(jī)織層合復(fù)合材料多一層，因此其緯向壓縮模量明顯高于二維機(jī)織層合復(fù)合材料，但經(jīng)紗對(duì)緯紗的捆綁使緯紗表現(xiàn)出一定的彎曲形態(tài)，如圖3所示，壓縮載荷在緯紗上產(chǎn)生附加彎矩，導(dǎo)致三維機(jī)織復(fù)合材料的緯向壓縮強(qiáng)度略低于二維機(jī)織層合復(fù)合材料。圖11是兩種機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，兩種試樣的經(jīng)、緯向壓縮性能均以線彈性響應(yīng)為主。

表3 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的壓縮性能Table 3 Compressive properties of 2D and 3D weave composites

圖11 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Compressive stress-stain curves

圖12為二維和三維機(jī)織復(fù)合材料經(jīng)向壓縮的DIC云圖，兩種材料經(jīng)向壓縮行為的宏觀響應(yīng)相似。在加載的初期階段，由Ⅰ點(diǎn)至Ⅱ點(diǎn)，彎曲的經(jīng)紗在經(jīng)向壓縮載荷的作用下產(chǎn)生附加彎矩，擠壓周圍的樹脂基體，在試樣表面逐漸形成橫向應(yīng)變紋理；由Ⅱ點(diǎn)至Ⅲ點(diǎn)，經(jīng)紗對(duì)周圍基體的擠壓隨著載荷的增加而加重，試樣表面的高應(yīng)變帶更加清晰；由Ⅲ點(diǎn)至Ⅳ點(diǎn)，經(jīng)紗和緯紗交織點(diǎn)附近的基體在經(jīng)紗的擠壓下開裂損傷，基體裂紋沿經(jīng)紗向相鄰層間擴(kuò)展，導(dǎo)致纖維束失去支撐發(fā)生扭結(jié)斷裂，隨著失效纖維束不斷增多，試樣最終失去承載能力。

圖12 經(jīng)向壓縮載荷下試樣的DIC應(yīng)變演化Fig.12 DIC strain evolution of compressive specimens under warp loading

由失效前的應(yīng)變?cè)茍D可知，二維機(jī)織層合復(fù)合材料基體中的裂紋擴(kuò)展迅速，損傷程度也迅速加深，試樣在Ⅳ點(diǎn)出現(xiàn)大范圍應(yīng)變集中，如圖12（a）所示，而三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在層間的交織捆綁抑制了裂紋沿經(jīng)紗的擴(kuò)展，基體的損傷主要出現(xiàn)在經(jīng)、緯紗交織點(diǎn)附近，因此試樣在Ⅳ點(diǎn)仍然具有明顯的高應(yīng)變帶，如圖12（b）所示。

由圖13可知，兩種材料的緯向壓縮承載機(jī)制與經(jīng)向壓縮有明顯差異。在緯向壓縮過程中，平直的緯紗具有良好的承載能力，高應(yīng)變相對(duì)均勻的分布在試樣表面，沒有形成有規(guī)律的應(yīng)變紋理；由Ⅱ點(diǎn)至Ⅲ點(diǎn)，在一定的應(yīng)力水平下，裂紋首先出現(xiàn)在個(gè)別緯紗中，隨后擴(kuò)展至樹脂基體并貫穿相鄰緯紗，形成斜向斷口。

圖13 緯向壓縮載荷下試樣的DIC應(yīng)變演化Fig.13 DIC strain evolution of compressive specimens under weft loading

二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向壓縮失效形貌如圖14所示。二維機(jī)織層合復(fù)合材料的主要失效模式包括經(jīng)紗扭結(jié)斷裂、基體斷裂和分層開裂，其中經(jīng)紗扭結(jié)斷裂一般出現(xiàn)在紗線波動(dòng)角度最大的位置，分層破壞在經(jīng)紗和緯紗交織區(qū)域最明顯。三維機(jī)織復(fù)合材料則表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)整體性，其主導(dǎo)失效模式是經(jīng)紗的扭結(jié)斷裂，只在局部出現(xiàn)界面分層失效。在經(jīng)向壓縮載荷的作用下，最大附加彎矩出現(xiàn)在經(jīng)紗波動(dòng)角度最大的位置，周圍的基體在經(jīng)紗擠壓作用下?lián)p傷失效后，失去支撐的經(jīng)紗扭結(jié)斷裂，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在層間的捆綁作用抑制了裂紋沿經(jīng)紗的擴(kuò)展，但增大了紗線的波動(dòng)角度，加劇了經(jīng)紗對(duì)基體的擠壓作用，使周圍的樹脂基體提前破壞，產(chǎn)生了以經(jīng)紗扭結(jié)斷裂為主導(dǎo)的失效模式。

圖14 經(jīng)向壓縮載荷下試樣的失效形貌Fig.14 Failure morphology of compressive specimens under warp loading

圖15是兩種復(fù)合材料的緯向壓縮失效形貌?？梢钥闯觯S機(jī)織層合復(fù)合材料的失效模式包括經(jīng)紗開裂、緯紗斷裂和界面分層，而三維機(jī)織復(fù)合材料的失效模式以緯紗斷裂和局部界面分層失效為主。再次表明，經(jīng)紗在層間的交織捆綁提升了復(fù)合材料的整體性，材料的破壞區(qū)域更加集中。

圖15 緯向壓縮載荷下試樣的失效形貌Fig.15 Failure morphology of compressive specimens under weft loading

2.3 剪切力學(xué)性能

沿垂直于緯紗的方向引入面內(nèi)剪切載荷，獲得的兩種機(jī)織復(fù)合材料剪切力學(xué)性能如表4所示，二維機(jī)織層合復(fù)合材料抵抗剪切變形的能力更優(yōu)，其面內(nèi)剪切模量比三維機(jī)織復(fù)合材料高14.3%，但由于樹脂破壞主導(dǎo)了材料的剪切失效，兩種機(jī)織復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度相當(dāng)。

表4 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的剪切性能Table 4 Shear properties of 2D and 3D weave composites

由圖16可知，兩種復(fù)合材料在面內(nèi)剪切載荷的作用下均表現(xiàn)出典型的非線性響應(yīng)，這種非線性剪切行為主要由纖維束的彎曲變形引起。圖17為兩種復(fù)合材料在面內(nèi)剪切載荷下的DIC應(yīng)變?cè)茍D，可以看出，二維和三維機(jī)織復(fù)合材料對(duì)剪切載荷的承載機(jī)制有所區(qū)別。在初始階段，剪切應(yīng)力迅速增大，二維機(jī)織層合復(fù)合材料的緯紗在發(fā)生形變的同時(shí)擠壓周圍的基體，在試樣表面形成橫向應(yīng)變帶，如圖17（a）所示，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗對(duì)緯紗的強(qiáng)約束限制了緯紗的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致經(jīng)、緯紗交織點(diǎn)處的應(yīng)變集中，在試樣表面形成斜向應(yīng)變帶，如圖17（b）所示。從Ⅱ點(diǎn)至Ⅲ點(diǎn)，高應(yīng)變區(qū)的纖維束/基體界面開裂失效，裂紋沿高應(yīng)變帶紋理方向快速擴(kuò)展，降低了纖維束和基體間的應(yīng)力傳遞效率，在這一階段，試樣表面的應(yīng)變帶消失，失去支撐的纖維束彎曲變形，直到產(chǎn)生橫向剪切失效。從兩種試樣的剪切承載過程來看，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗對(duì)相鄰層間緯紗的交織捆綁，加劇了纖維束/基體界面處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致界面提前開裂失效，因此其剪切模量略低于二維機(jī)織層合復(fù)合材料。

圖16 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料剪切應(yīng)力-應(yīng)變Fig.16 Shear stress-strain curves of 2D and 3D weave composites

圖17 剪切試樣DIC應(yīng)變演化Fig.17 DIC strain evolution of shear specimens

二維和三維機(jī)織復(fù)合材料剪切失效形貌如圖18所示。二維機(jī)織層合復(fù)合材料在V型缺口處出現(xiàn)了紗線開裂和界面分層，三維機(jī)織復(fù)合材料以紗線開裂和拔出為主導(dǎo)失效模式。

圖18 剪切試樣失效形貌Fig.18 Failure morphology of shear specimens

3 結(jié) 論

通過研究結(jié)構(gòu)形式和機(jī)織工藝相同的二維和三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切性能，利用DIC測(cè)試技術(shù)對(duì)比了兩種材料在承載過程中的應(yīng)變分布和演化過程，分析了試樣的破壞形貌，揭示了二維和三維機(jī)織復(fù)合材料承載機(jī)制和失效機(jī)制的差異。

1） 從宏觀力學(xué)性能和典型失效形貌來看，三維機(jī)織復(fù)合材料以犧牲經(jīng)向力學(xué)性能為代價(jià)，顯著提升了結(jié)構(gòu)的整體性。從紗線分布的角度上看，三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗在厚度方向上層層交聯(lián)互鎖，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效避免了材料的分層失效，一定程度上提升了機(jī)織復(fù)合材料的面外性能；同時(shí)，經(jīng)紗在層間的交織增大了紗線的彎曲波動(dòng)，使三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量和強(qiáng)度分別降低了約28%和38%，其經(jīng)向壓縮性能僅為二維機(jī)織層合復(fù)合材料的1/2。

2） 二維和三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的宏觀力學(xué)行為有明顯差異。在經(jīng)向拉伸載荷的作用下，三維機(jī)織復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特點(diǎn)，在最終失效前試樣表面的斷口附近有明顯的應(yīng)變集中；在緯向拉伸載荷的作用下，三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變主要集中于經(jīng)、緯紗的交織點(diǎn)，二維機(jī)織復(fù)合材料主要為紗線擠壓基體引起的應(yīng)變集中。

3） 兩種復(fù)合材料對(duì)面內(nèi)剪切載荷的承載機(jī)制不同。二維機(jī)織層合復(fù)合材料的緯紗變形擠壓周圍基體，在試樣表面形成橫向應(yīng)變帶，而三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)紗對(duì)緯紗的強(qiáng)約束限制了緯紗運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)變?cè)诮?jīng)、緯紗交織點(diǎn)處集中。