增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

龐傘傘,閻建華,俞建勇

(1.東華大學(xué)，上海 201620)( 2.東華大學(xué)研究院，上海 201620)

增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

龐傘傘1,閻建華2,俞建勇1

(1.東華大學(xué)，上海 201620)( 2.東華大學(xué)研究院，上海 201620)

本文主要研究增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切性能的影響。通過(guò)對(duì)奇數(shù)層薄片縫合、偶數(shù)層薄片縫合、偶數(shù)層厚片縫合3種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同編織物層數(shù)、不同編織物厚度對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切強(qiáng)度、試樣破壞時(shí)吸收能量的影響。結(jié)果表明：偶數(shù)層厚片縫合試樣不僅剪切強(qiáng)度大于其他兩種試樣，而且單位厚度所吸收的能量也比其他兩種試樣多。通過(guò)觀察3種試樣內(nèi)部的破壞情況可知，偶數(shù)層厚片縫合試樣發(fā)生分層破壞，但在其他兩種試樣中并無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生。

縫合編織復(fù)合材料；編織物層數(shù)；編織物厚度；剪切性能

1 引 言

自20世紀(jì)80年代中期以來(lái),利用厚度方向的縫合來(lái)增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能引起了人們的興趣。它之所以能引起人們的重視是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的二維鋪層復(fù)合材料具有層間力學(xué)性能差的弱點(diǎn)[1]，而三維整體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有成本高的缺點(diǎn)[2]。縫合復(fù)合材料的發(fā)展將擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

A．P．Mouritz等[1]關(guān)于縫合對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的影響做了綜述，指出，復(fù)合材料類型、縫合參數(shù)及固化工藝等因素都會(huì)影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。Du 等[3]在1986年開始通過(guò)縫合碳纖維預(yù)浸料來(lái)研究縫合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剪切性能，發(fā)現(xiàn)縫合方向會(huì)影響復(fù)合材料的剪切性能。Cholarakara 等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試縫合密度對(duì)芳綸環(huán)氧層合板剪切性能的增強(qiáng)作用,結(jié)果顯示，縫合復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度會(huì)隨著縫合密度的增大而降低。但之后大量實(shí)驗(yàn)表明，合適的縫合密度可以提高復(fù)合材料的剪切性能，縫合密度過(guò)低或過(guò)高反而會(huì)使其剪切性能降低。[3-14]A.Ogale and P.Mitschang[15]對(duì)各種縫合線跡做了綜合分析。在已報(bào)道的學(xué)術(shù)研究中關(guān)于縫合層合板力學(xué)性能的研究很多，但關(guān)于縫合編織復(fù)合材料的研究還很有限。

焦亞男等[16]研究了多種縫合方向、搭接長(zhǎng)度和縫合密度對(duì)縫合連接三維編織復(fù)合材料拉伸性能的影響，并與三維整體編織復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行對(duì)比。李嘉祿等[17]研究了縫合密度、搭接長(zhǎng)度和編織角對(duì)縫合連接三維編織復(fù)合材料彎曲性能的影響。但關(guān)于縫合編織復(fù)合材料的剪切性能研究還未見報(bào)道。本文主要研究縫合編織復(fù)合材料的剪切性能，從增強(qiáng)體的厚度和堆疊編織物的層數(shù)兩個(gè)角度闡述增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)其剪切性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試樣準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所用的主要原材料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用的主要原材料

試樣制備步驟如下：

第一步：將碳纖維利用四步法編織成三維編織物，分薄片和厚片2種。具體規(guī)格如表2。

第二步：規(guī)定試樣長(zhǎng)度方向?yàn)?°方向。將薄片編織物分別按3片和4片疊放在一起，將厚片編織物2片疊放在一起，用Kevlar 49 縫紉線按改進(jìn)后的鎖式線跡(圖1)分別沿90°方向縫合。縫合密度為6×6 mm(針距×行距)。

表2 編織物規(guī)格

第三步：將縫合后的織物利用真空輔助樹脂模傳遞 (VARTM)工藝固化。

經(jīng)過(guò)以上3個(gè)步驟制成的試樣表面如圖2所示，試樣的尺寸見表3。

圖1 改進(jìn)后的鎖式線跡Fig.1 The modified lock

圖2 試樣Fig.2 Specimen

試樣名稱長(zhǎng)度寬度厚度奇數(shù)層薄片縫合試樣(3薄片縫)61.8329.675.20偶數(shù)層薄片縫合試樣(4薄片縫)61.9431.706.08偶數(shù)層厚片縫合試樣(2厚片縫)61.5229.207.00

2.2 剪切試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用的材料測(cè)試儀MTS 810，該儀器的最大量程為100 kN。試驗(yàn)方法為短梁法，參考的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為BS EN ISO14,130。試驗(yàn)中，跨厚比為5，上夾頭的下降速度為1 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著外載荷的增加，偶爾可以聽到啪啪的聲音，同時(shí)計(jì)算機(jī)顯示曲線波動(dòng)。這說(shuō)明試樣開始發(fā)生小面積樹脂破壞。在偶數(shù)層厚片縫合試樣試驗(yàn)過(guò)程中，外載荷達(dá)到最大值后，聽到“嘭”的一聲，同時(shí)試樣中2厚片的交界面出現(xiàn)裂紋(如圖3)，且載荷曲線突然下降。

圖3 2片縫試樣的側(cè)面Fig.3 The side of stitched two thick braided specimen

3.1 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

3種試樣測(cè)試中得到的載荷-位移關(guān)系如圖4所示，3種試樣所承受的最大載荷見表3。

圖4 3種試樣的載荷—位移曲線Fig.4 The load-displacement curves of the three kinds of specimen

試樣名稱最大載荷N最大剪應(yīng)力MPa單位厚度吸收的能量/(J·mm-1)3薄片縫13497.765.612.44薄片縫12290.047.822.02厚片縫19370.271.074.0

圖4中可以看出，起始階段，2厚片縫試樣曲線的上升速度略高于其他兩種試樣。從圖4中可以看出，偶數(shù)層厚片縫合試樣所承受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奇數(shù)層薄片縫合和偶數(shù)層薄片縫合試樣。但是由于試樣尺寸不同并不能直接比較載荷的大小。需將最大載荷通過(guò)公式(1)換算成試樣所受的剪切應(yīng)力。換算結(jié)果見表3。

(1)

式中：P為試樣所受的最大載荷；b為試樣的寬度；h為試樣的厚度。

比較表3中得到的最大剪應(yīng)力可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣所受的剪切應(yīng)力比偶數(shù)層薄片縫合試樣大37.2%。根據(jù)經(jīng)典梁理論，三點(diǎn)彎曲載荷下短梁剪應(yīng)力在厚度方向上呈拋物線分布。剪應(yīng)力在中間面上最大，上下面最小。[18]偶數(shù)層試樣的中間面為樹脂層，因此，在受到三點(diǎn)彎曲載荷時(shí)，中間面樹脂層受剪切應(yīng)力最大。而奇數(shù)層薄片縫合試樣的中間面為纖維增強(qiáng)體，在受到三點(diǎn)彎曲載荷作用時(shí)，纖維增強(qiáng)體所受的剪切應(yīng)力最大。樹脂層的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖維增強(qiáng)體。因此偶數(shù)層薄片縫合試樣更容易發(fā)生剪切破壞。另外，偶數(shù)層厚片縫合試樣所受的最大剪切應(yīng)力比偶數(shù)層薄片縫合試樣大48.6%，比奇數(shù)層薄片縫合試樣所受的最大剪切應(yīng)力大8.3%。說(shuō)明偶數(shù)層厚片縫合試樣的剪切強(qiáng)度比奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣大。這主要是因?yàn)榕紨?shù)層厚片縫合試樣的整體性要比其他兩種試樣好，層間弱點(diǎn)少。但是偶數(shù)層厚片縫合試樣曲線在載荷達(dá)到最大之后突然下降，說(shuō)明其內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重破壞，而其他兩種試樣曲線并沒(méi)有此現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 對(duì)剪切破壞時(shí)吸收能量的影響

利用OriginPro軟件對(duì)圖4中的3條曲線進(jìn)行積分，得到試樣達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)吸收的能量。由于試樣尺寸不同，將所吸收的能量通過(guò)公式(2)折算成試樣單位厚度所吸收的能量。折算結(jié)果見表3。

(2)

其中：QS為試樣所吸收的總能量；h為試樣厚度。

比較這3種試樣單位厚度所吸收的能量可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣單位厚度吸收的能量比偶數(shù)層薄片縫合試樣大20%。偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度吸收的能量比奇數(shù)層薄片縫合試樣大68.3%，比偶數(shù)層薄片縫合試樣大102%。該結(jié)果說(shuō)明，在相同條件下，受到剪切破壞時(shí)，偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度所吸收的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣。

3.3 內(nèi)部破壞情況

用切割機(jī)從試樣中間將試樣縱向切開，在體視顯微鏡下觀察3種試樣中間縱向截面(圖5-圖7)上的裂紋情況。

圖5 3薄片縫試樣縱向截面Fig.5 The longitudinal section of odd thin layer stitched laminated braided specimen

從圖5中可以看出，奇數(shù)層薄片縫合試樣中剪切破壞主要發(fā)生在第一層編織物上，層與層之間沒(méi)有發(fā)生分層破壞。試樣中裂紋數(shù)量很少，且沿試樣長(zhǎng)度方向擴(kuò)展。圖6為偶數(shù)層薄片縫合試樣的縱向截面，該截面上裂紋數(shù)量多。其中剪切破壞主要發(fā)生在中間樹脂層和上表面之間，裂紋沿試樣長(zhǎng)度方向或纖維方向。說(shuō)明試樣中有樹脂破壞也有纖維被破壞。但層與層之間的樹脂層上的裂紋并沒(méi)有沿試樣長(zhǎng)度方向擴(kuò)展，說(shuō)明試樣中沒(méi)有發(fā)生分層破壞。觀察圖7可知，在偶數(shù)層厚片縫合試樣中，第一層編織物的上半部分有破壞發(fā)生，主要是由于加載點(diǎn)直接接觸造成的。偶數(shù)層厚片縫合試樣的主要破壞發(fā)生在兩厚片之間，裂紋沿試樣長(zhǎng)度方向從加載點(diǎn)延伸到試樣兩端。這說(shuō)明兩厚片之間發(fā)生了分層破壞。

圖6 4薄片縫試樣縱向截面Fig.6 The longitudinal section of even thin layer stitched laminated braided specimen

圖7 2厚片縫試樣縱向截面Fig.7 The longitudinal section of two thick layers stitched laminated braided specimen

對(duì)比圖5-7可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣中的裂紋數(shù)量最少，且沒(méi)有發(fā)生層間破壞。偶數(shù)層薄片縫合試樣中裂紋數(shù)量最多，也沒(méi)有發(fā)生分層破壞。而偶數(shù)層厚片縫合試樣雖然能承受較大的剪切應(yīng)力和吸收較多的能量，但卻發(fā)生了分層破壞。提高厚片縫合試樣的縫合密度是否能改善分層現(xiàn)象還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同編織物層數(shù)、不同編織物厚度的3種試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究，得到以下幾方面結(jié)論：

(1)在本實(shí)驗(yàn)條件下，奇數(shù)層薄片縫合試樣較偶數(shù)層薄片縫合試樣能承受較大的剪切應(yīng)力。主要是因?yàn)槠鏀?shù)層試樣的中間層為纖維增強(qiáng)體，其所能承受的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偶數(shù)層試樣的中間層，即樹脂層。比較偶數(shù)層薄片縫合試樣與偶數(shù)層厚片縫合試樣可知，編織物的厚度越大其整體性越好，越不容易被破壞。

(2)在相同條件下，受到剪切破壞時(shí)，偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度所吸收的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣。編織物厚度對(duì)縫合編織復(fù)合材料剪切性能的影響大于編織物層數(shù)對(duì)其剪切性能的影響。

(3)通過(guò)試驗(yàn)可知，偶數(shù)層厚片縫合試樣的剪切強(qiáng)度比奇數(shù)層薄片縫合試樣僅大8.3%，但奇數(shù)層薄片縫合試樣中并沒(méi)有發(fā)生分層破壞。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)2種材料折中選擇，盡量選擇整體性好，堆疊層數(shù)為奇數(shù)的縫合編織復(fù)合材料。

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Experimental Study of the Effect of the Structure of Reinforcement on Shear Property of Stitched Laminated Braided Composites

PANG Sansan1,YAN Jianhua2,YU Jianyong1

(1.Donghua University,Shanghai,201620)(2.Research Institute of Donghua University,Shanghai,201620)

In this paper,the effect of the structure of reinforcement on shear property of stitched laminated braided composites was studied.The shear property of three kinds of specimens (stitched odd layer laminated braided specimen,stitched even layer laminated braided specimen and stitched two thick layer laminated braided specimen) were studied.Experiment shown that the shear stress support by stitched two thick layer laminated braided specimen is bigger than that by stitched odd thin layer laminated braided specimen and by stitched even thin layer laminated braided specimen,and the energy absorbed by the former is more than that by the latter two.Microscopic observation revealed that the delamination occurred between two layers of stitched two thick layer laminated braided specimen,but it didn’t occur in odd and even layer stitched laminated braided specimen.

the thickness of braid；stitched laminated braided composites；the number of braid layers；shear property

上海市科委《上海市科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目》中“新能源汽車典型結(jié)構(gòu)件先進(jìn)立體編織工藝與 設(shè)備的開發(fā)”(項(xiàng)目編號(hào)：12521102400)

2013-11-27)

龐傘傘(1989-)，女，河北人，碩士，研究方向：縫合編織復(fù)合材料研究。E-mail:pangzhishan@126.com.

閻建華(1956-)，男，研究員，研究方向：三維編織復(fù)合材料研究。