朱露露，閻建華，顧海麟

（1.東華大學a.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b.紡織學院；c.研究院，上海 201620；2.上海汽車集團股份有限公司，上海 200041）

二維三軸編織鋪層復合材料開孔前后彎曲性能

朱露露1a，1b，閻建華1c，顧海麟2

（1.東華大學a.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b.紡織學院；c.研究院，上海 201620；2.上海汽車集團股份有限公司，上海 200041）

采用普通機械方式對不同層數(shù)二維三軸編織鋪層復合材料進行開孔，并對開孔前后材料的彎曲性能進行研究.結(jié)果表明：當孔直徑與試樣的寬度比為1∶3.88時，鋪層數(shù)為一、二、三的編織復合材料開孔后最大彎曲載荷和彎曲強度較開孔前分別下降了1／3左右；彎曲彈性模量分別下降了1／2左右.開孔前后試樣的最大彎曲載荷和彎曲彈性模量都隨著鋪層數(shù)的增加而增加，但當鋪層數(shù)達到一定層數(shù)后，對彎曲性能的改變量減小.材料彎曲破壞試驗中表現(xiàn)的主要破壞模式為壓縮破壞.開孔對周圍的影響主要為距孔邊緣1～2 mm范圍.

二維三軸編織鋪層復合材料；編織鋪層；開孔結(jié)構(gòu)；彎曲試驗

復合材料具有比強度與比剛度高、可設(shè)計性強等許多優(yōu)點.二維和三維編織復合材料在航空、航天和民用方面得到一定的應(yīng)用［1］.在新能源汽車上采用復合材料替代傳統(tǒng)的鋼材，可以減輕汽車質(zhì)量20%～50%.近些年，國內(nèi)外對三維編織復合材料的力學性能進行了一系列的研究.文獻［2］引入材料初始缺陷，預測了二維三軸編織復合材料的彈性性能，討論了編織角和纖維束彎曲對材料性能的影響.文獻［3-4］采用層合板理論、修正的“米”字模型理論和有限元模型等方法，預測二維三軸編織復合材料力學性能，并通過試驗結(jié)果進行驗證.文獻［5］提出一種平行四邊形單胞，采用彈簧元離散建立了有限元模型預測材料彈性常數(shù).文獻［6］在“米”字形單胞模型的基礎(chǔ)上增加了4條平行編織方向的邊界線，建立了二維三軸編織復合材料的幾何模型，并以此建立了單胞實體模型和有限元模型，預測材料的彈性常數(shù).文獻［7］通過微元內(nèi)的受力狀況預測了機織布復合材料的破壞.文獻［8］通過基于單胞的有限元模型，預測二維三軸碳纖維編織復合材料的壓縮強度和峰后壓縮.文獻［9-10］通過有限元方法模擬了單層三軸編織復合材料的微元破壞.文獻［11］建立了二維編織復合材料的細觀單胞幾何模型，采用均勻化理論及有限元方法對材料彈性常數(shù)進行了預測，得到與試驗一致的結(jié)果，并詳細探討了編織參數(shù)對材料彈性常數(shù)的影響.文獻［12］基于均勻應(yīng)變假設(shè)和截面連續(xù)性條件，建立了一種分析三向編織復合材料彈性性能的理論預測方法.

在復合材料的實際應(yīng)用中，復合材料零部件需要與其他零部件連接，其中機械連接是連接方法中最普遍的一種，機械連接需要開孔，而開孔會直接影響復合材料零部件的性能.目前，關(guān)于二維三軸編織鋪層復合材料開孔前后力學性能的對比研究較少.開孔方式不同，對零件造成的損傷也不同，普通機械方式開孔在實際應(yīng)用中簡單、方便，為此，本文在試驗的基礎(chǔ)上探討不同層數(shù)二維三軸編織鋪層復合材料采用普通機械方式開孔前后的彎曲性能，以及試樣在彎曲時的破壞機理，以期為二維三軸編織鋪層復合材料的設(shè)計提供依據(jù).

1 試 驗

1.1 材料

試驗材料：TORAYCA?T700S-12K型碳纖維，密度為1.80 g／cm3；常熟佳發(fā)有限公司的JC-02A型環(huán)氧樹脂和JC-02B型改性酸酐固化劑.

1.2 制作工藝

1.2.1 二維三軸編織工藝

二維三軸編織鋪層復合材料在三維編織機上編織完成，編織方法為1×1四步法.在三維編織機上織造不同編織角和不同纖維體積分數(shù)的樣品.

1.2.2 復合材料固化工藝

采用真空輔助樹脂傳遞模塑（vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）工藝制備復合材料.首先將JC-02A型環(huán)氧樹脂與JC-02B型改性酸酐按質(zhì)量比為100∶85進行混合，在一定的壓強條件下將配制的樹脂吸入模具內(nèi)浸潤預制件.最后，將復合材料放置在一定溫度下進行完全固化.

1.3 彎曲性能測試

1.3.1 試樣制作

根據(jù)文獻［13］確定彎曲試驗的跨厚比為16∶1.開孔方式為普通鉆頭開孔，孔的直徑為6.45 mm，其中鉆頭的直徑為6.3 mm.所測試件實際外形尺寸為測量工作段內(nèi)任意5點的寬度和厚度，取其算術(shù)平均值.復合材料試樣的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.每組試驗測試3個試樣，取平均值.

表1 復合材料試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of composites specimens

1.3.2 測試過程

彎曲性能試驗在CMT 5204型電子多功能試驗機上進行，如圖1所示.其中，脈沖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取上千個數(shù)據(jù)點，每次試驗的彎曲載荷、時間和彎曲位移都被記錄并儲存.本試驗中，彎曲加載力方向為垂直于樣品，試驗速度設(shè)定為2 mm／min.對于機械開孔后的三維編織復合材料試件，彎曲性能試驗中加載桿施加載荷時，加載點位于開孔處的中心線處，如圖2所示.所有試驗均在室溫下進行.

圖1 三點彎曲試驗Fig.1 Three-point bending experiment

圖2 開孔試件的加載簡圖Fig.2 Load schematic on the open-hole specimen

根據(jù)力學分析，可得式（1）～（3）.

其中：σf為彎曲強度（MPa）；p為破壞載荷（N）；l為跨距（mm）；h為試樣厚度（mm）；b為試樣寬度（mm）；Ef為彎曲模量（GPa）；ΔP為載荷-撓度曲線上初始直線段的載荷增量（N）；ΔS為與載荷增量ΔP對應(yīng)的跨距中點處的撓度增量（mm）；ε為應(yīng)變（%）；S為試樣跨距中點處的撓度（mm）.

2 結(jié)果與討論

2.1 二維三軸編織鋪層復合材料機械開孔破壞分析

開孔后試樣的表面形態(tài)如圖3所示.由圖3（a）可以看出，在二維三軸編織鋪層復合材料試件上的鉆頭入口處，開孔表面呈現(xiàn)較整齊的孔邊，沒有出現(xiàn)明顯的纖維劈裂現(xiàn)象，孔周圍未發(fā)現(xiàn)裂紋.二維三軸編織鋪層復合材料經(jīng)機械鉆頭開孔后，鉆頭出口端孔周圍也沒有發(fā)生明顯的纖維劈裂現(xiàn)象，如圖3（b）所示.

圖3 孔的表面形態(tài)Fig.3 Surface of hole

材料開孔處沿試樣長度方向的剖面圖如圖4所示.由圖4可以看出，剖面表面較光滑平整，沒有產(chǎn)生明顯的裂紋或分層破壞，由此可以推斷機械開孔對二維三軸編織鋪層復合材料結(jié)構(gòu)的損傷較小.

圖4 開孔后試樣的剖面圖Fig.4 Longitudinal section of the specimen after opening hole

2.2 彎曲性能測試分析

編織鋪層復合材料開孔前后的彎曲性能測試結(jié)果如表2所示.由表2可以看出，隨著鋪層數(shù)的增加，試樣可承受的最大載荷即破壞載荷p隨之增大，但當鋪層數(shù)達到一定的數(shù)量，可承受的最大彎曲載荷的增加量減少.開孔后鋪層數(shù)為一、二、三的編織復合材料的最大彎曲載荷較開孔前分別下降了31.14%，42.91%和36.85%，二層試樣下降幅度較大.這是因為在彎曲試驗時，鋪層數(shù)為二層的試樣內(nèi)部由于剪切力的作用，兩編織片之間的樹脂發(fā)生開裂.總體而言，當孔的直徑為試樣寬度的1／3.88時，開孔后的試樣可承受的最大載荷與未開孔的試樣相比下降1／3左右.

表2 編織鋪層復合材料的彎曲性能Table 2 Bending property of laminated braided composite

另外，由表2還可看出，隨著鋪層數(shù)的增加，未開孔試樣的彎曲彈性模量也隨之增大，這表明隨著鋪層數(shù)的增加，材料在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力也隨之增大.而開孔后試樣的彈性模量先上升后下降.開孔后鋪層數(shù)為一、二、三層的編織復合材料試樣的彈性模量較開孔前分別下降了29.61%，43.54%，61.17%，由此可以得出，當孔的直徑為試樣寬度的1／3.88時，開孔后試樣的彎曲彈性模量與未開孔的試樣相比下降1／2左右.

2.3 彎曲載荷-位移曲線分析

在孔的直徑與試樣的寬度比為1∶3.88時，二維三軸編織鋪層復合材料開孔前后的彎曲載荷-位移圖如圖5所示.由圖5可以看出，材料的彎曲載荷-位移圖可大致分為線性和非線性兩個區(qū)域.在線性區(qū)域，鋪層數(shù)為一層的材料開孔前后差異較大，鋪層數(shù)為二和三層的試樣開孔前后的變化曲線類似.在非線性區(qū)域，試樣的彎曲載荷-位移曲線均有很大的差異，這說明鋪層數(shù)為二和三層的試樣具有相似的彈性變形和不同的彎曲破壞過程，因為材料都是層疊結(jié)構(gòu)差異性很小，它們的彈性變形是相似的，但鋪層數(shù)的不同導致其厚度有差異，使得它們的彎曲破壞過程出現(xiàn)差別.而一層編織復合材料與二層、三層編織復合材料在線性區(qū)和非線性區(qū)都有很大差異，這是因為二層和三層編織復合材料為層疊結(jié)構(gòu)，其表面凹凸不平，層疊后凹凸表面咬合，使得一方面層間抱合緊密、不易分層，另一方面纖維體積分數(shù)增加，這些都會使得編織鋪層復合材料的彎曲模量與強度提高，因而彎曲破壞過程產(chǎn)生差異.

圖5 試樣的彎曲載荷-位移圖Fig.5 Bending load-displacement curve of the specimens

由圖5還可以看出，在達到最大載荷后，試樣1的載荷下降較平緩，這是因為在彎曲試驗中它的損傷是漸近的.試樣2和3的載荷分別在不同的彎曲變形下出現(xiàn)明顯的載荷下降，在達到最大載荷時，材料的上下表面均發(fā)生破壞，這表明在未開孔鋪層材料的整體性發(fā)生破壞時，兩者的力學性能發(fā)生較大的變化.試樣1-O，2-O和3-O的載荷下降均較平緩，原因可能是在開孔時材料的整體性受到了破壞，所以在彎曲破壞過程中不會像未開孔材料那樣出現(xiàn)明顯的載荷下降.

2.4 表面和截面形態(tài)分析

試樣3彎曲破壞后受壓面的表面情況如圖6所示.由圖6可以看出，左邊的試樣開孔，而右邊的試樣不開孔，且這兩種試樣的彎曲破壞僅發(fā)生在加載頭附近區(qū)域，受壓面發(fā)生起皺，在起皺區(qū)域附近有較多的樹脂裂紋，且僅存在于加載點處纖維束之間的樹脂區(qū).在試驗過程中可以觀察到，壓縮面的部分纖維束隨著樹脂的起皺而斷裂，拉伸面為表面樹脂先被拉斷，然后發(fā)生纖維束的斷裂.

圖6 試樣彎曲破壞后的表面圖Fig.6 The specimen surface after bending test

試樣彎曲破壞后沿圖6所示中心線切開的縱向截面如圖7所示.由圖7（a）和7（b）可以看出，在加載區(qū)附近樹脂破壞較嚴重，在加載處纖維的斷裂較嚴重，且試樣1-O纖維的斷裂比試樣1嚴重，這是由于試樣1-O的彎曲位移較大所致.由圖7（c）和7（d）可以看出，加載區(qū)附近裂紋不僅存在于加載點處纖維束之間的樹脂區(qū)，而且試樣2的兩相鄰編織片之間也有裂縫.這是因為在彎曲時，樣品厚度方向中心層面所受到的剪應(yīng)力最大，在二層鋪層編織復合材料中，其中心層面正是兩層之間的樹脂，而樹脂的強度不足以抵抗彎曲過程中產(chǎn)生的剪應(yīng)力，所以兩編織層片間的樹脂發(fā)生開裂，且裂紋沿縱向擴展.由圖7（e）和7（f）可以看出，受壓面的破壞較嚴重，但是沒有發(fā)生兩相鄰編織層之間的開裂，這是因為三層復合時，樣品厚度方向中心面位于第二層中，而不是在編織片間的樹脂中.在施加彎曲載荷時，所有試樣的主要破壞模式均表現(xiàn)為壓縮破壞，且初始破壞為壓縮面的樹脂起皺.

圖7 試樣的縱向截面圖Fig.7 Longitudinal section of the specimens

開孔試樣加載處直接受力區(qū)域如圖8所示.由圖8可以看出，開孔后由于孔的位置沒有纖維，所以加載處直接施加到試樣的彎曲載荷由孔兩邊的A區(qū)域承擔.將試樣1-O，2-O，3-O在距離孔邊緣分別為1，2，3 mm處平行于中心線截開，得其縱向截面圖如圖9所示.

圖8 加載處開孔試樣的直接受力區(qū)域Fig.8 The force area of opening hole type

圖9 距孔邊緣不同距離處試樣的縱向截面圖Fig.9 Longitudinal section of the specimens with different distance away from the hole edge

由圖9可以看出，在施加彎曲載荷時，所有編織鋪層復合材料在開孔附近處縱向截面的破壞程度最大.由圖9（a）可以看出，試樣1-O孔附近縱向截面的纖維斷裂嚴重，隨著與孔邊緣的距離增大，縱向截面中纖維的斷裂有所下降.由圖9（b）可以看出，試樣2-O相鄰兩編織片間有裂縫，且受壓面的纖維斷裂，但隨著縱向截面與孔邊緣的距離增大，裂縫消失，由此可見，鋪層數(shù)為二層的編織鋪層復合材料在彎曲破壞時雖然出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但不是每個縱向截面都會分層，只出現(xiàn)部分區(qū)域分層.由圖9（c）可以看到，試樣3-O在距離孔邊緣1 mm處有很明顯的層間裂縫，在距離孔邊緣2 mm處裂縫隱約可見，在距離孔邊緣3 mm處裂縫消失，這是由于在機械開孔過程中孔附近的層間受到損傷，且施加彎曲載荷時孔邊會產(chǎn)生應(yīng)力集中和剪切力的作用.由圖9（c）可以看出，距離孔邊緣1 mm處縱向截面中兩相鄰編織片之間有裂縫，但在圖7試樣3的截面并沒有發(fā)現(xiàn)兩相鄰編織片之間的裂縫，由此可見，開孔過程對孔周圍造成損傷，孔附近材料整體性遭到破壞，使得彎曲試驗中相鄰兩編織片層疊時凹凸表面產(chǎn)生的機械鎖結(jié)，以及兩層片間樹脂的強度，不足以克服兩編織片間的剪切應(yīng)力和孔周圍產(chǎn)生的應(yīng)力集中.由圖9還可以看出，在開孔試樣中，孔周圍的破壞集中距離孔邊緣1～2 mm范圍內(nèi).

3 結(jié) 語

本文采用普通機械方式開孔，當孔的直徑與試樣的寬度比為1∶3.88時，二維三軸編織鋪層復合材料開孔前后的彎曲性能具有以下幾點特征：

（1）開孔前后的二維三軸編織復合材料的彎曲性能對比.鋪層數(shù)為一、二、三的編織復合材料開孔后的最大彎曲載荷較開孔前分別下降了31.14%，42.91%，36.85%；彎曲強度分別下降了30.64%，42.91%，28.53%；彈性模量分別下降了29.61%，43.54%，61.17%.

（2）二維三軸編織復合材料可承受的最大載荷和彈性模量都隨著鋪層數(shù)的增加而增大，但當鋪層數(shù)達到一定數(shù)量之后，對彎曲性能的改變量減小.

（3）在彎曲試驗中，試樣受壓面發(fā)生起皺，起皺區(qū)域附近有較多的樹脂裂紋，受壓面的纖維束斷裂較嚴重，并且在鋪層數(shù)為二層的編織復合材料中，由于受到剪切力的作用，兩相鄰編織片之間有裂紋產(chǎn)生與擴展.

（4）在施加彎曲載荷時，材料的主要破壞模式為壓縮破壞，其初始破壞為壓縮面的樹脂起皺.

（5）在本文試驗中，開孔對復合材料周圍的影響范圍為距孔邊緣1～2 mm.

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Bending Properties of 2-D Triaxial Braded Laminated Composites with and without Open-Holes

ZHULu-lu1a，1b，YANJian-hua1c，GUHai-lin2

（a.Key Laboratory of Textile Science ＆Technology，Ministry of Education；b.College of Textiles；c.Research Institute，1.Donghua University，Shanghai 201620，China；2.SAIC Motor Corporation Limited，Shanghai 200041，China）

The bending properties of 2-D triaxial braid laminated composites with different layers，with and without open-holes，were investigated.The holes were opened by ordinary mechanical machinery.The results show that while the ratio of hole diameter to specimen width is 1∶3.88，the maximum bending load and bending strength of 2-D triaxial braid laminated composites drop by a third and their bending elastic modulus drop by a half，while compared with 2-D triaxial braid laminated composites without open-holes.No matter with or without holes，the maximum bending load and bending elastic modulus increase with the increasing of layers，but when the layers reach a certain number，the change in the bending performance drops.When bending load is applied，the main failure mode is compression failure.The influence area of open-holes is within 1-2 mm from the edge of hole.

2-D triaxial braid laminated composites； braid laminates； open-hole structure；bending experiment

V 258＋.3

A

2014-06-11

上海市科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化資助項目（12521102400）；上海市教委上海高校知識服務(wù)平臺資助項目（ZF1215）

朱露露（1989—），女，江蘇東臺人，碩士研究生，研究方向為編織復合材料.E-mail：2120140＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

閻建華（聯(lián)系人），男，研究員，E-mail：jh＿yan＠dhu.edu.cn

1671-0444（2015）05-0589-07