三維正交機(jī)織和雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料壓縮性能研究

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

發(fā)展輕質(zhì)高強(qiáng)型復(fù)合材料，是推動(dòng)科技進(jìn)步、國(guó)防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增強(qiáng)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要基礎(chǔ)[1]。紡織復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐疲勞、抗腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、船舶和風(fēng)機(jī)葉片等領(lǐng)域[5]。

三維正交機(jī)織物通過貫穿其整個(gè)厚度的Z紗而將伸直的經(jīng)紗和緯紗捆綁在一起。在理想情況下，Z紗與經(jīng)紗、緯紗互相垂直，由于面內(nèi)紗線平行順直排列，因此具有很高的硬度和強(qiáng)度；另外，捆綁紗(即Z紗)提高了織物的整體性，因此不易產(chǎn)生分層失效。多軸向經(jīng)編織物因其不同軸向的纖維束相互平行排列，在比強(qiáng)度、比剛度方面具有其他材料無可比擬的優(yōu)越性，同時(shí)還具有耐高溫、抗腐蝕、耐疲勞及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)異性能。

目前，對(duì)三維正交機(jī)織復(fù)合材料和多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究，大多集中在靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[6-10]及有限元模擬計(jì)算[11-12]等方面。王海樓等[13]用試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的方法，研究了三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在低溫場(chǎng)中橫向壓縮性質(zhì)的溫度效應(yīng)。于平等[14]通過對(duì)二維平紋編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能進(jìn)行三維有限元計(jì)算，對(duì)復(fù)合材料在沿垂直于編織平面方向和纖維束方向壓縮后的微觀應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析。陳利等[15]采用短標(biāo)距薄板試件法試驗(yàn)，研究了三維五向和六向編織復(fù)合材料試件的壓縮性能。馬亞運(yùn)等[16]對(duì)比了雙軸向經(jīng)編和三維正交機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能，三維正交機(jī)織物有效地改善了雙軸向經(jīng)編復(fù)合材料在拉伸中易分層失效和斷裂截面處纖維抽拔等問題。

本文分別以三維正交機(jī)織玻纖織物和雙軸向經(jīng)編玻纖織物為增強(qiáng)體，使用真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱“VARTM”)工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料成型，得到兩種復(fù)合材料試樣，然后分別沿0°和90°方向測(cè)試其壓縮性能；采用燃燒法測(cè)定復(fù)合材料試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)，通過計(jì)算得到其當(dāng)量壓縮性能，并觀察試樣的壓縮斷裂截面，比較兩種復(fù)合材料試樣的壓縮性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與工藝

(1) 增強(qiáng)體。采用三維正交機(jī)織玻纖織物和雙軸向經(jīng)編玻纖織物分別作為增強(qiáng)體，其紗線采用E-玻纖無捻粗紗和滌綸紗。其中，三維正交機(jī)織玻纖織物的經(jīng)紗和緯紗在平面內(nèi)順直排列，Z紗貫穿于厚度方向，三組紗線互相垂直。增強(qiáng)體實(shí)物如圖1所示，其基本參數(shù)見表1。

(a) 三維正交機(jī)織玻纖織物

(b) 雙軸向經(jīng)編玻纖織物

表1 增強(qiáng)體基本參數(shù)

(2) 基體。以質(zhì)量比為100 ∶30的E-2511-1A環(huán)氧樹脂/2511-1BT固化劑混合物為基體。

(3) 成型工藝。使用真空輔助樹脂傳遞模塑即VARTM工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的成型。

1.2 試樣制備

分別用1層三維正交機(jī)織玻纖織物和2層雙軸向經(jīng)編玻纖織物(同向鋪放)，在真空度為-0.095 MPa且保壓效果良好時(shí)進(jìn)行基體灌注，灌注完成后在常溫下固化48 h，得到兩種復(fù)合材料試樣(簡(jiǎn)稱“試樣”，試樣編號(hào)分別為1#、2#)。然后，根據(jù)FZ/T 60043—2014《樹脂基三維編織復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行切割，試樣形狀與尺寸標(biāo)注如圖2所示，試樣尺寸見表2。

圖2 試樣形狀與尺寸標(biāo)注示意

表2 試樣尺寸

1.3 壓縮試驗(yàn)

參照FZ/T 60043—2014《樹脂基三維編織復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)方法》，在WDW-100kN萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試兩種試樣沿0°和90°方向的壓縮性能。首先，通過預(yù)壓縮試驗(yàn)估計(jì)試樣的壓縮破壞載荷；然后，對(duì)試樣施加5%的壓縮破壞載荷，使試樣保持伸直狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；最后，以2 mm/min的速率對(duì)試樣施加壓縮載荷，連續(xù)加載直至試樣破壞，記錄試樣的屈服載荷、破壞載荷及破壞形式。

1.4 纖維體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)

參照ASTM D 3171：2009《復(fù)合材料組成物含量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，采用燃燒法測(cè)定試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)。首先取一定體積的試樣并稱取其質(zhì)量W0(g)，然后在450～650 ℃下灼燒，基體被蒸發(fā)，稱取剩余物的質(zhì)量，即試樣中的纖維質(zhì)量Wf(g)，再根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算纖維體積分?jǐn)?shù)Vf：

Wm=W0-Wf

(1)

(2)

其中：ρf——E-玻纖密度，g/cm3；

ρm——基體密度，g/cm3；

Wm——基體質(zhì)量，g。

1.5 當(dāng)量壓縮性能

由于兩種試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)不同，為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，引入當(dāng)量壓縮性能(即當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量壓縮模量)的概念。

將試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一為45%，再根據(jù)式(3)計(jì)算當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度：

(3)

其中：F為壓縮斷裂強(qiáng)度，MPa。

同理，通過計(jì)算得到試樣的當(dāng)量壓縮模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮性能

圖3所示為試樣0°和90°方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 試樣0°和90°方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可以看出，三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣90°方向的壓縮應(yīng)力總體大于其0°方向，而雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣則相反。在壓縮試驗(yàn)中，如果沒有基體的束縛，增強(qiáng)體不能承擔(dān)任何載荷作用[17]。兩種試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線都很平滑，在承受載荷的瞬間，曲線斜率很大，此時(shí)主要由基體承擔(dān)載荷，隨著樹脂開裂，主要由纖維/樹脂界面承擔(dān)載荷，直至纖維斷裂，復(fù)合材料失效。

試樣的壓縮性能和當(dāng)量壓縮性能測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3可以得到：

(1) 對(duì)于三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣，其90°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度比0°方向高8.05%，這主要因?yàn)槠湓鰪?qiáng)體(即三維正交機(jī)織玻纖織物)由3層經(jīng)紗和4層緯紗構(gòu)成，經(jīng)向(即0°方向)比緯向(即90°方向)少1層紗線，且緯紗的線密度(1 500 dtex)高于經(jīng)紗(1 200 dtex)；當(dāng)量壓縮模量則相反，0°方向比90°方向高30.67%，這是因?yàn)樵趬嚎s初始階段，載荷主要由基體承擔(dān)。

表3 試樣壓縮性能和當(dāng)量壓縮性能測(cè)試結(jié)果

(2) 雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣0°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量壓縮模量分別比90°方向高19.80%、 8.13%。其原因可能主要在于增強(qiáng)體(即雙軸向經(jīng)編玻纖織物)的經(jīng)紗線密度(2 400 tex)遠(yuǎn)大于緯紗線密度(1 500 tex)。

對(duì)比三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣和雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量壓縮模量：

(1) 0°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度和當(dāng)量壓縮模量，后者均略高于前者，分別約提高4.90%、35.71%。其主要原因可能是兩種增強(qiáng)體的0°方向紗線(即經(jīng)紗)線密度和織造密度的差異較大，后者的增強(qiáng)體的經(jīng)紗線密度(2 400 tex)為前者的增強(qiáng)體的經(jīng)紗線密度(1 200 tex)的2.00倍，且后者的增強(qiáng)體的織造密度[27根/(10 cm)]約為前者的增強(qiáng)體的織造密度[24根/(10 cm)]的1.13倍。因此，在基體的束縛下，后者的增強(qiáng)體能夠更好地發(fā)揮其力學(xué)性能。

(2) 90°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度，前者比后者提高23.40%。其主要原因可能是兩種增強(qiáng)體的90°方向紗線(即緯紗)線密度均為1 500 tex，但前者有4層緯紗，而后者只有2層緯紗，而且前者的織造密度[27根/(10 cm)]約為后者[22根/(10 cm)]的1.23倍。另外，三維正交機(jī)織玻纖織物由垂直于經(jīng)紗和緯紗的Z紗捆綁成型，織物面內(nèi)紗線沒有卷曲，因此其面內(nèi)剛度和強(qiáng)度更高，這提高了復(fù)合材料的穩(wěn)定性和抗分層失效性能。90°方向的當(dāng)量壓縮模量則相反，后者比前者提高64.00%。壓縮模量是通過壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性部分(即試樣承受壓縮載荷的初始階段)求得的，其值越大表示試樣抵御壓縮變形的能力更強(qiáng)。

2.2 壓縮破壞形態(tài)

在顯微鏡下觀察試樣壓縮破壞形態(tài)，如圖4所示。

圖4 試樣壓縮破壞形態(tài)

由圖4可知，與雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣比較，三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣的壓縮形變更明顯。對(duì)于三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣，沿0°方向壓縮，試樣斷裂面整齊，白色區(qū)域較寬，分層現(xiàn)象較為明顯；沿90°方向壓縮，斷裂面出現(xiàn)纖維抽拔現(xiàn)象，白色區(qū)域不明顯。三維正交機(jī)織玻纖織物的最外層為緯紗，它比經(jīng)紗多1層，而緯紗方向即90°方向，其分層現(xiàn)象沒有0°方向嚴(yán)重。對(duì)于雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣，沿0°方向和90°方向壓縮，均出現(xiàn)白色裂痕，試樣分層失效，90°方向的分層更嚴(yán)重，纖維無明顯斷裂。雙軸向經(jīng)編玻纖織物的經(jīng)紗線密度遠(yuǎn)大于其緯紗線密度，因此0°方向的紗線強(qiáng)度高于90°方向，減少了分層失效現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1) 三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣和雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣0°和90°方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，前者的壓縮應(yīng)力和應(yīng)變總體高于后者，但曲線斜率相反，即前者的壓縮斷裂強(qiáng)度總體高于后者，但前者抵御壓縮變形的能力較后者差，這與兩種增強(qiáng)體的織造密度及其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

(2) 比較三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣和雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣的當(dāng)量壓縮性能，90°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度是前者比后者高23.40%左右，而0°方向的當(dāng)量壓縮斷裂強(qiáng)度則是后者比前者高約4.90%；0°方向和90°方向的當(dāng)量壓縮模量，后者較前者分別提高約35.71%和64.00%。

(3) 三維正交機(jī)織玻纖復(fù)合材料試樣和雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣0°和90°方向的壓縮斷裂形態(tài)顯著不同。三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的壓縮斷裂形變較大，抵抗壓縮變形的能力較差，90°方向的分層現(xiàn)象沒有0°方向嚴(yán)重；雙軸向經(jīng)編玻纖復(fù)合材料試樣抵抗壓縮變形的性能較好，0°方向的分層現(xiàn)象較不明顯。