四軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

李丹曦,高曉平

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，呼和浩特　010080)

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四軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

李丹曦,高曉平

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，呼和浩特010080)

以風(fēng)機(jī)葉片用多軸向經(jīng)編復(fù)合材料為研究對象，將四軸向的玻璃纖維多軸向布與環(huán)氧樹脂經(jīng)樹脂膜溶滲成型方法實(shí)現(xiàn)成型。分別測試了四軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同方向的拉伸、彎曲性能，得到不同軸向材料斷裂截面形狀，通過比較彈性模量和強(qiáng)度分析了纖維排列對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。最終確定四軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同方向力學(xué)性能由高到低分別為0°方向、±45°方向、90°方向。這是由于經(jīng)編紗沿90°方向造成的應(yīng)力集中，同時(shí)，由于經(jīng)編針的穿刺造成沿90°方向紗線受損最大而導(dǎo)致沿90°方向力學(xué)性能最差。

四軸向經(jīng)編織物；復(fù)合材料；拉伸性能；彎曲性能；彈性模量

在現(xiàn)代復(fù)合材料研究中，將纖維作為增強(qiáng)體并與樹脂基體相復(fù)合成復(fù)合材料始于大約50年前[1]。針織增強(qiáng)復(fù)合材料以針織物作為增強(qiáng)體并由線圈經(jīng)相互串套形成，這種特殊的結(jié)構(gòu)使它具備其他紡織材料沒有的優(yōu)點(diǎn)。早期為了解決復(fù)合材料中存在的各向異性問題，對纖維或者紗線隨機(jī)的鋪放在一起，當(dāng)達(dá)到各向同性時(shí)，機(jī)械性能受到了一定的限制[2]，生產(chǎn)出來的復(fù)合材料抗分層性差且強(qiáng)力較弱[3]。20世紀(jì)80年代初期多軸向經(jīng)編織物得到發(fā)展，90年代開始進(jìn)入復(fù)合材料領(lǐng)域[4-5]。

與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的拉伸性能有了比較大的提高[6]，同時(shí)，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的編織工藝也有了較大的提升，它能將七層增強(qiáng)纖維層以及兩層表面氈通過經(jīng)編紗編織在一起，并且每層增強(qiáng)紗的角度可任意調(diào)節(jié)。這種編織工藝不但降低了成本，同時(shí)還避免了材料的浪費(fèi)，更重要的是使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到增強(qiáng)[7]。

在多軸向經(jīng)編織物中，紗線間平行排列，內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力為零，當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，多軸向經(jīng)編織物所能承載的應(yīng)力要比機(jī)織物大。多軸向經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)特征是[8-13]:可將多個單向?qū)咏M合成整體結(jié)構(gòu)，防止遺漏某層造成損失；由于增強(qiáng)纖維伸直, 使增強(qiáng)紗的性能在復(fù)合材料中充分發(fā)揮，表現(xiàn)出突出的機(jī)械性能；織物具有固有的懸垂性，并且尺寸穩(wěn)定性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。

本文是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上以四軸向經(jīng)編復(fù)合材料為研究對象，對四軸向經(jīng)編復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能做了測試，研究了四軸向經(jīng)編復(fù)合材料的損傷機(jī)制。

1　拉伸實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本次拉伸試驗(yàn)參照纖維增強(qiáng)塑料試驗(yàn)方法總則(GB/T 1446—2005)、纖維增強(qiáng)塑料拉伸實(shí)驗(yàn)方法(GB/T 1447—2005)以及樹脂澆注體拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T 2569)對試樣進(jìn)行加工和測試，實(shí)驗(yàn)儀器使用的是WDW-100J型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對四軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同軸向的拉伸性能進(jìn)行了測試。

增強(qiáng)體為四軸向經(jīng)編多軸向布，實(shí)驗(yàn)原材料為玻璃纖維，實(shí)驗(yàn)中用到的玻璃纖維原料為無堿無捻粗紗，具有良好的機(jī)械性能，表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理，有利于樹脂和玻璃纖維的粘結(jié)，玻璃纖維力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中用到的四軸向經(jīng)編多軸向布增強(qiáng)紗參數(shù)、經(jīng)編布參數(shù)如表2、表3所示。

試驗(yàn)中樹脂基體選用的是環(huán)氧樹脂，其中環(huán)氧樹脂的拉伸性能參數(shù)如表4所示。

1.2四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸圖像及應(yīng)力應(yīng)變曲線比較分析

四軸向拉伸實(shí)驗(yàn)圖像及不同軸向的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如圖1和圖2所示。

表1玻璃纖維性能參數(shù)

材料密度/(g/cm3)彈性模量/GPa斷裂強(qiáng)度/GPa斷裂伸長/%剪切模量/GPa泊松比υ玻璃纖維2.5672.23.432.728.570.24

表2四軸向經(jīng)編布增強(qiáng)紗參數(shù)

多軸向布分類織物品種組織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)紗線細(xì)度/tex0°方向90°方向±45°方向四軸向布EQLT850(0/+45/90/-45)UP-1270E100°/+45°/90°/-45°600300300

表3四軸向經(jīng)編布增強(qiáng)織物參數(shù)

織物品種織物厚度/mm平方米質(zhì)量/(g/m2)分層克重/(g/m2)經(jīng)密/(根/10cm)緯密/(根/10cm)斜密/(根/10cm)四軸向布0.78500°:23645°:20090°:201-45°:200252253

表4環(huán)氧樹脂拉伸性能參數(shù)

測試項(xiàng)拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa拉伸斷裂伸長率/%玻璃化溫度/℃熱變形溫度/℃環(huán)氧樹脂(2511-1A/BT)803.269095測試標(biāo)準(zhǔn)ASTMD638ASTMD638ASTMD638DSC測試ASTMD648

圖1　四軸向樣件拉伸后圖像

觀察四軸向樣件拉伸后圖1可知每個試樣斷裂位置都不同，在復(fù)合材料受拉過程中，纖維由于受到應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂發(fā)生在橫截面最薄弱的地方，但這個斷裂截面與材料理論斷裂面不一定重合。在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)中，隨著載荷的增加，樹脂開始出現(xiàn)裂紋，表面出現(xiàn)白斑，可以聽到開裂的聲音，說明拉伸破壞是一個累加的過程，材料局部的破壞并不能直接導(dǎo)致材料破壞，而是局部破壞導(dǎo)致增強(qiáng)材料和基體的重新分配，試樣在這個過程中經(jīng)歷一個逐漸破壞的過程。

觀察圖2四軸向沿不同軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，四個拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線在開始階段都出現(xiàn)波動，這是由于試樣往夾頭內(nèi)的安裝、機(jī)器的后沖、滑動等因素引起的。但之后材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線成線性，由圖像可得應(yīng)力由大到小分別為經(jīng)向、緯向、斜向，而應(yīng)變的大小相差不大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于經(jīng)向紗線的細(xì)度為600tex要大于緯向300tex和斜向300tex，雖然斜向密度大于經(jīng)向，促使結(jié)果與經(jīng)向拉伸強(qiáng)度接近，但經(jīng)向應(yīng)力仍為最大。

四軸向經(jīng)編復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量數(shù)據(jù)如表5所示。

圖2　四軸向沿不同軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣織物組織加載方向拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸彈性模量/GPa纖維體積含量/%比強(qiáng)度/MPa比模量/GPa四軸向經(jīng)編復(fù)合材料經(jīng)平0°367.2417.50251.5677.1220.28390°362.5537.24850.7877.1390.31045°325.7716.87450.5526.4440.267-45°302.8336.54350.5495.9910.253

2　彎曲實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

彎曲實(shí)驗(yàn)參照樹脂澆注體性能試驗(yàn)方法(GB/T2567—1995、GB/T2570—2005)以及纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法(GB/T1449—2005)，即彎曲實(shí)驗(yàn)采用三點(diǎn)加載簡易支梁法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中用到的儀器為WDW-30型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)材料與拉伸實(shí)驗(yàn)相同，其中環(huán)氧樹脂的彎曲性能參數(shù)如表6所示。

表6環(huán)氧樹脂彎曲性能參數(shù)

測試項(xiàng)彎曲強(qiáng)度/MPa彎曲模量/GPa玻璃化溫度/℃熱變形溫度/℃環(huán)氧樹脂(2511-1A/BT)1353.39095測試標(biāo)準(zhǔn)ASTMD790ASTMD790DSC測試ASTMD648

實(shí)驗(yàn)采用無約束支撐，通過三點(diǎn)彎曲，實(shí)驗(yàn)示意如圖3所示，以恒定速度加載直至達(dá)到試樣破壞或達(dá)到預(yù)定撓度。在實(shí)驗(yàn)中可以得到載荷-撓度曲線以及整個過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以確定材料的彎曲強(qiáng)度、彈性模量，并且可以繪制彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線。加載速度為2mm/min，實(shí)驗(yàn)中的跨距選擇為4cm，上壓頭的半徑R=4mm。在實(shí)驗(yàn)中樣件下表面受到拉伸，上表面則受到壓縮。

P：載荷；l：跨距；L：試樣長度；h：厚度圖3　彎曲實(shí)驗(yàn)示意

2.2四軸向經(jīng)編復(fù)合材料彎曲圖像及彎曲應(yīng)力撓度曲線比較分析

四軸向彎曲實(shí)驗(yàn)圖像及不同軸向的彎曲應(yīng)力-撓度曲線分別如圖4和圖5所示。

觀察圖4材料正面由于受到彎曲以及壓縮作用，基體及纖維出現(xiàn)斷裂，材料表面出現(xiàn)明顯的白斑，材料反面出現(xiàn)破壞。

從圖5彎曲應(yīng)力-撓度曲線中可以看出，四種曲線總體趨勢差不多，各條曲線均呈非線性。在彎曲過程中隨著彎曲應(yīng)力的增加，彎曲撓度也逐漸增加，當(dāng)材料最終發(fā)生彎曲破壞后，彎曲應(yīng)力迅速呈階梯型下降。對比同一撓度，沿經(jīng)向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，其次為斜向，緯向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由紗線細(xì)度以及在編織過程中紗線的破壞程度造成的。在四軸向增強(qiáng)紗的鋪設(shè)過程中，沿經(jīng)向的紗線細(xì)度大于緯向以及斜向紗線細(xì)度，由于經(jīng)編紗的作用，在整個四軸向布制備過程中經(jīng)編針的穿刺而導(dǎo)致緯向紗線受損程度最大，因此沿緯向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最小。

其中四軸向經(jīng)編復(fù)合材料沿不同軸向的彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

圖4　四軸向試樣彎曲后實(shí)驗(yàn)圖像

圖5　四軸向不同軸向彎曲應(yīng)力-撓度曲線

試樣織物組織加載方向彎曲斷裂強(qiáng)力/N彎曲強(qiáng)度/MPa彎曲彈性模量/GPa纖維體積含量/%比強(qiáng)度/MPa比模量/GPa四軸向經(jīng)編復(fù)合材料經(jīng)平0°1406.363586.03114.05851.56711.3640.27390°1113.473488.25613.31150.7879.6140.26245°1285.588566.04412.68550.55211.1970.251-45°1093.51490.65812.42150.5499.7060.246

3　結(jié)　語

通過以上對四軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能的測試分析，總結(jié)如下：

復(fù)合材料力學(xué)性能的好壞受3個因素影響：a)復(fù)合材料中纖維體積含量和增強(qiáng)紗紗線細(xì)度；b)樹脂基體的化學(xué)性能及力學(xué)性能；c)增強(qiáng)體與樹脂基體的界面性。并且復(fù)合材料在拉伸斷裂過程中是一個逐漸破壞的過程，增強(qiáng)紗在斷裂過程中具有不同時(shí)性。

在彎曲試驗(yàn)時(shí)，復(fù)合材料的受壓區(qū)由于受到了壓縮的作用，因而在上壓頭周圍的纖維出現(xiàn)屈曲，同時(shí)樹脂基體在受壓過程中承受了壓應(yīng)力，造成了界面脫粘，并且能看到有白斑形成；在復(fù)合材料的受拉區(qū)，復(fù)合材料的外層產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，使外層樹脂出現(xiàn)開裂，在橫向逐漸出現(xiàn)基體裂紋。由于受到壓縮和拉伸作用而造成的復(fù)合材料的損傷，對強(qiáng)度有很大的影響，其中界面脫粘是造成復(fù)合材料強(qiáng)度下降的主要因素。

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(責(zé)任編輯：陳和榜)

Experimental Study on Mechanical Properties of Four-Axial Warp Knitted Composites

LIDanxi,GAOXiaoping

(College of Textile and Light Industries, Inner Mongolia University, Huhehaote 010080, China)

This paper takes multi-axial warp knitted composites used for fan blades as the object of study. The four-axial glass fiber, multi-axial fabrics and epoxy resin film were dissolved by infiltration molding method to achieve molding. Tensile and bending properties of four-axial warp knitted composites along different directions were tested respectively, and fracture cross section shapes of different axial materials were gained. The effect of fiber arrangement on mechanical properties of composites was analyzed through comparing elastic modulus and strength. Finally, the ranking of mechanical properties of four-axial warp knitted composites along different directions was confirmed, i.e. 0°, ±45° and 90°. Since the warp knitted yarn causes stress concentration along 90° direction, and the puncture of warp knitted yarn results in the maximum damage to the yarn along 90° direction, mechanical properties along 90° direction is worst.

four-axial warp knitted fabrics; composites; tensile properties; bending properties; elastic modulus

2015-09-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1146-2016)

李丹曦(1988-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事多軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能測試方面的研究。

高曉平，E-mail:569250598@qq.com

O341

A

1009-265X(2016)05-0020-05