雙軸向與四軸向經(jīng)編復(fù)合材料彎曲性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

，，

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

材料是社會(huì)建設(shè)的基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)材料已無(wú)法滿足人們的需求。復(fù)合材料作為一種新型材料，近幾十年得到了人們的廣泛關(guān)注，并且發(fā)展十分迅速，尤其在航空航天、軍工產(chǎn)品及風(fēng)機(jī)葉片等高技術(shù)領(lǐng)域，復(fù)合材料以其質(zhì)輕、高強(qiáng)的優(yōu)異性能，逐漸取代傳統(tǒng)材料[1-4]。目前，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛，其除了具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫及耐疲勞等優(yōu)良性能外，其突出的可設(shè)計(jì)性，使其能夠適用于多領(lǐng)域的產(chǎn)品要求。多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性主要體現(xiàn)在增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)的變化，按其結(jié)構(gòu)可分為單軸向、雙軸向和多軸向三類(lèi)，其工業(yè)產(chǎn)品纖維鋪放方向主要集中在0°、90°及±45°四個(gè)方向。根據(jù)對(duì)產(chǎn)品性能的要求，可對(duì)其纖維鋪放方向、紗線種類(lèi)及纖維層數(shù)等進(jìn)行選擇，同時(shí)，為達(dá)到產(chǎn)品厚度要求，采用鋪層結(jié)構(gòu)，從而可對(duì)增強(qiáng)體和復(fù)合材料整體性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)于多軸向經(jīng)編復(fù)合材料力學(xué)性能的研究主要集中在靜態(tài)分析[5-6]、動(dòng)態(tài)分析[7-9]及制造的產(chǎn)品[10-11]力學(xué)性能分析。

本文基于真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝，選用雙軸向經(jīng)編(BWK)和四軸向經(jīng)編(《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》QWK)玻璃纖維織物為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹(shù)脂為基體成型板材試樣。參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試并分析兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沿0°和90°方向彎曲失效試樣形貌，分析彎曲失效機(jī)理，對(duì)比彎曲應(yīng)力-撓度曲線及力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

分別選用0°/90°BWK和0°/+45°/90°/-45°QWK玻璃纖維織物為增強(qiáng)體，織物圖和相關(guān)參數(shù)分別如圖1和表1所示，基體選用E-2511-1A環(huán)氧樹(shù)脂和2511-1BT固化劑質(zhì)量配比100∶30的混合膠液。

圖1 BWK和QWK織物圖

增強(qiáng)體種類(lèi)紗線方向材料線密度/tex密度/(根·(10cm)-1)平方米質(zhì)量/(g·m-2)0°/90°BWK0°E玻纖24002790°E玻纖150022編織紗滌綸83-12000°/+45°/90°/-45°QWK0°E玻纖60025+45°E玻纖3005390°E玻纖30022-45°E玻纖30053編織紗滌綸83-800

1.2 試樣制備

BWK和QWK織物鋪層均為同向4層，基于VARTM工藝與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合成型。兩種復(fù)合材料彎曲試樣參照GB/T 1449—2005標(biāo)準(zhǔn)，分別沿0°和90°方向切割制備，試樣尺寸為長(zhǎng)(100 mm)×寬(15 mm)。參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用燒失法測(cè)定BWK和QWK復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)分別為51.21%和50.87%。

1.3 彎曲實(shí)驗(yàn)

基于三點(diǎn)彎曲加載形式，參照GB/T 1449—2005標(biāo)準(zhǔn)，在WDW-30KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試BWK和QWK復(fù)合材料分別沿0°和90°的彎曲力學(xué)性能。彎曲實(shí)驗(yàn)跨距∶試樣厚度=16∶1，兩種復(fù)合材料彎曲實(shí)驗(yàn)跨距見(jiàn)表2，圓柱形上壓頭和支座圓柱體半徑均為5 mm，設(shè)定上壓頭移動(dòng)速率為2 mm/min。試樣三點(diǎn)彎曲加載形式示意圖如圖2所示。

表2 兩種復(fù)合材料彎曲實(shí)驗(yàn)跨距

圖2 試樣三點(diǎn)彎曲加載形式示意

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣彎曲失效

圖3為BWK和QWK復(fù)合材料試樣彎曲失效照片。由圖3可知，彎曲試樣上表面和下表面均出現(xiàn)明顯損傷，且損傷主要集中在上壓頭加載區(qū)，彎曲試樣上表面損傷均高于下表面。BWK復(fù)合材料沿0°方向彎曲試樣上表面紗線脫粘、分層，下表面出現(xiàn)脫粘和較大面積的白色分層區(qū)域，并有輕微紗線斷裂；沿90°方向彎曲試樣上表面紗線斷裂嚴(yán)重，伴隨著紗線脫粘和分層，下表面有大面積的紗線脫粘和分層區(qū)域。分析BWK復(fù)合材料彎曲試樣可知，BWK復(fù)合材料增強(qiáng)體上表層和下表層紗線方向分別為90°和0°，與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向相同時(shí)，易出現(xiàn)紗線間嚴(yán)重脫粘，原因在于承載部件主要為紗線間樹(shù)脂基體；與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向垂直時(shí)，易出現(xiàn)紗線斷裂，原因在于主要的承載部件為增強(qiáng)體紗線，上下表面均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但下表面分層區(qū)域大于上表面，這與彎曲過(guò)程中下表面受到載荷時(shí)產(chǎn)生的位移高于上表面密切相關(guān)。QWK復(fù)合材料沿0°方向彎曲試樣上表面紗線斷裂、脫粘，并有嚴(yán)重分層，表層紗線部分翹起，下表面紗線脫粘；沿90°方向彎曲試樣上表面紗線脫粘嚴(yán)重，伴隨分層現(xiàn)象，下表面-45°方向紗線分層嚴(yán)重，部分翹起，同時(shí)可清晰看到臨近內(nèi)層紗線斷裂。分析QWK復(fù)合材料彎曲試樣可知，QWK復(fù)合材料增強(qiáng)體上表層和下表層紗線方向分別為0°和45°，與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向相同和垂直時(shí)，QWK復(fù)合材料與BWK復(fù)合材料彎曲試樣相似，與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向呈45°或-45°時(shí)，表層沿紗線方向有部分翹起分層，且臨近內(nèi)層紗線方向與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向垂直時(shí)，存在紗線斷裂現(xiàn)象，同時(shí)，表層紗線分層較為嚴(yán)重。

a，b為BWK復(fù)合材料；c，d為QWK復(fù)合材料圖3 兩種試樣彎曲失效照片

對(duì)比BWK和QWK復(fù)合材料彎曲試樣可知，QWK復(fù)合材料彎曲試樣紗線損傷和分層失效現(xiàn)象較BWK復(fù)合材料嚴(yán)重，主要原因在于QWK復(fù)合材料增強(qiáng)體內(nèi)總體紗線層數(shù)較BWK復(fù)合材料多，同時(shí)，存在45°和-45°紗線層，彎曲過(guò)程中導(dǎo)致試樣內(nèi)出現(xiàn)面內(nèi)剪切應(yīng)力，進(jìn)一步增加紗線層間不穩(wěn)定，分層失效現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2.2 彎曲失效機(jī)理

兩種復(fù)合材料彎曲過(guò)程中應(yīng)力-撓度曲線如圖4所示。應(yīng)力-撓度曲線主要分為兩個(gè)部分，開(kāi)始階段，試樣開(kāi)始加載，曲線近似線性增長(zhǎng)，應(yīng)力增加接近彎曲最大應(yīng)力前，曲線出現(xiàn)輕微傾斜，斜率變??；后期隨著撓度的增加，試樣出現(xiàn)明顯損傷，應(yīng)力階段性下降，同時(shí)，BWK復(fù)合材料應(yīng)力下降后出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)趨勢(shì)，但QWK復(fù)合材料應(yīng)力未出現(xiàn)明顯恢復(fù)，應(yīng)力逐漸降低直至試樣彎曲失效。

圖4 兩種復(fù)合材料彎曲應(yīng)力-撓度曲線

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試樣下表面兩個(gè)支座起支撐作用，上壓頭按設(shè)定速率逐漸向下移動(dòng)加載，試樣上表面受到壓縮，下表面受到拉伸。開(kāi)始階段主要由增強(qiáng)體和基體承擔(dān)載荷，隨著應(yīng)力和撓度的增加，基體出現(xiàn)損傷，同時(shí)，與增強(qiáng)體界面出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，隨著載荷的進(jìn)一步增加，增強(qiáng)體承擔(dān)主要載荷；彎曲實(shí)驗(yàn)后期，試樣增強(qiáng)體遭到破壞，由于增強(qiáng)體紗線為多層，最先發(fā)生失效的主要是上表面和下表面，外層紗線失效后，由臨近內(nèi)層紗線承擔(dān)主要載荷，直至試樣失效。兩種復(fù)合材料彎曲前期相似，但后期QWK復(fù)合材料應(yīng)力未出現(xiàn)恢復(fù)，這與QWK復(fù)合材料內(nèi)存在45°和-45°紗線層密切相關(guān)，當(dāng)載荷主要由45°或-45°紗線層承擔(dān)時(shí)，紗線層內(nèi)存在面內(nèi)剪切，該層承擔(dān)應(yīng)力值較小，導(dǎo)致在應(yīng)力-撓度曲線上未發(fā)生明顯應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。

2.3 彎曲性能對(duì)比

兩種試樣彎曲當(dāng)量強(qiáng)度和彎曲當(dāng)量模量均統(tǒng)一到纖維體積分?jǐn)?shù)為45%。彎曲當(dāng)量模量計(jì)算：

Enormal(45%)=E×45%/Vf

式中：Enormal為當(dāng)量模量；E為彈性模量；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)；同理計(jì)算彎曲當(dāng)量強(qiáng)度。

對(duì)比兩種復(fù)合材料試樣彎曲性能，彎曲性能見(jiàn)表3。兩種復(fù)合材料試樣0°方向彎曲強(qiáng)度、當(dāng)量強(qiáng)度、彎曲模量和當(dāng)量模量均高于90°方向，主要原因是試樣0°方向紗線線密度均高于90°方向。同時(shí)，BWK復(fù)合材料0°方向四種力學(xué)性能均最大，主要是因?yàn)閮煞N復(fù)合材料測(cè)在試方向紗線層數(shù)相同、織造密度相近，但其線密度(2 400 tex)最大，對(duì)試樣該方向彎曲性能貢獻(xiàn)較多；QWK復(fù)合材料0°方向當(dāng)量強(qiáng)度高于BWK復(fù)合材料90°方向，但當(dāng)量模量卻比其低，主要原因在于QWK復(fù)合材料增強(qiáng)體內(nèi)存在多層45°和-45°紗線，但在彎曲過(guò)程中，主要發(fā)生面內(nèi)剪切，所以在一定程度上提高了彎曲強(qiáng)度，但未對(duì)彎曲模量有所提高。

表3 兩種復(fù)合材料彎曲性能參數(shù)

3 結(jié) 論

a)彎曲損傷主要集中在上壓頭加載區(qū)，且上表面損傷均高于下表面，上下表面彎曲損傷形式主要有紗線脫粘、分層及斷裂，表層紗線與上壓頭圓柱體長(zhǎng)度方向垂直時(shí)，易出現(xiàn)紗線斷裂現(xiàn)象，同時(shí)，QWK復(fù)合材料彎曲試樣紗線損傷和分層失效現(xiàn)象較BWK復(fù)合材料嚴(yán)重。

b)隨著上壓頭的移動(dòng)，試樣受到的應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，兩種復(fù)合材料前期趨勢(shì)相似，后期QWK復(fù)合材料應(yīng)力下降后未出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)趨勢(shì)，原因在于其增強(qiáng)體內(nèi)存在45°和-45°紗線層，該紗線層承載時(shí)出現(xiàn)面內(nèi)剪切現(xiàn)象，該層承擔(dān)應(yīng)力值較小，進(jìn)而未發(fā)生明顯應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。

c)增大復(fù)合材料增強(qiáng)體內(nèi)0°或90°紗線線密度有助于提高該方向復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，同時(shí)，存在45°或-45°紗線層時(shí)，可在一定程度上提高復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

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