含硅芳炔樹脂復(fù)合材料用2.5D預(yù)制體的力學(xué)性能測試與分析

郭洪偉，張立泉，鄧詩峰，周光明，朱夢蝶

(1. 中材科技股份有限公司，南京 210012；2. 華東理工大學(xué)，上海 200237；3. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

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含硅芳炔樹脂復(fù)合材料用2.5D預(yù)制體的力學(xué)性能測試與分析

郭洪偉1，張立泉1，鄧詩峰2，周光明3，朱夢蝶1

(1. 中材科技股份有限公司，南京 210012；2. 華東理工大學(xué)，上海 200237；3. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

摘 要：簡述了2.5D預(yù)制體在國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)和局限性，設(shè)計加工了兩種不同結(jié)構(gòu)的2.5D預(yù)制體，采用含硅芳炔樹脂RTM復(fù)合工藝復(fù)合制，對兩種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試并對結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞：硅芳炔樹脂；復(fù)合材料；2.5D預(yù)制體；力學(xué)性能

0前言

先進(jìn)復(fù)合材料是以碳纖維、芳綸纖維、石英玻璃纖維、碳化硅纖維和陶瓷纖維等高性能纖維預(yù)制體與耐高溫的高聚物、金屬、陶瓷和碳(石墨)等構(gòu)成的復(fù)合材料。預(yù)制體指利用高性能連續(xù)纖維在三維立體空間按設(shè)定的結(jié)構(gòu)、功能、形狀尺寸，連續(xù)有序地多方向相互聯(lián)接形成的纖維增強(qiáng)材料。其主要應(yīng)用于航空、航天等新技術(shù)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)、形狀的可設(shè)計性是預(yù)制體的主要特點(diǎn)。相對于平面，預(yù)制體的纖維不僅在層內(nèi)連續(xù)而且層與層之間相聯(lián)接，為結(jié)構(gòu)整體制提供了可能。

在國外，2.5D預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料快速制技術(shù)倍受重視，成為復(fù)合材料發(fā)展的新趨勢。如俄羅斯針對先進(jìn)復(fù)合材料的技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性要求，研制開發(fā)了低成本的2.5D預(yù)制體，廣泛用于的防熱材料、透波材料等，滿足了多功能一體化的高技術(shù)指標(biāo)要求。國內(nèi)由于該方面的研究起步較晚，織造與設(shè)計、制備存在脫節(jié)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造技術(shù)也有待于進(jìn)一步提高，其應(yīng)用也受到了限制。本文通過制備石英纖維2.5D預(yù)制體試樣并采用含硅芳炔樹脂進(jìn)行復(fù)合性能測試，了解2.5D預(yù)制體復(fù)合后力學(xué)性能之間變化關(guān)系，以解決工程應(yīng)用中的一些問題。

12.5D預(yù)制體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計

預(yù)制體的結(jié)構(gòu)、纖維的種類、纖維表面狀態(tài)及浸潤劑、復(fù)合材料基體以及纖維與基體的界面情況等決定了復(fù)合材料的基本力學(xué)性能。通過對其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)設(shè)計的調(diào)整、細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，可以達(dá)到優(yōu)化復(fù)合材料使用性能的目的。

2.5D結(jié)構(gòu)是指相鄰兩層經(jīng)向纖維相互交換位置時引入緯向纖維形成的一種整體結(jié)構(gòu)。一般情況下，經(jīng)向纖維呈波浪型屈曲狀態(tài)，緯向纖維呈直線型。2.5D結(jié)構(gòu)預(yù)制體的仿形性好、工藝可操作性強(qiáng)。2.5D制備工藝較成熟，能夠一次制備具有異型截面的預(yù)制體，如各種實(shí)心等厚和變厚度塊狀板塊、等截面和變截面筒狀、加強(qiáng)筋型預(yù)制體、多通管型預(yù)制體等，可以用普通或?qū)Ｓ每棛C(jī)實(shí)現(xiàn)。按經(jīng)向和緯向纖維交織方式可將2.5D結(jié)構(gòu)分為淺交直聯(lián)和淺交彎聯(lián)兩類。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)見圖1，淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.5D結(jié)構(gòu)中直聯(lián)結(jié)構(gòu)預(yù)制體的交織點(diǎn)少，相較彎聯(lián)結(jié)構(gòu)預(yù)制體變形量大，所以工程上根據(jù)復(fù)合材料部件的實(shí)際使用和復(fù)合工藝情況進(jìn)行選取和設(shè)計。2.5D結(jié)構(gòu)預(yù)制體的工藝參數(shù)與纖維體積分?jǐn)?shù)之間的計算關(guān)系見式(1)：

(1)

式中:

Vf——預(yù)制體的纖維總體積分?jǐn)?shù)，%；

Vj、Vw——分別為經(jīng)向和緯向的纖維體積分?jǐn)?shù)，%；

nj、nw——分別為經(jīng)、緯向纖維的層數(shù)；

ρj——經(jīng)向纖維彎曲率；

ρs——為纖維材料的密度，g/cm3；

Pj、Pw——分別為經(jīng)、緯向纖維的密度，根/cm；

Nj、Nw——分別為經(jīng)、緯向纖維的線密度，tex；

h——預(yù)制體厚度，mm。

采用石英纖維作為原材料進(jìn)行預(yù)制體的結(jié)構(gòu)選取和工藝參數(shù)設(shè)計。設(shè)計工藝參數(shù)包括預(yù)制體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、經(jīng)緯密度，并根據(jù)工藝參數(shù)按公式(1)計算出纖維體積分?jǐn)?shù)，研究不同結(jié)構(gòu)預(yù)制體工藝參數(shù)與含硅芳炔樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，具體參數(shù)設(shè)計情況見表1。

制備2.5D直聯(lián)和2.5D彎聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)的石英纖維預(yù)制體，樹脂體系選用含硅芳炔樹脂，采用樹脂傳遞模塑成型(RTM)復(fù)合工藝，制備復(fù)合材料力學(xué)性能測試用彎曲強(qiáng)度試樣和層間剪切強(qiáng)度試樣，使用DXLL-5000型電子拉力機(jī)(上海德杰儀器設(shè)備有限公司)，對兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)的復(fù)合材料試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。依照GB/T 1449-2005標(biāo)準(zhǔn)對制備的復(fù)合材料試樣進(jìn)行測試，測試內(nèi)容包含彎曲、拉伸、壓縮和剪切，并對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

22.5D預(yù)制體復(fù)合材料力學(xué)性能測試與分析

2.12.5D預(yù)制體復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度分析

兩種結(jié)構(gòu)2.5D預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能彎曲強(qiáng)度實(shí)驗結(jié)果見表2。

試驗結(jié)果分析：從表2中兩種不同結(jié)構(gòu)石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量的比較可以看出，直聯(lián)結(jié)構(gòu)的石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹脂復(fù)合材料相對于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)預(yù)制體的復(fù)合材料而言具有更好的力學(xué)性能。這是由于預(yù)制體的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)決定的，纖維彎曲必然影響力學(xué)性能的發(fā)揮；同時，經(jīng)密和緯密也是影響材料力學(xué)性能的重要參數(shù)，且經(jīng)向纖維對厚度方向上的力學(xué)性能貢獻(xiàn)較大，使得預(yù)制體在經(jīng)向和緯向上的力學(xué)性能差異較大。

2.22.5D預(yù)制體復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度分析

兩種結(jié)構(gòu)2.5D預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度力學(xué)性能實(shí)驗結(jié)果見表3。

2.5D預(yù)制體復(fù)合材料經(jīng)向拉伸強(qiáng)度與紗線密度關(guān)系曲線見圖3。由圖可以看出，在纖維體積含量定值情況下，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度與經(jīng)紗密度成正比，經(jīng)紗密度越大其拉伸強(qiáng)度越大；經(jīng)向拉伸強(qiáng)度與緯紗密度成反比，緯紗密度越大經(jīng)紗強(qiáng)度越小。而緯向拉伸強(qiáng)度與預(yù)制體密度的關(guān)系與經(jīng)紗正好相反。

試驗結(jié)果分析：在工藝參數(shù)設(shè)計相同的情況下，由于預(yù)制體單元結(jié)構(gòu)的不同，某方向紗線傾角越小、纖維體積含量越高，該方向的模量和強(qiáng)度就越高；雖然淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)向纖維體積含量小于淺交彎聯(lián)，但淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)紗傾角比淺交彎聯(lián)小，因此兩種結(jié)構(gòu)沿經(jīng)向的拉伸模量相差不大。

2.32.5D預(yù)制體復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度分析

兩種結(jié)構(gòu)2.5D預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度力學(xué)性能實(shí)驗結(jié)果見表4。

2.5D預(yù)制體復(fù)合材料經(jīng)向壓縮強(qiáng)度與紗線密度關(guān)系曲線見圖4。由圖可以看出，在纖維體積含量定值情況下，經(jīng)向壓縮強(qiáng)度與經(jīng)紗密度成正比，經(jīng)紗密度越大其壓縮強(qiáng)度越大；經(jīng)向壓縮強(qiáng)度與緯紗密度成反比，緯紗密度越大經(jīng)紗強(qiáng)度越小。而緯向壓縮強(qiáng)度與預(yù)制體密度的關(guān)系與經(jīng)紗正好相反。對比圖4的變化曲線，究其原因，是因為隨著緯紗密度的增大，經(jīng)紗傾角增大，沿經(jīng)向的壓縮強(qiáng)度也會隨之減弱。

試驗結(jié)果分析：可以發(fā)現(xiàn)拉伸性能較好的復(fù)合材料其壓縮性能也較好，這是由于拉伸和壓縮性能都主要由該方向的紗線傾角和體積含量決定。壓縮模量與拉伸模量差別不大。同種2.5D預(yù)制體復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度明顯小于拉伸強(qiáng)度。

2.42.5D預(yù)制體復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度分析

兩種結(jié)構(gòu)2.5D預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度力學(xué)性能實(shí)驗結(jié)果見表5。

2.5D預(yù)制體復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度與紗線密度關(guān)系見圖5，同拉伸和壓縮強(qiáng)度分析所用2.5D預(yù)制體復(fù)合材料織造參數(shù)相同。

通過觀察上述兩條曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著經(jīng)、緯紗密度的增大經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度都隨之增大。經(jīng)紗密度的增大導(dǎo)致經(jīng)向紗線體積含量增大從而使經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度增大；緯紗密度增大則使經(jīng)紗傾角變大，厚度方向上紗線含量增加，抵抗層間剪切能力增強(qiáng)，因而層間剪切強(qiáng)度變大。

實(shí)驗結(jié)果分析：2.5D預(yù)制體復(fù)合材料的經(jīng)向剪切性能稍強(qiáng)于緯向，一方面是由于織造參數(shù)不同，經(jīng)向體積含量高于緯向體積含量，另一方面則是由于經(jīng)紗有一定的彎曲，在厚度方向能分擔(dān)部分載荷，從而導(dǎo)致經(jīng)向剪切性能優(yōu)于緯向；對比淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)和淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的經(jīng)向?qū)娱g剪切性能可以發(fā)現(xiàn)，淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)向?qū)娱g剪切性能要優(yōu)于淺交直聯(lián)，這是由于淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)沿厚度方向的纖維體積含量要普遍高于淺交直聯(lián)，因此其抵抗層間剪切能力較高。

3結(jié)論

本文設(shè)計加工了兩種不同結(jié)構(gòu)、相同工藝參數(shù)的2.5D預(yù)制體，采用含硅芳炔樹脂RTM復(fù)合工藝復(fù)合成型，對兩種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板進(jìn)行了力學(xué)性能試驗，包括拉伸、壓縮、彎曲和層間剪切，獲得了兩種結(jié)構(gòu)試樣的拉伸強(qiáng)度與模量、彎曲強(qiáng)度與模量、層間剪切強(qiáng)度，并將測試結(jié)果進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論：

(1) 拉伸性能方面，淺交直聯(lián)試件的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度和模量均大于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)，因為在經(jīng)向體積含量相近的情況下，預(yù)制體經(jīng)向模量與經(jīng)紗傾角的變化成反比例關(guān)系。由于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)緯紗體積含量高于直聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的緯向拉伸強(qiáng)度高于直聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(2) 壓縮性能方面，直聯(lián)結(jié)構(gòu)的模量均高于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)，即拉伸性能較好的復(fù)合材料其壓縮性能也較好。這是由于拉伸和壓縮性能都主要由該方向的紗線傾角和體積含量決定。同種2.5D預(yù)制體復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度明顯小于拉伸強(qiáng)度。

(3) 層間剪切性能方面，由于經(jīng)向體積含量高于緯向，且經(jīng)紗有一定彎曲，在厚度方向能承擔(dān)部分荷載，所以預(yù)制體經(jīng)向的剪切性能高于緯向；又因為淺交彎聯(lián)經(jīng)紗傾角較大，紗線在經(jīng)向厚度面內(nèi)貢獻(xiàn)較大，所以淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)向剪切強(qiáng)度小于淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(4) 預(yù)制體的經(jīng)密和緯密也是影響材料力學(xué)性能的重要參數(shù)，且經(jīng)向纖維對厚度方向上的力學(xué)性能貢獻(xiàn)較大，使得預(yù)制體在經(jīng)向和緯向上的力學(xué)性能差異較大。因此，預(yù)制體結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的變化，將會影響2.5D預(yù)制體復(fù)合材料的力學(xué)性能。2.5D預(yù)制體織造工藝、工藝參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)變化等種類很多，本項目僅對其具有代表性的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。此外，本項目的研究僅限于含硅芳炔樹脂基2.5D預(yù)制體增強(qiáng)的復(fù)合材料，隨著高性能復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，還需加強(qiáng)2.5D預(yù)制體多種結(jié)構(gòu)、多種高性能纖維、其它樹脂體系、陶瓷基體以及碳基體的高性能復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。

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Mechanical Properties Test and Analysis of 2.5D Preforms Used for Silicon-Containing Arylacetylene Resin Composites

Guo Hongwei1，Zhang Liquan1，Deng Shifeng2，Zhou Guangming3，Zhu Mengdie1

(1. Sinoma Science & Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210012；2. East China University of Science and Technology，Shanghai 200237；3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016)

Abstract:Two 2.5D woven performs in different structures were designed and processed.They were used to mold composite materials with silicon-containing arylacetylene resin as matrix by RTM process.The mechanical properties of these differently-structured composites were tested，and the test results were analyzed and compared.

Key words:silicon-containing arylacetylene resin；composite；2.5D preform；mechanical property

中圖分類號：TQ171.77+7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：郭洪偉，男，1975年生，工程師。主要從事高性能纖維預(yù)制體方面的研究。

修回日期：2016-03-03