三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能

曹海建，錢 坤，徐文新，李 雅，臧 紅

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無(wú)錫 214122;2.江蘇曠達(dá)汽車織物集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213179)

三維編織復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有層間結(jié)合力強(qiáng)、抗沖擊性能好等特點(diǎn)，在航空航天、軌道交通、船舶、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。目前，三維編織復(fù)合材料種類大致可分為:三維四向、三維五向及三維全五向編織復(fù)合材料等。其中三維五向編織復(fù)合材料是在傳統(tǒng)三維四向編織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它通過(guò)在三維四向結(jié)構(gòu)部分編織空隙沿軸向添加軸紗(第五向紗)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)使材料的纖維體積分?jǐn)?shù)和軸向力學(xué)性能得到較大提高，為該結(jié)構(gòu)材料作為主承力構(gòu)件提供了可能［3－5］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，三維五向編織復(fù)合材料中仍剩余較多編織空隙無(wú)軸紗占據(jù)，限制了三維五向編織材料力學(xué)性能的大幅度提高。因此，文獻(xiàn)［6－7］嘗試在所有編織空隙中加入軸紗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)材料的纖維體積分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能均得到大幅提高，并將此結(jié)構(gòu)材料稱為三維全五向編織復(fù)合材料。皮秀標(biāo)等［8］從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次建立了三維全五向編織復(fù)合材料的單胞模型，并分析了材料的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，探討了編織工藝參數(shù)間的關(guān)系，并對(duì)纖維體積含量進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。

總體看來(lái)，目前關(guān)于三維全五向編織復(fù)合材料的相關(guān)研究還較少。本文將基于四步法1×1編織工藝，分別制備三維五向、三維全五向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并對(duì)比分析上述2類結(jié)構(gòu)材料的壓縮性能，研究軸紗、編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料壓縮性能的影響，研究結(jié)果將為該類結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及綜合性能研究奠定重要的基礎(chǔ)。

1 編織復(fù)合材料的制備

1.1 原料與設(shè)備

纖維原料:1 200 tex高強(qiáng)無(wú)堿玻璃纖維，中材科技股份有限公司提供。

樹(shù)脂基體:E51環(huán)氧樹(shù)脂(黏度19 Pa·s，密度1.24 g/cm3)，70#固化劑(四氫鄰苯二甲酸酐)，無(wú)錫樹(shù)脂廠提供。

儀器設(shè)備:全自動(dòng)模塊組合式編織平臺(tái)，北京柏瑞鼎科技有限公司;RTM注射系統(tǒng)，法國(guó) Isojet公司。

1.2 復(fù)合材料的制備

三維編織復(fù)合材料預(yù)制件(編織物)的制備參見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。第1步，預(yù)制件(編織物)預(yù)處理。將預(yù)制件置于烘箱中加熱烘干，去除水分，待烘干后，取出稱其凈重，備用。第2步，模具表面處理。利用浸有乙酸乙酯的清潔布擦除模具表面殘留的脫模劑和油污，并晾干。第3步，預(yù)制件放入模具。將預(yù)制件放入模具，合上模具，放入烘箱中預(yù)熱30 min，烘箱溫度60℃;設(shè)置注塑速率，注塑頭、管道和樹(shù)脂儲(chǔ)存罐溫度，注塑壓力等工藝參數(shù)，并輔以抽真空工序。第4步，預(yù)制件復(fù)合成型。將配制好的樹(shù)脂基體注入模具，注塑過(guò)程中模具不可隨意移動(dòng)，待注塑完畢后，切斷樹(shù)脂流動(dòng)管道，密封模具注塑口和樹(shù)脂回流口，關(guān)上烘箱，保溫固化處理24 h。第5步，待模具冷卻后，打開(kāi)模具、取出制備好的三維編織復(fù)合材料，備用。

2 壓縮性能

2.1 測(cè)試設(shè)備

采用美國(guó)3385H型INSTRON萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。最大施加載荷為250 kN，位移分辨率為0.001 mm，所有實(shí)驗(yàn)均采用位移加載的方式進(jìn)行，縱向壓縮加速度為5 mm/min。采用電子引伸計(jì)測(cè)量試樣件在壓縮過(guò)程中的微小變形，最大量程為10 mm，系統(tǒng)根據(jù)試樣的位移、載荷、變形等數(shù)據(jù)自動(dòng)繪出相應(yīng)的應(yīng)變-應(yīng)力曲線。

2.2 測(cè)試方法

參照GB 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。為有效分析軸紗數(shù)量和編織角等工藝參數(shù)對(duì)材料壓縮性能的影響，制作了4組不同工藝參數(shù)的試件，試件尺寸為10mm×10mm×30mm;因試件截面為方形，在受到壓縮載荷作用時(shí)容易發(fā)生端部損壞，因此要求在測(cè)試前對(duì)試件的上下底面進(jìn)行平整拋光整理，并剔除有缺陷、不符合尺寸要求的試件，每組試件選取5個(gè)有效測(cè)試值，取其平均值作為參考。壓縮試件的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮試件的工藝參數(shù)及壓縮測(cè)試結(jié)果Tab.1 Process parameters and com pressive testing results of com p ressive sam p les

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 壓縮特性

觀察三維全五向編織復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試過(guò)程中試件無(wú)明顯變形和聲響產(chǎn)生，但在試件即將破壞的瞬間，由于環(huán)氧樹(shù)脂基體開(kāi)裂和玻璃纖維的大量斷裂，試件產(chǎn)生劇烈的聲響，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特性。三維全五向編織復(fù)合材料壓縮斷口形貌如圖1所示。由圖可知，標(biāo)準(zhǔn)三維全五向編織復(fù)合材料試件(見(jiàn)圖1(a))，材料發(fā)生壓縮破壞時(shí)，沿試件的編織方向即縱向，斷裂面與受力方向基本呈45°夾角，為明顯的彎剪破壞特征，材料的上下底面仍然保持平整光滑，無(wú)纖維束脫散裂開(kāi)現(xiàn)象;對(duì)于存在復(fù)合缺陷的試件(見(jiàn)圖1(b))，產(chǎn)生樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬不良、干斑和空隙等不良現(xiàn)象時(shí)，復(fù)合成型后的材料必然形成若干弱承力區(qū)域，在受到諸如壓縮載荷等作用時(shí)，這些弱承力區(qū)域易產(chǎn)生基體開(kāi)裂脫黏，并逐漸延伸致最終導(dǎo)致材料提前失效;對(duì)于上下底面不平整的試件(見(jiàn)圖1(c))，在受到壓縮載荷作用時(shí)，試件上下底面受力不均，凸起的部分首先與壓縮夾具面接觸而受力，形成應(yīng)力集中，材料易產(chǎn)生裂紋并以某一角度延伸，最終使材料產(chǎn)生局部壓縮破壞而失效。

圖1 三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮破壞形貌Fig.1 Compressive breakage images of three-dimensional full five-directional braided composites.(a)Breakage image of standard samples;(b)Breakage image of samples with complex-defects;(c)Breakage of sampleswith unevenness upper and lower face

2.3.2 壓縮性能

三維五向、三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能如圖2所示。結(jié)合表1可知，三維五向、三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線規(guī)律相似。在壓縮測(cè)試起始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)非線性變化趨勢(shì);隨著載荷進(jìn)行，應(yīng)力隨應(yīng)變呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為明顯的彈性變形特征;當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件失效斷裂，應(yīng)力急劇下降。

當(dāng)編織角相同時(shí)，三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能明顯好于三維五向結(jié)構(gòu)。當(dāng)編織角為31°時(shí)，三維全五向1#試件的壓縮應(yīng)力為194.0 MPa，三維五向2#試件的壓縮應(yīng)力為118.5 MPa;當(dāng)編織角為19°時(shí)，三維全五向 3#試件的壓縮應(yīng)力為385.9 MPa，三維五向 4#試件的壓縮應(yīng)力為199.8 MPa。這是因?yàn)槿S全五向編織結(jié)構(gòu)比三維五向結(jié)構(gòu)有更多的軸紗，極大地提高了材料的軸向壓縮性能。

圖2 三維編織復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress and strain curves of three-dimensional braided composites

纖維體積分?jǐn)?shù)相近時(shí)，三維全五向編織復(fù)合材料的拉伸性能好于三維五向結(jié)構(gòu)。三維全五向3#試件的纖維體積分?jǐn)?shù)為 52.3%，壓縮應(yīng)力為385.9 MPa;三維五向2#試件的纖維體積分?jǐn)?shù)為53.2%，壓縮應(yīng)力為118.5MPa。這是因?yàn)槿S全五向編織復(fù)合材料中所有空隙均有軸紗占據(jù)，導(dǎo)致編織物與樹(shù)脂基體復(fù)合時(shí)，樹(shù)脂富集區(qū)大大減少，從而極大地提升了材料的抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)編織角增大時(shí)，三維編織復(fù)合材料的壓縮性能明顯下降。對(duì)于三維全五向編織復(fù)合材料，3#試件的編織角為19°，壓縮應(yīng)力為385.9 MPa;1#試件的編織角為 31°，壓縮應(yīng)力為194.0 MPa，下降49.7%;對(duì)于三維五向編織復(fù)合材料，4#試件的編織角為19°，壓縮應(yīng)力為199.8 MPa;2#試件的編織角為31°，壓縮應(yīng)力為118.5 MPa，下降40.7%。這是因?yàn)?，?dāng)編織角增大時(shí)，編織紗更多的趨向于橫向，導(dǎo)致其對(duì)軸向承載的貢獻(xiàn)度下降，材料整體抗壓性能下降［10－11］。

3 結(jié)語(yǔ)

1)觀察三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮破壞形貌發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)試件斷裂面與受力方向基本呈45°夾角，呈現(xiàn)彎剪破壞特征;存在復(fù)合缺陷的試件，易出現(xiàn)弱承力區(qū)域，導(dǎo)致試件提前失效;上下底面不平整試件，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致試件局部破壞失效。

2)三維編織復(fù)合材料的壓縮特性:在壓縮起始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)呈非線性變化趨勢(shì);隨著載荷進(jìn)行，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為明顯的彈性變形特征;當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件失效斷裂，應(yīng)力急劇下降。

3)編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)相近時(shí)，三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能明顯好于三維五向結(jié)構(gòu);隨著編織角的增加，三維五向、三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能均明顯下降。

［1］ 張美忠，李賀軍，李克智.三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀［J］.材料工程，2004(2):44－48.ZHANG Meizhong，LIHejun，LIKezhi.Progressing in the study on mechanical properties of the 3-D braided composites［J］. Journal of Materials Engineering，2004(2):44－48.

［2］ 劉謙，李嘉祿，李學(xué)明.三維編織工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響［J］.宇航材料工藝，2000，30(1):55－58.LIU Qian，LI Jialu，LI Xueming.Influence of 3-D braiding technology parameters on tensile properties of composites［J］.Aerospace Materials ＆ Technology，2000，30(1):55 －58.

［3］ 李學(xué)明，李嘉祿，王崢.三維五向編織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性能的影響［J］.天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，16(5):7－12.LIXueming，LI Jialu，WANG Zheng.Effect of 3-D ＆5-D braiding structure on mechanical properties of the composites［J］.Journal of Tianjin Institute of Textile Science and Technology，1997，16(5):7 －12.

［4］ 李嘉祿，楊紅娜，寇長(zhǎng)河.三維編織復(fù)合材料的疲勞性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22(4):172 －176.LI Jialu， YANG Hongna， KOU Changhe. Fatigue properties of three dimensional braiding composites［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2005，22(4):172 －176.

［5］ WU D L.Three-cell model and 5-D braided structural composites［J］.Composites Science and Technology，1996，56(3):225－233.

［6］ 劉振國(guó).三維全五向編織預(yù)型件的概念［J］.材料工程，2008(S1):305－312.LIU Zhenguo.Concept of three-dimensional all fivedirectional braided performs［J］.Journal of Materials Engineering，2008(S1):305－312.

［7］ ZHANG Fan，LIU Zhenguo，WU Zhe，et al.A new scheme and microstructural model for 3-D full 5-directional braided composites［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2010，23(1):61－67.

［8］ 皮秀標(biāo)，錢坤，曹海建，等.三維全五向編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析［J］.宇航材料工藝，2011，41(6):39－43.PI Xiubiao， QIAN Kun，CAO Haijian， et al.Microstructure analysis of 3-D full 5-directional braided composites［J］.Aerospace Materials ＆ Technology，2011，41(6):39 －43.

［9］ BYUN J H， CHOU T W.Process-microstructure relationship of 2-step and 4-step braided composites［J］.Composites Science and Technology，1996，56(2):235－251.

［10］ 李仲平，盧子興，馮志海，等.三維五向碳/酚醛編織復(fù)合材料的拉伸性能及破壞機(jī)理［J］.航空學(xué)報(bào)，2007，28(4):869 －873.LI Zhongping， LU Zixing， FENG Zhihai， et al.Investigation of the tensile properties and failure mechanism of integrally-braided 5-D carbon/phenolic composites［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2007，28(4):869 －873.

［11］ 陳利，梁子清，馬振杰，等.三維五向編織復(fù)合材料縱向性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2005(8):3－6.CHEN Li， LIANG Ziqing， MA Zhenjie， et al.Experimental investigation on longitudinal properties of 3-D ＆ 5-directional braided composites［J］.Journal of Materials Engineering，2005(8):3－6.