羅貴

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津　300300）

編織與層合復(fù)合材料拉壓性能對比試驗研究

羅貴

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

利用相同材料分別制備不同編織角的三維四向、五向、六向、七向編織復(fù)合材料試樣與0°單向、90°單向和［0/（45）2/90］2 s層合復(fù)合材料試樣并進行縱向拉伸與壓縮試驗，獲得其主要力學(xué)性能參數(shù)及破壞形式，分析內(nèi)部編織角、編織結(jié)構(gòu)對編織材料縱向拉伸與壓縮性能的影響。結(jié)果表明，內(nèi)部編織角是三維編織復(fù)合材料縱向力學(xué)性能的主要影響因素，編織角越小，縱向拉伸和壓縮性能越好；編織結(jié)構(gòu)也是縱向力學(xué)性能影響因素；內(nèi)部編織角和編織結(jié)構(gòu)影響材料的破壞模式。通過試驗研究得到的結(jié)論，為進一步對三維編織復(fù)合材料的理論研究奠定試驗基礎(chǔ)。

復(fù)合材料；三維多向；編織結(jié)構(gòu)；編織角；力學(xué)性能；試驗

試驗研究在復(fù)合材料研究與應(yīng)用中具有重要作用，試驗可以驗證材料力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計分析提供試驗數(shù)據(jù)，也可分析材料破壞模式和失效機理，為強度預(yù)報等問題奠定試驗基礎(chǔ)。文獻［1-6］分別利用相關(guān)試驗研究三維四向、五向和六向編織復(fù)合材料力學(xué)性能及其破壞機制，文獻［7-8］對三維編織復(fù)合材料及其力學(xué)性能研究進行總結(jié)和展望；但針對三維七向編織及三維多向編織與層合復(fù)合材料之間的力學(xué)性能，對比研究仍欠缺。

本文利用相同材料分別制備不同編織角的三維四向、五向、六向、七向編織復(fù)合材料試樣和0°單向、90°單向、［0/（45）2/90］2s層合復(fù)合材料試樣并進行縱向拉伸與壓縮試驗，獲得其主要力學(xué)性能參數(shù)及破壞機制，對比研究內(nèi)部編織角、編織結(jié)構(gòu)對編織材料縱向性能和破壞形式的影響，為進一步的三維編織復(fù)合材料理論研究奠定試驗基礎(chǔ)。

1　試驗描述

本文分別對編織與層合復(fù)合材料試樣進行縱向拉伸和壓縮試驗。編織試樣分為2種編織角（20°和40°）和4種編織結(jié)構(gòu)（三維四向、三維五向、三維六向和三維七向）；層合試樣鋪層為［0/（45）2/90］2s、0°單向和90°單向。所有試樣均選用T700-12K碳纖維增強纖維，基體材料為TDE86環(huán)氧樹脂，纖維體積含量約58%。

拉伸試驗參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039進行，試樣長度和寬度分別為250 mm和25 mm（0°單向板寬度為15 mm），厚度為3.5 mm，兩端有長50 mm，寬25 mm，厚2 mm的鋁制加強片，如圖1所示。壓縮試驗參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6641進行，采用組合加載壓縮（CLC）試驗夾具，試樣長度和寬度分別為140 mm和12 mm，厚度為3.5 mm，如圖2所示。所有試驗均在室溫環(huán)境下完成，拉伸試驗加載速度為2 mm/min，壓縮試驗加載速度為1.3 mm/min。所有試樣采用電阻應(yīng)變片方式采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，正反面對稱且沿試樣縱向和橫向軸線方向貼應(yīng)變片，如圖1、圖2所示。

圖1　拉伸試樣幾何尺寸Fig.1　Dimensions of tensile specimen

圖2　壓縮試樣幾何尺寸Fig.2　Dimensions of compressive specimen

2　試驗結(jié)果

縱向拉伸和壓縮試驗結(jié)果如表1所示，表中所列數(shù)據(jù)為每組試驗的平均值。拉伸試驗強度和彈性模量離散性小，壓縮試驗離散性在可接受范圍內(nèi)，表明本試驗方法適用于三維編織復(fù)合材料縱向拉壓力學(xué)性能試驗，泊松比離散率較大，需改進試驗方法以獲得更加準(zhǔn)確的泊松比。

表1　試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.1　Mechanical property data of specimens

2.1三維編織與層合復(fù)合材料性能對比

各組試樣力學(xué)性能對比如圖3所示。縱向拉伸試驗中，編織試樣拉伸彈性模量和強度高于［0/（45）2/90］2s層合試樣，且彈性模量與強度分布規(guī)律一致，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣遠高于層合試樣，40°編織角的三維六向編織試樣和20°編織角的三維七向編織試樣略高于層合試樣，其他幾種形式編織試樣與層合試樣相當(dāng)。在縱向壓縮試驗中，編織試樣與層合試樣的壓縮強度相當(dāng)，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣略高于層合試樣，其它幾種形式編織試樣均略低于層合試樣，編織試樣的壓縮彈性模量均高于層合試樣，其中20°編織角的三維四向、五向、六向編織試樣壓縮彈性模量是層合試樣的2倍以上，40°編織角的三維六向與20°編織角的三維七向編織試樣的壓縮彈性模量略高于層合試樣，其它幾種編織形式與層合板相當(dāng)。由比較可知，20°編織角三維四向和三維五向編織結(jié)構(gòu)縱向拉伸性能優(yōu)越，接近0°單向板拉伸性能。因為復(fù)合材料的縱向性能主要由纖維束決定，在纖維體積含量相同的情況下，0°單向板縱向纖維最多，編織角較小時縱向纖維也較多，隨著編織紗向增加，縱向纖維含量減少，所以三維四向與三維五向編織復(fù)合材料表現(xiàn)強度和模量較高。從結(jié)果可知，90°單向板的縱向性能差，因為這相當(dāng)于試驗0°單向板的橫向性能，對于單向板，橫向性能主要由基體性能決定，基體樹脂相比纖維其性能差很多，而編織復(fù)合材料由于纖維相互交錯構(gòu)成整體性分布于基體之間，大大的改善了材料性能，所以編織材料的強度與模量都遠比90°單向板高。

圖3　編織與層合結(jié)構(gòu)縱向拉壓性能對比Fig.3　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between braided and laminated structures

2.2不同編織角的三維編織材料性能對比

圖4分別對比了不同編織角材料縱向拉伸和壓縮性能。隨著編織角增加，模量和強度降低，泊松比有所增加，對于相同編織結(jié)構(gòu)，編織角為40°試樣相比編織角為20°試樣的縱向拉伸和壓縮性能均有所下降，其中三維四向、五向試樣拉壓強度與彈性模量下降顯著，降率達到100%以上；三維六向試樣拉壓強度與彈性模量的變化較小。因為在編織角較小情況下，拉壓載荷主要由纖維束承受，而纖維束的承載能力遠比基體高，所以試樣拉壓強度與模量比編織角較大的試樣高；又由于纖維束線之間的相互約束，使得試樣橫向變形相對編織角較大的試樣要小，故泊松比小。結(jié)果表明，內(nèi)部編織角對材料縱向拉伸和壓縮性能有顯著影響，內(nèi)部編織角越小，編織紗線對縱向性能貢獻越大，縱向拉伸與壓縮彈性模量和拉伸強度越大，改變內(nèi)部編織角角度可直接導(dǎo)致材料縱向性能變化。從數(shù)據(jù)比較可知，在4種編織結(jié)構(gòu)中三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向力學(xué)性能受內(nèi)部編織角的影響最小。

圖4　不同編織角的縱向拉壓性能對比Fig.4　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided angles

2.3不同編織結(jié)構(gòu)的三維編織材料性能對比

圖5分別展示了2種內(nèi)部編織角下4種編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸與壓縮性能對比。對比分析可知，對于編織角為20°的4種編織結(jié)構(gòu)，三維五向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的縱向性能最優(yōu)。三維五向編織結(jié)構(gòu)由于第五向軸紗的加入，使其拉伸強度較三維四向編織結(jié)構(gòu)略有下降，拉伸彈性模量、壓縮彈性模量和壓縮強度均有明顯提高。再隨著第六向軸紗增加，三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸和壓縮性能出現(xiàn)下降趨勢，隨著第七向軸紗的增加，三維七向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸和壓縮性能繼續(xù)下降，在4種編織結(jié)構(gòu)中縱向力學(xué)性能最低。這表明，第五向軸紗對編織材料起到了積極的貢獻；第六向和第七向軸紗對編織材料縱向力學(xué)性能沒有優(yōu)越貢獻，反而降低了材料的縱向力學(xué)性能。對于內(nèi)部編織角為40°的4種編織結(jié)構(gòu)，三維六向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉壓性能最優(yōu)?？v向拉壓強度與彈性模量的變化規(guī)律基本一致，隨著第五向、第六向軸紗的引入，三維編織結(jié)構(gòu)的縱向拉伸、壓縮強度與彈性模量均有所增加，而當(dāng)?shù)谄呦蜉S紗加入后，拉壓強度和彈性模量大幅下降。三維七向編織結(jié)構(gòu)的縱向拉壓力學(xué)性能均最差。

圖5　不同編織結(jié)構(gòu)縱向拉壓性能對比Fig.5　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided structures

3　破壞形式

拉伸試驗加載到試樣斷裂；壓縮試驗加載到試樣發(fā)出斷裂聲響且試驗機顯示載荷出現(xiàn)明顯下降后停止，加載載荷達到試樣的破壞載荷，試樣發(fā)生破壞。

3.1拉伸破壞

圖6給出了拉伸試樣破壞形式。拉伸試樣破壞形式比較分散，有中間工作段橫向破壞，有靠近加強片處的橫向斷裂，有沿表面取向角方向的斷裂和縱向斷裂，也有少數(shù)出現(xiàn)了以上幾種破壞形式的混合形式。圖6中（a）～（f）是三維多向（四向、五向、六向和七向）編織復(fù)合材料幾種具有代表性的破壞形式。其破壞形式主要是纖維和基體的斷裂，斷口方向基本與試樣的加載方向垂直，且斷口較平整，表明試驗中試樣受力均勻。出現(xiàn)縱向劈裂的試樣全為內(nèi)部編織角為20°的試樣（三維四向2件，三維五向2件，三維七向1件），因為內(nèi)部編織角越小，編織紗對試樣的橫向力學(xué)性能貢獻越小，對試樣的縱向劈裂起到較小的抑制作用；另外由于三維四向和三維五向編織試樣沒有第六向軸紗，試樣的橫向性能較弱，導(dǎo)致縱向劈裂，后續(xù)可通過橫向試驗來進行驗證。

圖6　拉伸試樣破壞形式Fig.6　Failure characteristics of tensile specimens

3.2壓縮破壞

壓縮試樣的破壞形式發(fā)散性小，圖7給出了壓縮試樣中典型的破壞形式。編織角為20°的三維四向與五向編織材料各組5個試樣的破壞形式與其它編織復(fù)合材料不一致，在試樣的上部或下部沿編織復(fù)合材料表面取向角方向上發(fā)生斷裂，而不是在試樣中間發(fā)生斷裂，斷口與壓縮受力方向約成45°角，呈現(xiàn)剪切破壞形式，如圖7（a）、（b）所示。因為缺少第六向軸紗在橫向?qū)Σ牧系呢暙I，與40°編織角相比，20°編織角試樣的編織紗在橫向的貢獻小，導(dǎo)致材料發(fā)生上述破壞形式；編織角為40°的三維四向編織試樣都是在試樣中部出現(xiàn)裂紋，破壞形式如圖7（c）所示；編織角為40°的三維五向編織試樣的破壞不明顯，只出現(xiàn)細微的裂紋，均發(fā)生在試樣中部，如圖7（d）所示；此外，三維六向與七向編織試樣的破壞均發(fā)生在中部，圖7（e）～圖7（h）分別為其破壞形式。觀察以上試樣的斷口，可以看出壓縮破壞形式主要是纖維屈曲、纖維壓剪斷裂、基體壓剪斷裂及纖維與基體界面分離等剪切破壞。分析各組試驗破壞形式可知三維編織復(fù)合材料的破壞機制與編織角和編織結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系。

圖7　壓縮試樣的破壞形式Fig.7　Failure characteristics of compressive specimens

4　結(jié)語

1）編織角對三維多向編織復(fù)合材料縱向拉伸和壓縮性能影響顯著，編織角越大，縱向拉伸彈性模量與強度、縱向壓縮彈性模量與強度越小，泊松比越大。

2）編織結(jié)構(gòu)對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能也有明顯影響。對于20°編織角，三維五向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最優(yōu)；對于40°編織角，三維六向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能最優(yōu)；20°和40°編織角的三維七向編織結(jié)構(gòu)縱向力學(xué)性能均較差。

3）三維多向編織復(fù)合材料的破壞形式主要是基體開裂和纖維斷裂。拉伸破壞形式較分散，有垂直加載方向的橫向斷裂，也有沿加載方向的縱向斷裂；壓縮破壞形式較典型，沿表面取向角方向斷裂，編織紗角度影響三維四向和五向編織結(jié)構(gòu)的壓縮破壞形式。

［1］徐焜，許希武，汪海.三維六向編織復(fù)合材料力學(xué)性能的實驗研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2005，22（6）：144-149.

［2］嚴(yán)實，孫雨果，吳林志，等.板狀三維四向編織復(fù)合材料壓縮細觀破壞機理的實驗研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2007，24（4）：133-139.

［3］李典森，劉子仙，盧子興，等.三維五向炭纖維/酚醛編織復(fù)合材料的壓縮性能及破壞機制［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2008，25（1）：133-139.

［4］陳利，梁子青，馬振杰，等.三維五向編織復(fù)合材料縱向性能的實驗研究［J］.材料工程，2005（8）：3-6.

［5］嚴(yán)實，吳林志，孫雨果.三維四向編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能實驗研究［J］.材料工程，2007（3）：59-66.

［6］郭穎，吳林志，楊銀環(huán)，等.三維六向編織復(fù)合材料拉伸性能的實驗研究［J］.宇航學(xué)報，2012，33（5）：669-674.

［7］汪星明，邢譽峰.三維編織復(fù)合材料研究進展［J］.航空學(xué)報，2010，31（5）：914-927.

［8］曾濤，姜黎黎.三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進展［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2011，16（1）：34-41.

（責(zé)任編輯：劉智勇）

Experimental comparative study on tensile and compressive properties of braided and laminated composites

LUO Gui
（Engineering Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

Through the longitudinal tensile and compressive experiments on 3D-4 directional，3D-5 directional，3D-6 directional，3D-7 directional braided composites and laminated composites with stacking sequence of［0/（45）2/90］2s and 0°one-way slab and 90°one-way slab all made by a same material，the main mechanical property parameters and failure mechanism are achieved and the effects of braided angle and its structure to longitudinal tensile and compressive properties of braided composites are studied.Results show that the braided angle is the main factore of longitudinal mechanical properties of 3D braided composite.The smaller braided angle is，the better longitudinal tensile and compressive mechanical properties become.Braided structure also has important effect on longitudinal mechanical properties.In addition，braided angle and structure have important effect on failure mechanism.These results can provide an experimental basis for further studies on theoretical research of braided composites.

composites；3D multi-direction；braided structure；braided angle；mechanical properties；experiment

V258；TH122

A

1674-5590（2016）03-0052-05

2015-07-02；

2015-09-21基金項目：中航創(chuàng)新基金項目（NBLB003）

羅貴（1983—），男，江西贛州人，助教，碩士，研究方向為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析.