縫合連接三維編織復(fù)合材料彎曲破壞形式分析①

焦亞男,李嘉祿,孫其永

(天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所天津市和教育部共建先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點實驗室,天津 300160)

1 引言

三維編織復(fù)合材料整體性能好,不存在分層問題。另外許多形狀復(fù)雜制件的增強(qiáng)體可以通過設(shè)計三維編織技術(shù)參數(shù)和工藝,一次織造出完全整體的結(jié)構(gòu),從而提高復(fù)合材料制件的性能。但是,三維編織技術(shù)不可能實現(xiàn)所有形狀復(fù)雜制件的整體編織。對于這部分制件,盡可能采用三維編織技術(shù)實現(xiàn)制件某些部分的整體編織,然后,再把這些部分連接起來。因此,這就存在三維編織復(fù)合材料(或預(yù)制件)連接的問題,以及這些連接對材料力學(xué)性能的影響問題。編織復(fù)合材料制件的連接,大體有兩種方法,其一是將已經(jīng)成型好的各部分復(fù)合材料部件進(jìn)行連接,從而形成最終的制件[1,2];其二是將各部分的預(yù)制件連接起來,再整體復(fù)合固化得到最終制件。

成型復(fù)合材料的膠接連接被廣泛應(yīng)用于在先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上。研究發(fā)現(xiàn),由于層合板復(fù)合材料的厚度方向性能較差,被粘件常常在靠近粘合劑的地方發(fā)生分層破壞[3]。對于采用樹脂傳遞模塑技術(shù)制成的復(fù)合材料接頭,由于在連接處沒有粘合劑層,所以失效經(jīng)常發(fā)生在連接件的界面上。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為,厚度方向的縫合可明顯提高層合板復(fù)合材料Ⅰ型和Ⅱ型分層斷裂韌性。文獻(xiàn)[5]研究了縫合對玻璃纖維機(jī)織物搭接連接拉伸強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)未縫合搭接連接要好于縫合連接。這與文獻(xiàn)[6]的研究發(fā)現(xiàn)相反,他們認(rèn)為縫合使單搭接連接的強(qiáng)度提高了25%。文獻(xiàn)[7]用多種類別的試樣和試驗研究了縫合對CFRP(炭纖維增強(qiáng)聚合物)層合板的影響,試驗結(jié)果表明,縫合能夠抵抗損傷的增長,抑制裂縫的擴(kuò)散和推遲最終的斷裂。但縫合、未縫合以及整體三維編織復(fù)合材料彎曲性能的對比研究未見報道。

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了三維編織預(yù)制件不同的連接形式:通過縫合的搭接連接和未縫合僅通過共固化的連接,對制成的復(fù)合材料試件彎曲性能的影響,并與三維整體編織復(fù)合材料試件的彎曲性能進(jìn)行了比較。同時,討論了這些試件彎曲破壞的形式。本文的試驗結(jié)果將為縫合連接三維編織復(fù)合材料的設(shè)計提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

2 不同連接形式三維編織復(fù)合材料試件的制備

本研究參考國標(biāo)GB 1449-2005進(jìn)行測試。試件外形尺寸為長方形,名義尺寸100mm(L)×15 mm(b)×5mm(h)。試件共分為3種:搭接縫合三維編織復(fù)合材料試件、只搭接不縫合的三維編織復(fù)合材料試件和三維整體復(fù)合材料試件。

所有試件均在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備。預(yù)制件采用四步法1×1方形三維編織工藝進(jìn)行編織。需要縫合的預(yù)制件,將2件三維編織物在中部搭接起來,在工業(yè)用縫紉機(jī)上用Kevlar29縫合線進(jìn)行縫合,縫合方式采用改進(jìn)的鎖式縫合。縫合好的三維編織預(yù)制件采用RTM工藝固化成型。不需要縫合的試件,將2件三維編織物在中部搭接起來后,直接采用RTM工藝固化成型。三維編織物搭接和縫合連接示意圖見圖1。

圖1 0°縫合連接三維編織試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of the stitching joint 3D braided sam ple in 0°direction

其中ED方向為0°方向,與ED垂直的方向為90°方向,AB為搭接長度。試件編織結(jié)構(gòu)為三維五向,增強(qiáng)纖維采用高強(qiáng)玻璃纖維,基體材料為TDE-86環(huán)氧樹脂,固化劑為70#酸酐。試件共分為5組,包括搭接長度為55mm的低、中、高三種縫合密度的3組試件,只搭接未縫合的1組試件和整體編織的1組試件。試件的編號和規(guī)格見表1。

表1 三維編織復(fù)合材料彎曲試驗件的規(guī)格Table 1 Specifications of bending samp les of stitching joint 3D braided composites

3 三維編織復(fù)合材料試件的彎曲試驗

試驗采用三點彎曲試驗,在島津AG-250KNE型萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行,環(huán)境溫度為室溫,圖2是試件加載示意圖。在試驗件上表面沿寬度方向的中心線上按照位移加載模式進(jìn)行加載,載荷為p,加載速度為2mm/min,跨距L=80 mm。試驗前對各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)零,對試驗設(shè)備進(jìn)行位移間隙誤差消除,一切正常后開始正式加載。通過相連的軟件界而可顯示試驗過程中各個參數(shù)的動態(tài)變化并自動采集相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。

圖2 試件加載示意圖Fig.2 Schem atic diagram of loaded sam ples

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 未縫合連接與縫合連接編織復(fù)合材料的彎曲性能比較

圖3為未縫合和縫合連接試件的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量的比較。

從圖3中可看出,在搭接長度和纖維體積含量基本相同的情況下,未縫合連接試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最小。與未縫合連接試件相比,縫合連接的各組試件的彎曲強(qiáng)度提高了20%～50%,彎曲模量也有一定程度的提高,而且隨著縫合密度的不同,不同試件提高的幅度也有所不同。這說明縫合可在一定的范圍內(nèi)提高連接試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量,并且縫合連接后的彎曲性能與縫合密度有一定的關(guān)系。

分析認(rèn)為,未縫合的連接試件在預(yù)制件的搭接面上,厚度方向沒有增強(qiáng)纖維通過,只是靠中間一層樹脂連接。在受到彎曲載荷時,這種連接方式使連接處的應(yīng)力分布很不均勻,在連接面的兩端都有很大的應(yīng)力,就容易在搭接面上發(fā)生分層斷裂。而在縫合連接后的三維編織試件中,被連接的2個三維編織預(yù)制件用縫合線連接在一起,厚度方向有增強(qiáng)纖維通過,使得原來單一的二維破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的破壞模式,縫線與增強(qiáng)纖維和基體一起,共同抵抗外加荷載,從而能夠抵抗比較大的載荷。

圖3 未縫合和縫合連接試件彎曲強(qiáng)度和彎曲模量Fig.3 Bending strength and modulus of unstitching and stitching joint sam p les

3.2 整體編織復(fù)合材料與縫合連接復(fù)合材料的彎曲性能比較

圖4為縫合連接和三維整體編織試件彎曲強(qiáng)度、彎曲模量的比較。從圖4可看出,在纖維體積含量和編織角基本相同的情況下,三維整體編織試件的彎曲強(qiáng)度和模量最高,縫合連接試件的彎曲強(qiáng)度下降了25%～40%,彎曲模量下降了10%～20%左右;但不同組別之間彎曲模量值相差不大,變化范圍為28～34 GPa。

經(jīng)分析認(rèn)為,造成縫合連接試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量比三維整體編織試件小的主要原因:三維整體編織試件是一個完全整體的結(jié)構(gòu),在厚度方向上有很多根纖維束通過;而縫合連接的試件在預(yù)制件的搭接面上,雖然有縫合線通過,但是通過厚度方向的縫線根數(shù)要大大少于整體編織試件通過厚度方向的纖維束根數(shù)。同時還由于,在縫合連接試件的縫合過程中,被縫合的三維編織物中的玻璃纖維受到了縫針的穿刺和芳綸縫紉線的反復(fù)作用,不可避免地會造成一定的損傷和變形,從而降低了纖維的承載能力。

圖4 縫合連接和整體編織試件彎曲強(qiáng)度和彎曲模量Fig.4 Bending strength and modulus of stitching joint and 3D integra l braided sam p les

3.3 彎曲破壞形貌與分析

圖5為不同試件在彎曲試驗中的載荷撓度曲線圖,它表明了材料結(jié)構(gòu)破壞積累的過程。由圖5可看出,5條曲線的初始階段均呈現(xiàn)明顯的線性。但隨著載荷量的增加,各組試件開始出現(xiàn)非線性。

圖5 載荷-撓度曲線Fig.5 Testing curve of load-flexibility

圖6為試件的破壞形貌照片。彎曲破壞模式有兩種:一是在搭接面上發(fā)生分層斷裂(如圖6(a)、(b)所示);二是在壓頭所在位置發(fā)生了塑性變形(如圖6(c)所示)。未縫合和縫合試件都是發(fā)生了分層斷裂。而三維整體編織試件都是發(fā)生了永久變形。在縫合試件的分層斷裂界面上,可看到斷裂的縫合線。由于縫合線的存在,在分層前端形成纖維橋,產(chǎn)生抵抗分層的力,從而阻止分層的進(jìn)一步擴(kuò)展,因此分層過程中要消耗更多的外部能量,才能使所有的縫線破壞、拔出。三維整體編織試樣并未發(fā)生斷裂,而僅在壓頭所在位置發(fā)生了永久彎曲變形。觀察發(fā)現(xiàn),在三維整體編織試件的受拉、壓面出現(xiàn)了泛白現(xiàn)象,并未出現(xiàn)明顯的橫貫試樣表面的宏觀裂紋。承受彎曲載荷時,位于最外側(cè)的樹脂基體首先發(fā)生斷裂,裂紋沿試樣厚度方向向內(nèi)部擴(kuò)展,但三維編織纖維起到很好的阻裂作用,有效防止裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展,且受拉側(cè)出現(xiàn)的裂紋終止于纖維富集的區(qū)域。最后,在更大彎曲載荷的作用下,試件失效。

圖6 3種材料的彎曲破壞模式Fig.6 Three kinds o f bending dam age modes of samp les

5 結(jié)論

(1)在三維編織預(yù)制件不同的連接形式中,采用縫合搭接連接技術(shù)是制作復(fù)雜形狀制件的重要方法。

(2)縫合連接三維編織復(fù)合材料試件與未縫合連接三維編織復(fù)合材料試件相比,彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提高了20%～50%和5%～10%。

(3)縫合連接的三維編織復(fù)合材料試件與三維整體編織復(fù)合材料試件相比,彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別下降了25%～40%和10%～20%。

(4)未縫合連接試件和縫合連接都是發(fā)生了分層破壞,整體編織試件發(fā)生了塑性變形。

[1] Lin Wei Hwang,Jen Ming Hwa.The strength of bolted and bonded single-lapped composite joints in tension[J].J.Comp.Mate.,1999,33(7):465-488.

[2] 吳曉青,李嘉祿,焦亞男.復(fù)合材料膠接方式的設(shè)計[J].紡織學(xué)報,2005,24(4):72-74.

[3] Kairouz K C,Matthews F L.Strength and failuremodes of bonded single lap joints between cross-ply adherends[J].Composites,1993,24:475-484.

[4] Liu D.Delamination resistance in stitched and unstitched composite plates sub jected to impact loading[J].J.Reinforced Plastics and Composites,1990,(9):59-69.

[5] Lee C,Liu D.Tensile strength of stitching joint in woven glass fabrics[J].J.Eng.Mater.Tech.,1990,112:125-30.

[6] Tong L,Jain L K,Leong K H.Failure of transversely stitched RTM lap joints[J].Composites Science and Technology,1998,58:221-227.

[7] Tada Y,Ishikawa T.Experimental evaluation of the effects of stitching on CFRP laminates with various shapes and loadings[J].Key Engineering Materials,1989,37:305-316.

[8] 李嘉祿,焦亞男,孫其永.縫合連接三維編織復(fù)合材料彎曲性能試驗研究[J].固體火箭技術(shù),2009,32(1):90-94.