結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸和剪切性能的影響

武維莉,潘忠祥

(浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院),杭州 310018)

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因具有較高的比強(qiáng)度、比模量以及較好的耐疲勞和耐腐蝕特性,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、建筑等領(lǐng)域。由于層間或Z向紗的增強(qiáng)作用,三維機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的層間力學(xué)性能明顯優(yōu)于二維結(jié)構(gòu)[1-4]。Behera等[5]發(fā)現(xiàn),三維機(jī)織復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗沖擊性、防刺穿及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能。Peerzada等[6]研究發(fā)現(xiàn),三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中Z向紗的存在使經(jīng)緯紗承擔(dān)的負(fù)荷減少,提升了復(fù)合材料的整體強(qiáng)度和剛度。Brandt等[7]發(fā)現(xiàn),Z向紗明顯提高了復(fù)合材料的層間性能,其含量的增加使經(jīng)緯向的拉伸強(qiáng)度下降,但壓縮強(qiáng)度不受影響。Cox等[8]探究了三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和彎曲性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與二維復(fù)合材料相比,三維復(fù)合材料的面外性能增加,面內(nèi)性能有所降低。Ivanov等[9]認(rèn)為,三維復(fù)合材料的楊氏模量與二維復(fù)合材料接近,但在45°方向上,三維復(fù)合材料的最大應(yīng)力、應(yīng)變明顯高于二維復(fù)合材料。Potluri等[10]探究了三維復(fù)合材料的抗沖擊性能,發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料的損傷面積和寬度相似,但遠(yuǎn)小于二維復(fù)合材料。

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料力學(xué)表現(xiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究。Saleh等[11]研究了3種不同結(jié)構(gòu)(正交結(jié)構(gòu)、層層角聯(lián)鎖和角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu))的三維機(jī)織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能,發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的拉伸剛度與強(qiáng)度主要取決于經(jīng)紗和緯紗含量,而結(jié)構(gòu)類型的影響較小。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn),織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能有重要影響。Behera等[5]探究了三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能,發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的材料,其拉伸強(qiáng)度在經(jīng)向上的大小排序?yàn)槿S正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、經(jīng)向聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,而在緯向上則相反。Huang等[12]測(cè)試了4種玻璃纖維三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能,包括層與層綁定的正交結(jié)構(gòu)、完全正交結(jié)構(gòu)、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性有很大關(guān)系。Xu等[13]、Dai等[14]和Jiao等[15]探討了織物結(jié)構(gòu)對(duì)三維復(fù)合材料拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致富樹脂區(qū)不同,角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在經(jīng)紗方向上具有較大的拉伸模量和強(qiáng)度。Stig等[16]驗(yàn)證了這一觀點(diǎn),并且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三維復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度隨著紗線的屈曲增加呈現(xiàn)非線性下降,添加填充紗可以增加復(fù)合材料的力學(xué)性能。

上述工作探究了三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與力學(xué)性能之間的關(guān)系,但是三維機(jī)織結(jié)構(gòu)種類繁多,設(shè)計(jì)人員須根據(jù)使用工況選擇合適的織物結(jié)構(gòu)。然而,目前三維機(jī)織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系研究不夠充分,影響了對(duì)其力學(xué)性能可靠性的評(píng)估。本文設(shè)計(jì)織造了4種不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織物,包括淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu),并分別將其制備成復(fù)合材料,對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能和剪切性能進(jìn)行測(cè)試,分析了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的拉伸和剪切性能的影響。本文的研究結(jié)論為三維機(jī)織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

碳纖維紗線(T700 12K,纖度 954.3 tex)購于日本東麗公司;環(huán)氧樹脂(RTM3266)購于中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司;多綜眼多劍桿織機(jī),自研。纖維和樹脂的基本參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 三維織物織造

本文設(shè)計(jì)了4種不同組織結(jié)構(gòu)的碳纖維三維機(jī)織結(jié)構(gòu),包括淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu),在多綜眼多劍桿織機(jī)上完成織造。三維織物實(shí)物照片及沿織物經(jīng)向的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其中:結(jié)構(gòu)示意圖中綠色橢圓點(diǎn)代表緯紗,白色屈曲的紗線代表經(jīng)紗;白色實(shí)線表示觀察切面上的經(jīng)紗,而虛線則表示交織著的相鄰經(jīng)紗。上機(jī)織造及織物參數(shù)見表2,織物的上機(jī)圖如圖2所示。

圖1 4種三維織物實(shí)物照片和沿經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 4種三維織物的織造上機(jī)圖

表2 三維機(jī)織物的織物參數(shù)

1.2.2 復(fù)合材料的制備

實(shí)驗(yàn)采用樹脂傳遞模塑成型工藝(Resin Transfer Molding, RTM)制作復(fù)合材料,其工藝過程及原理如圖3所示。首先在預(yù)設(shè)厚度的模具內(nèi)放置三維織物,閉合模具并灌注樹脂,然后在常溫條件下固化,制備復(fù)合材料。

圖3 RTM工藝過程及原理圖

在成型過程中,固定的模腔深度導(dǎo)致4種三維機(jī)織復(fù)合材料的厚度一致,復(fù)合材料的厚度均為8.30 mm。由于織物平方米質(zhì)量不同導(dǎo)致復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)(Fiber volume fraction,Vf)有所區(qū)別,4種三維復(fù)合材料的Vf見表3。

表3 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試

采用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(Instron 5940,美國(guó)Instron公司)測(cè)試復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向性能,測(cè)試方法采用ASTM D3039/D3039M-08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials。經(jīng)向拉伸采用矩形長(zhǎng)條試樣,示意圖如圖4(a)所示。由于緯向紗線伸直度高,斷裂失效容易發(fā)生在試樣兩端,因此緯向拉伸試樣設(shè)計(jì)成狗骨形狀,示意圖如圖4(b)所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先調(diào)節(jié)拉伸夾具的標(biāo)距,設(shè)為150 mm,安裝試驗(yàn)件,然后連接應(yīng)變片和數(shù)采系統(tǒng)。為了使夾具夾緊試樣,對(duì)夾具施加一定的預(yù)加張力(緯向拉伸為3 kN,經(jīng)向拉伸2 kN),拉伸速度設(shè)定為2 mm/min。每種結(jié)構(gòu)測(cè)試5個(gè)樣品。

圖4 復(fù)合材料拉伸測(cè)試試樣示意圖

1.3.2 復(fù)合材料的剪切性能測(cè)試

剪切測(cè)試采用ASTM D5379/D5379M-12 Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method,測(cè)試試樣示意圖和夾具實(shí)物照片如圖5所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)把試樣放置在V型切口剪切夾具內(nèi)部,將夾具安裝到材料試驗(yàn)機(jī)的壓縮盤上,調(diào)節(jié)上壓盤靠近夾具的壓桿上,設(shè)定測(cè)試速度為2 mm/min。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),在剪切應(yīng)變大于5%時(shí),試樣視為破壞,測(cè)試終止。每種結(jié)構(gòu)測(cè)試5個(gè)樣品。

圖5 復(fù)合材料剪切測(cè)試試樣示意圖及測(cè)試設(shè)備

1.3.3 試樣編號(hào)

測(cè)試前對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行系統(tǒng)性地編號(hào),定義4種復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸性能(編號(hào)“-TJ”)和緯向拉伸性能(編號(hào)“-TW”)、剪切性能(編號(hào)“-S”),每種結(jié)構(gòu)測(cè)試5個(gè)試樣,其編號(hào)分別是No.1、No.2、No.3、No.4、No.5。4種織物結(jié)構(gòu)(淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)接、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗)的編號(hào)分別是01、02、03、04。例如,淺交直連復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸5個(gè)試樣測(cè)試編號(hào)分別是01-TJ-No.1、01-TJ-No.2、01-TJ-No.3、01-TJ-No.4、01-TJ-No.5,測(cè)試試樣的具體編號(hào)見表4。

表4 4種三維復(fù)合材料的測(cè)試編號(hào)

2 結(jié)果與討論

2.1 織物結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計(jì)織造的4種組織結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗的交織規(guī)律不同,其中三維織物淺交直聯(lián)和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)相似,而接結(jié)緯接結(jié)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)更為相似。相對(duì)于接結(jié)緯接結(jié),接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗在緯向上又添加了額外的襯緯紗,使得緯紗含量有所增加。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)在厚度方向上形成多層的經(jīng)緯紗交織,相比二維機(jī)織物,三維機(jī)織結(jié)構(gòu)層間性能更佳,作為復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

織物的交織程度決定了結(jié)構(gòu)的緊密程度,也影響了力學(xué)性能的穩(wěn)定性。紗線交織點(diǎn)越多,形成的織物結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,紗線自由度小,受到載荷時(shí)材料的力學(xué)性能越穩(wěn)定。以淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)為例,在織造打緯時(shí),經(jīng)紗每橫跨兩根緯紗交織形成扣鎖一次,即在1、3、5列緯紗處形成緊密的交織結(jié)構(gòu),如圖6所示。在織造2和4列緯紗時(shí),經(jīng)紗只發(fā)生上下移動(dòng)形成梭口用來添加緯紗,而不會(huì)施加較大的力鎖緊紗線。同理,對(duì)于層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),織造每一根緯紗都會(huì)交織扣緊一次,使得織物結(jié)構(gòu)變得緊密。定義圖6中1至3列的緯紗隔距為打緯交織寬度T。T越小,紗線交織次數(shù)越多,織物結(jié)構(gòu)越緊密;T越大,經(jīng)紗及緯紗受到的束縛越小,織物結(jié)構(gòu)越疏松。4種結(jié)構(gòu)的打緯交織寬度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5。

圖6 三維機(jī)織打緯交織示意圖

表5 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的打緯寬度

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能的影響

2.2.1 經(jīng)向拉伸性能

三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知:4種復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)不同,隨著應(yīng)變?cè)黾?淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系,復(fù)合材料表現(xiàn)出線彈性的材料屬性;而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力在應(yīng)變較小時(shí)呈線性增加,但是隨著應(yīng)變的增大,拉伸應(yīng)力增長(zhǎng)速度減緩,即拉伸模量(應(yīng)力/應(yīng)變)呈下降的趨勢(shì)。分析經(jīng)向拉伸離散性,發(fā)現(xiàn):淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸一致性最好,表現(xiàn)為5個(gè)試樣的拉伸曲線離散程度小。相反,接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸離散程度大,即尺寸穩(wěn)定性不佳,這與織物交織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖7 4種三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗由于交織作用,紗線往往呈屈曲的狀態(tài),且紗線的屈曲程度會(huì)影響拉伸方向上的力學(xué)性能。紗線的屈曲程度(C)可以采用式(1)計(jì)算:

(1)

其中:l代表織物中紗線屈曲狀態(tài)下的跨距長(zhǎng)度,l0代表紗線從織物中提取出來完全伸直的實(shí)際長(zhǎng)度。

圖8顯示了紗線屈曲形成的紗線交織方式。表6匯總了4種三維復(fù)合材料的拉伸性能參數(shù)及經(jīng)紗屈曲情況。從表6可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)紗屈曲會(huì)影響復(fù)合材料的拉伸模量,接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)的紗線屈曲最高,模量最低。但是拉伸強(qiáng)度與紗線屈曲之間不具有明顯的規(guī)律,這可能需要同時(shí)考慮經(jīng)向上的紗線含量。

圖8 紗線屈曲示意圖

已有研究發(fā)現(xiàn),三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系很大,經(jīng)緯向上的紗線含量直接影響復(fù)合材料的拉伸性能[17]。為了有效評(píng)估經(jīng)緯向上不同含量的三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能,對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行歸一化處理,即將不同復(fù)合材料的拉伸性能統(tǒng)一轉(zhuǎn)換經(jīng)向或緯向上Vf為25%的等效拉伸性能。斷裂強(qiáng)度和抗拉模量的歸一化計(jì)算為:

(2)

(3)

其中:σ′是纖維體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)的強(qiáng)度,MPa;σ為未歸一化轉(zhuǎn)換前的強(qiáng)度,MPa:E′為纖維體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)的模量,GPa;E為未歸一化轉(zhuǎn)換前的模量,GPa。

圖9為經(jīng)紗Vf歸一化處理后的4種復(fù)合材料拉伸模量、強(qiáng)度與經(jīng)紗屈曲的關(guān)系。由圖7可知,經(jīng)紗屈曲程度會(huì)影響復(fù)合材料的拉伸性能,當(dāng)經(jīng)紗Vf統(tǒng)一為25%后,經(jīng)紗屈曲程度越高,三維復(fù)合材料經(jīng)向拉伸性能越差。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量和強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)相似的規(guī)律,大小排序?yàn)闇\交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。當(dāng)經(jīng)紗含量相同時(shí),淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的紗線屈曲最小(C=1.083),拉伸時(shí)經(jīng)紗更容易發(fā)揮軸向上的力學(xué)優(yōu)勢(shì),紗線強(qiáng)度利用率高,導(dǎo)致模量和強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)。接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)紗屈曲最大(C=1.330),受力時(shí)經(jīng)紗強(qiáng)度利用率低,拉伸性能最差,且離散值最大。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸離散度較小,尺寸穩(wěn)定性好,這與經(jīng)紗交織寬度相關(guān)。由表6的數(shù)據(jù)可知,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的交織寬度最小,分別是2.34 mm和3.26 mm。較小的紗線交織寬度導(dǎo)致在織造打緯時(shí)受到的打緯力更大,紗線的交織次數(shù)更多,織物結(jié)構(gòu)更緊密,導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸離散性更小。相反,接結(jié)緯接結(jié)接結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的交織寬度較大,分別為6.92 mm和8.55 mm,導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)不夠緊密,拉伸模量和強(qiáng)度離散性大[18]。

圖9 歸一化處理后4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量和強(qiáng)度(Vf=25%)

圖10為Vf歸一化后,4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向上的拉伸模量衰減情況,衰減速率大小排序?yàn)榻咏Y(jié)緯接結(jié)+襯緯紗相近、接結(jié)緯接結(jié)、層層角聯(lián)鎖、淺交直聯(lián),這與經(jīng)紗的屈曲狀態(tài)和經(jīng)緯紗的交織情況有關(guān)。伸直的紗線對(duì)拉伸性能的貢獻(xiàn)大于屈曲的紗線[19],紗線屈曲明顯的結(jié)構(gòu),如接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,無法充分發(fā)揮纖維的力學(xué)優(yōu)勢(shì),受拉時(shí)屈曲的紗線有伸直的趨勢(shì);當(dāng)拉伸載荷增加,經(jīng)紗試圖伸直造成樹脂剪切破壞[20],導(dǎo)致復(fù)合材料的失效,從而模量發(fā)生明顯的衰減。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于經(jīng)紗屈曲小,拉伸時(shí)紗線伸直變形小,且經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)緊密,失效前拉伸模量一直保持穩(wěn)定不變。

圖10 4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向拉伸模量隨拉伸應(yīng)變的變化曲線(Vf=25%)

2.2.2 緯向拉伸性能

三維機(jī)織復(fù)合材料的緯向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11所示。與經(jīng)向拉伸曲線有所不同,4種復(fù)合材料緯向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈線性特征,表現(xiàn)出了線彈性的屬性。由于織造時(shí)的打緯運(yùn)動(dòng),緯紗在織物中幾乎處于伸直狀態(tài)[19],在緯向拉伸時(shí),復(fù)合材料主要的變形來自于緯紗的拉伸和伸長(zhǎng),因此拉伸曲線呈線性特征。相比經(jīng)向拉伸行為,4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的5個(gè)試樣的緯向拉伸離散程度較小,拉伸曲線一致性好。其中,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向試樣拉伸離散性最小,接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的離散性最大。與經(jīng)向拉伸行為相似,這主要與織物結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖11 4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表7匯總了復(fù)合材料緯向上的拉伸性能,可以發(fā)現(xiàn)緯紗的屈曲程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)紗,與經(jīng)紗的屈曲規(guī)律相同,緯紗的屈曲從小到大的順序?yàn)?淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)接、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗。拉伸性能同時(shí)受到緯紗含量的影響,因此對(duì)緯紗含量進(jìn)行歸一化后,從而對(duì)比緯向上的拉伸性能。

表7 4種三維復(fù)合材料的緯向拉伸性能參數(shù)

圖12為Vf統(tǒng)一為25%后的緯向拉伸模量、強(qiáng)度。由圖12可知:當(dāng)Vf相同時(shí),4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向上的拉伸模量、強(qiáng)度呈現(xiàn)相似的規(guī)律,從大到小的順序?yàn)?接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。與經(jīng)向拉伸相同,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖復(fù)合材料的緯向拉伸性能依然優(yōu)于接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,表明這兩種材料具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯紗屈曲小,且紗線交織寬度小導(dǎo)致交織次數(shù)多,織物結(jié)構(gòu)緊密,對(duì)緯紗的束縛張力大,緯向拉伸離散小。而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)少,紗線之間束縛少、自由度大,織物結(jié)構(gòu)疏松,導(dǎo)致緯向上的拉伸性能離散性大。

圖12 歸一化處理后4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料緯向拉伸模量和強(qiáng)度(Vf=25%)

2.2.3 經(jīng)向和緯向拉伸性能對(duì)比

圖13對(duì)比了4種復(fù)合材料在經(jīng)、緯方向上的拉伸性能。由圖13可知,Vf歸一化后,經(jīng)向上的拉伸模量和強(qiáng)度明顯低于緯向,這是由于緯紗伸直程度高于經(jīng)紗,受拉時(shí)緯紗能承受較大的載荷。經(jīng)紗由于屈曲大,不利于發(fā)揮碳纖維的力學(xué)優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致經(jīng)向上的拉伸模量較低。當(dāng)拉伸載荷增加時(shí),經(jīng)紗有從屈曲到伸直的趨勢(shì),但是此過程會(huì)導(dǎo)致紗線周圍的樹脂受到擠壓,造成剪切破壞,從而引起整個(gè)試樣迅速失效,因此經(jīng)向上的拉伸強(qiáng)度均低于緯向。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料剪切性能的影響

本文對(duì)4種三維機(jī)織復(fù)合材料的剪切性能進(jìn)行分析,剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示。由圖14可知,4種復(fù)合材料的剪切曲線相似,初始受剪時(shí),復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線彈性屬性,剪切應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈線性增加;隨著載荷的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入非線性階段,剪切應(yīng)力繼續(xù)增大但增長(zhǎng)速度下降,即剪切剛度下降,直至強(qiáng)度達(dá)到最大后試樣失效。

圖14 4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

復(fù)合材料施加剪切載荷時(shí),當(dāng)剪切力較小時(shí),材料中的紗線和樹脂同時(shí)受力,由于樹脂模量遠(yuǎn)低于碳纖維,樹脂首先發(fā)生變形。紗線受剪切力后由屈曲狀態(tài)伸直,交織處的經(jīng)緯紗逐漸鎖緊,當(dāng)載荷持續(xù)增大,鎖結(jié)處的紗線摩擦力增大直至無法承受載荷,此時(shí)交織的紗線發(fā)生滑移、抽拔、斷裂。樹脂的斷裂伸長(zhǎng)率大,碳纖維斷裂前樹脂還未發(fā)生破壞,但是樹脂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳纖維,碳纖維斷裂后樹脂迅速破壞,最后整個(gè)復(fù)合材料試樣失效[21]。

圖15顯示了4種復(fù)合材料的剪切性能及離散情況。由圖15可知,Vf相同時(shí),淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切模量最大,接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切模量最小,而剪切強(qiáng)度幾乎呈相反的規(guī)律。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊密,受剪切時(shí)復(fù)合材料不易發(fā)生變形,剪切模量最大,但這導(dǎo)致在紗線交織處容易形成應(yīng)力集中,試樣失效早[22],剪切強(qiáng)度小。接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于經(jīng)緯紗的交織少、結(jié)構(gòu)疏松,受剪切時(shí)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形,剪切模量小,但是疏松的結(jié)構(gòu)不易形成應(yīng)力集中,剪切失效發(fā)生晚,因此剪切強(qiáng)度最大。

圖15 歸一化處理后4種復(fù)合材料剪切模量和強(qiáng)度(Vf=25%)

與拉伸性能相似,接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切離散值最大,尺寸穩(wěn)定性最差,而淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切離散性最小,這與織物結(jié)構(gòu)中是紗線交織情況有關(guān)。接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中紗線交織寬度大,交織點(diǎn)少,紗線自由度大,受剪切時(shí)材料的失效位置具有較大的不確定性,離散度大;而淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)交織較為緊密、穩(wěn)定,受剪切時(shí)離散性最小。

3 結(jié) 論

為了研究三維機(jī)織結(jié)構(gòu)參數(shù)與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系,本文設(shè)計(jì)制備了4種不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料,測(cè)試分析了復(fù)合材料的拉伸性能(經(jīng)向和緯向)和剪切性能,所得主要結(jié)論如下:

a)纖維體積分?jǐn)?shù)、紗線屈曲和紗線交織程度決定了三維復(fù)合材料的拉伸和剪切性能。Vf相同時(shí),紗線屈曲導(dǎo)致拉伸性能下降,而交織結(jié)構(gòu)緊密會(huì)改善拉伸性能和離散性。

b)經(jīng)向拉伸時(shí),4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸響應(yīng)和曲線離散性不同,但拉伸模量和強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的規(guī)律,大小排序?yàn)闇\交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。緯向拉伸時(shí),4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線彈性,且離散值小,這與緯紗屈曲小有關(guān),同時(shí)緯向上的拉伸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)向。不管是經(jīng)向還是緯向上,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能和離散性較小,而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能最差,說明此結(jié)構(gòu)不具有優(yōu)勢(shì)。

c)4種復(fù)合材料的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性的特征?？椢镏薪?jīng)緯紗的交織結(jié)構(gòu)決定了剪切性能及離散性,其中淺交直聯(lián)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊密,剪切模量最大,接結(jié)緯接結(jié)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)疏松,剪切模量最小,而剪切強(qiáng)度幾乎呈相反的規(guī)律。

此研究明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能和剪切性能的影響,對(duì)三維織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用,為將來三維機(jī)織復(fù)合材料的工程化應(yīng)用提供借鑒和參考。