預(yù)定型彎曲柱紗三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的壓縮性能

杜子林 王芮杰 鄭連剛 朱文斌 許福軍

1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620;2. 上海捻幅智能科技有限公司,上海 201612

三維機(jī)織間隔復(fù)合材料(3DWSC)是以三維機(jī)織間隔織物為增強(qiáng)體制備的一種新型夾層復(fù)合材料[1],其具有一體成型的三維中空結(jié)構(gòu),不僅克服了傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)易分層的缺點(diǎn),還具有比剛度高,以及隔熱、隔聲和阻尼優(yōu)異等特性[2-3]。因此,3DWSC在航空航天、國防軍工、海洋工程、軌道交通、機(jī)車風(fēng)車、建筑等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[4-10]。

3DWSC具有優(yōu)異的整體特性和設(shè)計(jì)靈活性,受到廣泛研究和關(guān)注。現(xiàn)有研究表明,柱紗的高度和形狀是影響3DWSC壓縮性能的最重要的因素之一。Zhao等[11]研究了不同柱紗高度和面板厚度的3DWSC的力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),3DWSC的彎曲性能隨柱紗高度和面板厚度的增加而降低;平面壓縮強(qiáng)度隨柱紗高度的增加而減小;柱紗高度對拉伸性能的影響最大。Fan等[12]探究了3DWSC的破壞模式和變形機(jī)制,發(fā)現(xiàn)芯層柱紗的初始傾斜會導(dǎo)致壓縮變形和剪切變形同時(shí)發(fā)生,芯層塑性旋轉(zhuǎn)使得彈性屈曲后具有較長且穩(wěn)定的變形期。薛志鵬等[13]研究了不同柱紗傾角對3DWSC平壓性能的影響,發(fā)現(xiàn)在相同規(guī)格條件下,復(fù)合材料的抗壓性能和彈性模量均隨著柱紗傾角的減小而減少,尤其當(dāng)柱紗傾角小于70°時(shí),復(fù)合材料的抗壓性能大幅下降。Li等[14]研究發(fā)現(xiàn)芯材的破壞形式與柱紗傾角有密切關(guān)系。在壓縮載荷作用下,3DWSC會因柱紗斷裂或傾斜而損壞。當(dāng)柱紗幾乎垂直于面板即柱紗傾角在80°～90°時(shí),3DWSC性能會得到優(yōu)化。

在3DWSC的制備過程中,重力會使三維機(jī)織間隔織物的柱紗呈現(xiàn)“C”字形彎曲,這會對復(fù)合材料的壓縮和沖擊性能產(chǎn)生一定影響。本文采用手糊成型工藝將環(huán)氧樹脂與三維機(jī)織間隔織物進(jìn)行復(fù)合,并在固化成型前對復(fù)合材料進(jìn)行壓縮預(yù)定型,制備不同厚度的3DWSC,探究柱紗“C”字形彎曲形態(tài)對3DWSC平壓性能和疲勞性能的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

三維機(jī)織間隔織物,自制;雙酚A型環(huán)氧樹脂,JL-235,環(huán)氧值0.56 mol/(100 g),杭摩佳發(fā)新材料有限公司;固化劑,JH-242,杭摩佳發(fā)新材料有限公司。

1.2 復(fù)合材料的制備

采用玻璃纖維紗線在三維織機(jī)上一體織造三維機(jī)織間隔織物,具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。三維機(jī)織間隔織物由上表層織物、下表層織物和芯層柱紗組成,上下表層織物通過“8”形柱紗連接在一起。

表1 三維機(jī)織間隔織物織造參數(shù)Tab.1 Weaving parameters of 3D woven spaced fabrics

1.3 復(fù)合材料的成型

采用手糊成型工藝制備3DWSC,每平方米織物約需2.366 kg的樹脂。預(yù)壓制備3DWSC的過程如圖1所示。先將環(huán)氧樹脂與固化劑按照100∶33的質(zhì)量比混合,攪拌5 min后放入真空干燥箱中,抽真空進(jìn)行消泡處理。用滴管將配制好的樹脂均勻地滴涂于間隔織物的兩面,樹脂在毛細(xì)效應(yīng)的作用下充分浸潤織物。隨后,將樣品放入高度分別為15、12、9和6 mm的模具中,進(jìn)行壓縮后預(yù)定型,使柱紗產(chǎn)生不同程度的“C”字形彎曲。最后,將樣品放入烘箱中,50 ℃下預(yù)固化3 h,隨后升溫至70 ℃固化7 h,制得高度分別為15、12、9和6 mm的4種不同彎曲程度的3DWSC試樣,分別記作3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6。

1.4 平壓性能測試

參照GB/T 1453—2022《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》,使用INSTRON 5967型萬能強(qiáng)力儀測試試樣的平壓性能。試樣尺寸為20 mm×20 mm,加載速度為2 mm/min,測試試樣厚度分別為15、12、9和6 mm。每個(gè)試樣至少測試5個(gè)樣本,結(jié)果取平均值。

平壓強(qiáng)度按照式(1)計(jì)算:

(1)

式中:σ為平壓強(qiáng)度,MPa;P為破壞載荷,N;A為試樣橫截面面積,mm2。

1.5 疲勞性能測試

參照GB/T 35465.1—2017《聚合物基復(fù)合材料疲勞性能測試方法 第1部分:通則》,使用INSTRON 5967型萬能強(qiáng)力儀對試樣進(jìn)行循環(huán)壓縮,測試其疲勞性能。試樣尺寸為30 mm×30 mm,測試載荷為試樣破壞負(fù)載的50%,應(yīng)力比為0.1,加載速度為100 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 平壓性能

圖2為不同彎曲程度的3DWSC平壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以看出,不同彎曲程度的3DWSC在平壓性能方面存在較大差異。3DWSC-6呈現(xiàn)出3個(gè)階段,即彈性階段、破壞階段和致密化階段。在壓縮的初始階段,3DWSC-6中所有柱紗同時(shí)承擔(dān)載荷,應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性上升趨勢,此為彈性階段;隨著壓縮的進(jìn)行,柱紗因斷裂及傾斜導(dǎo)致復(fù)合材料應(yīng)力下降,此為破壞階段;繼續(xù)壓縮,歪斜的柱紗相互支撐,逐漸密實(shí),復(fù)合材料進(jìn)入致密化階段,應(yīng)力再次提升。3DWSC-12、3DWSC-9在彈性階段結(jié)束后即進(jìn)入一個(gè)顯著的長平臺區(qū),這歸因于柱紗的歪斜失效。

圖2 3DWSC平壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Flat compression stress-strain curves of 3DWSCs

圖3反映了不同彎曲程度的3DWSC的平壓性能。

圖3 3DWSC的平壓性能Fig.3 Flat compression performance of 3DWSCs

由圖3a)可知,3DWSC-12和3DWSC-9的平壓強(qiáng)度相對較小,分別為0.39 MPa和0.52 MPa,相較于3DWSC-15的平壓強(qiáng)度(0.72 MPa)下降了45.8%和27.8%。原因主要是3DWSC-12和3DWSC-9的柱紗彎曲后呈“C”字形,柱紗的慣性矩下降。根據(jù)壓桿的臨界歐拉公式,柱紗慣性矩越小,材料的平壓性能越差,因此柱紗彎曲后,材料的平壓性能出現(xiàn)下降。可見,3DWSC柱紗的承載能力決定了其平壓性能。與3DWSC-12和3DWSC-9的“C”字形柱紗相比,3DWSC-15直立形柱紗的彎曲程度小,其擁有更高的軸壓強(qiáng)度。而對于3DWSC-6,其柱紗60%的預(yù)壓高度(即高度壓至原始間隔紗高度的60%)使得柱紗的形態(tài)發(fā)生了變化,柱紗中的某一段平行并緊靠面板,而其余近似直立的部分起到了承載的作用,因此其平壓強(qiáng)度達(dá)到了1.04 MPa,較3DWSC-15提升了44.4%。

根據(jù)圖3b)可知,柱紗彎曲程度的不同也引起了3DWSC平壓模量的差異。3DWSC-12和3DWSC-9的平壓模量為12.37 MPa和12.03 MPa,相比于3DWSC-15分別下降了50.0%和51.3%,這與3DWSC-12和3DWSC-9的柱紗彎曲程度更大,兩者更容易在壓縮載荷作用下發(fā)生變形有關(guān)。而3DWSC-6中柱紗過度彎曲,部分柱紗形成了近似直立的狀態(tài),故具有更高的抗軸壓剛度;此外,60%的預(yù)壓高度使得材料密度增加,相鄰柱紗間相互接觸、擠壓并形成支撐,進(jìn)一步提高了材料的平壓模量。

圖4對試樣壓縮應(yīng)變達(dá)到30%時(shí)的單位體積吸收能量進(jìn)行了歸納,可以看出:3DWSC-9和3DWSC-6單位體積吸收能量分別為14.01 J/m3和38.32 J/m3,相比于3DWSC-15單位體積吸收能量(12.49 J/m3)分別提升了12.2%和206.8%。

圖4 3DWSC在30%壓縮應(yīng)變下的單位體積吸收能量Fig.4 Energy absorption per unit volume of 3DWSCs under 30% compressive strain

2.2 平壓破壞模式分析

圖5展示了不同彎曲程度的3DWSC平壓破壞前后的緯向截面及平壓破壞后的柱紗局部細(xì)節(jié)圖。從圖5a)可以看出,3DWSC-15在壓縮過程中,柱紗逐漸彎曲、歪斜,柱紗斷裂失效和失穩(wěn)失效同時(shí)發(fā)生;從破壞后的柱紗局部細(xì)節(jié)圖可以看到,柱紗斷裂處斷面較為齊整,表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征,此外柱紗與面板的連接處存在不同程度的損傷,這導(dǎo)致了柱紗出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。圖5b)和圖5c)中,隨著應(yīng)變的增大,3DWSC-12、3DWSC-9的柱紗屈服并發(fā)生彎折,相鄰2根柱紗的交接點(diǎn)處存在發(fā)白的現(xiàn)象,這與樹脂形成了微裂紋并不斷擴(kuò)展有關(guān),此外柱紗與面板的連接處也存在一定的斷裂破壞。圖5 d)中,3DWSC-6的破壞主要發(fā)生在柱紗與面板的連接處,由于芯層內(nèi)柱紗密度較大,柱紗之間相互支撐,試樣破壞以屈服破壞為主。

圖5 3DWSC緯向截面及其平壓破壞模式Fig.5 Latitudinal cross sections and flat compression failure modes of 3DWSCs

綜合4種試樣的平壓破壞模式可以發(fā)現(xiàn),試樣的破壞主要集中在柱紗與上下面板的連接處,以及相鄰柱紗的交接點(diǎn)附近。此外,隨著柱紗彎曲程度的增加,柱紗的破壞模式由脆性斷裂和失穩(wěn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍茐摹?/p>

2.3 疲勞性能

圖6展示了不同彎曲程度的3DWSC循環(huán)壓縮不同次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

分析圖6可以發(fā)現(xiàn):

(1)循環(huán)壓縮過程中,隨著加載次數(shù)的增加,應(yīng)變在逐漸增加;同時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯滯后現(xiàn)象,可利用應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線所圍成的面積表征循環(huán)加載過程中所消耗的塑性應(yīng)變能[15]。

(2)在2 500次的循環(huán)壓縮過程中,3DWSC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以明顯地分為2個(gè)階段。在第1階段(循環(huán)壓縮1～500次),隨著循環(huán)壓縮次數(shù)的增加,試樣應(yīng)變快速增加,樹脂基體在壓縮載荷的作用下產(chǎn)生橫向裂紋,這與基體本身的耐疲勞性能不足有關(guān)。在第2階段(循環(huán)壓縮500～2 500次),試樣每500次循環(huán)壓縮積累的應(yīng)變較小且穩(wěn)定,這與纖維的增強(qiáng)作用延緩了基體裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展有關(guān)。

(3)3DWSC-15與3DWSC-12在循環(huán)壓縮2 500次后,材料的力學(xué)性能未發(fā)生顯著變化。而3DWSC-9與3DWSC-6在循環(huán)壓縮500次后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸由線性變?yōu)榉蔷€性,試樣發(fā)生了疲勞破壞,力學(xué)性能有所下降;在第2階段,由于“C”字形柱紗蠕變積累速度放緩,3DWSC-9與3DWSC-6每500次的應(yīng)變增加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的制備過程中,重力會使織物的柱紗呈現(xiàn)“C”字形彎曲,而該彎曲結(jié)構(gòu)會對復(fù)合材料的壓縮和沖擊性能產(chǎn)生一定影響。本文為探究三維機(jī)織間隔復(fù)合材料柱紗彎曲對其壓縮性能的影響,在復(fù)合材料成型過程中進(jìn)行了預(yù)定型處理,通過控制復(fù)合材料的成型高度得到了4種不同彎曲程度的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料——3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6,研究其平壓性能和疲勞性能,結(jié)果表明:

(1)隨著柱紗彎曲程度的增加,3DWSC平壓強(qiáng)度先降低后提升,其中3DWSC-6的平壓強(qiáng)度和平壓模量最大,3DWSC-6的平壓強(qiáng)度較3DWSC-15提升了44.4%。

(2)3DWSC的平壓破壞主要集中在柱紗與上下面板的連接處,以及相鄰柱紗交接點(diǎn)附近。此外,隨著柱紗彎曲程度的增加,柱紗的破壞模式由脆性斷裂和失穩(wěn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍茐摹?/p>

(3)隨著柱紗彎曲程度的增加,3DWSC的疲勞性能出現(xiàn)下降。經(jīng)2 500次循環(huán)壓縮試驗(yàn)后,3DWSC-9的疲勞性能下降最明顯。