多層多向機織復合材料細觀結構建模及其性能

王心淼，陳 利，張典堂，陳 冬

(1.天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3.生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

三維機織復合材料由于其增強體結構中存在貫穿厚度方向的紗線，具有優(yōu)異的整體性，克服了傳統二維機織復合材料層間強度低、易分層等缺點，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、安全防護等重要領域[1-2]。三維機織復合材料增強體主要包括角聯鎖結構和正交三向結構，諸多學者[3-5]圍繞其細觀結構和材料的拉伸、壓縮、彎曲、沖擊、疲勞等力學性能進行了廣泛的研究，并取得了有益的結論。角聯鎖機織結構和正交三向機織結構中，交織紗線主要沿著織物的長度方向和寬度方向分布，因此其面內抗剪切性能相對較低[6]。

近年來，多層多向機織結構得到迅速的發(fā)展。在三維機織結構基礎上，通過各種方法引入斜向紗線，有效提高了復合材料的抗剪切性能。眾學者先后研發(fā)了多種織造技術，發(fā)展了不同構造的多向機織結構。Anahara等[7]開發(fā)研制了多軸向三維機織物及其成型織造技術，斜向紗通過導向塊的引導下形成±45°傾斜紗線。Ruzand等[8]研發(fā)出基于浮紋織造原理的多向三維機織物織造方法和設備，該織物的斜向紗排布在織物的上下2個表面。Farely[9]利用浮紋織造原理開發(fā)出一種織造技術，通過改進引緯及打緯機構，理論上可實現在織物厚度方向任一位置通過浮紋裝置引入斜向紗。Hiroshi 等[10]利用導紗輥的運動形成多軸向三維機織物，并提出一種垂紗的縫紉裝置，使得這種生產方法更加完善。Bilisik等[11-13]開發(fā)了多向三維機織結構及其織造裝置，研究表明引入斜向紗線可以顯著提高三維機織復合材料的面內剪切性能。Ahmad[14-16]通過研究多軸向內部結構及斜向紗運動規(guī)律，提出一種新的織造工藝及設備，實現了在+θ斜向紗層與-θ斜向紗層之間添加經紗層，并后續(xù)對多層多向機織復合材料進行了的面內拉伸性能試驗研究及一系列的加載/卸載試驗，分析了材料性能及模量退化。

本文采用自主開發(fā)的多層多向機織工藝，設計并制備了2種不同結構的多層多向機織復合材料，在分析多層多向機織結構紗線空間拓撲規(guī)律的基礎上，建立了便于力學分析計算的細觀結構模型；采用萬能試驗機和非接觸全場應變儀測試了多層多向機織復合材料在0°方向和90°方向的拉伸力學性能，獲得了拉伸應力作用下全場應變分布，重點分析了斜向紗對材料拉伸破壞模式和破壞形貌的影響，為該類材料的工程應用提供設計參考。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

多層多向機織預制件內包含5個紗線系統：經紗系統(0°)、緯紗系統(90°)、+斜向紗系統(+θ)、-斜向紗系統(-θ)以及Z向紗系統，Z向紗捆綁其它系統紗線形成整體結構?？椩旃に囍饕ㄒ韵?個主要工序[17]：紗線層排列、斜向紗運動、Z向紗引入、緯紗引入及打緯，具有操作簡單穩(wěn)定、生產效率高的特點。結構中斜向紗線層的排列位置、斜向紗線角度θ均可靈活設計。若減去工藝中斜向紗運動工序，可進行正交三向機織預制件的織造。

將碳纖維 T300-3 K和碳纖維 T300-6 K合股作為Z向紗，碳纖維 T700-12 K作為經紗、+θ斜向紗、-θ斜向紗和緯紗，在天津工業(yè)大學復合材料研究所自研織機上完成了2種紗線總層數相同、纖維體積含量相近的多層多向機織預制件和一種正交三向機織預制件，斜向紗線角度θ為45°。

以環(huán)氧樹脂(TDE86#)作為基體，采用樹脂傳遞模塑(RTM) 成型工藝對3種預制件進行復合固化，制備的3種復合材料參數如表1所示。

表1 多層多向機織復合材料結構參數Tab.1 Structural parameters of multilayer multiaxial woven composites

1.2 單軸拉伸實驗

參考ASTM D-3039《聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法》，分別沿0°(經紗軸向)和90°(緯紗軸向)裁取板條型試樣，試樣兩端黏貼尺寸為 50 mm×25 mm×2 mm的鋁質加強片。為使DIC測試系統在實驗過程中有效識別試樣表面散斑的變形，采用黑白2種顏色的噴漆對試樣表面進行均勻制斑處理。制斑后的試樣如圖1所示。

圖1 多層多向機織復合材料0°方向拉伸試樣Fig.1 Specimens of multilayer multiaxial woven composite specimens in 0° direction

拉伸實驗在島津AG-250KNE型萬能材料試驗機上完成，搭載非接觸式全場應變測量儀(DIC測試系統)采集全場試樣在拉伸過程中的位移及應變漸進分布過程，實驗機加載速率為2.0 mm/min，圖像采集頻率為2 Hz。利用電子顯微鏡(Zeiss，500倍)對試樣斷面進行圖像觀測及捕捉。

2 結果及分析

2.1 細觀結構分析

2.1.1紗線空間拓撲規(guī)律與基本假設

基于多層多向機織工藝分析結構內部的紗線空間拓撲規(guī)律，結構面內由經紗層(0°)、緯紗層(90°)、+斜向紗層(+θ)和-斜向紗層(-θ)組成，各層紗線之間保持平行，互不相連。經紗層內各經紗始終保持不動；+θ(或-θ)斜向紗層內的所有斜向紗軸向均與經紗軸向方向成+θ(或 -θ)夾角；緯紗垂直于經紗，連接寬度方向的紗線；Z向紗與緯紗、經紗呈正交狀態(tài)配置，將各紗線層捆綁約束成為整體結構。

文獻[17]研究表明，多層多向機織預制件在“打緯”工序后，結構內各系統紗線處于相互擠緊狀態(tài)，導致不同紗線層中Z向紗的截面形狀不同，受其所在紗線層及其前、后紗線層的影響，Z向紗共存在36種截面形狀。

為方便建立力學分析模型，本研究考慮到Z向紗在結構中受到來自周圍8個方向紗線的擠壓力(見圖2)，同時其他紗線的截面也受到其周圍紗線的影響，因此對Z向紗截面形狀進行簡化，并建立以下幾點假設。

圖2 法向紗幾何模型Fig.2 Geometric model of Z-yarn of multilayer multiaxial woven preform

1)Z向紗截面形狀為八邊形。

2)經紗、緯紗、+θ斜向紗和-θ斜向紗截面形狀均為矩形。

3)至少在一定織造長度內，織造工藝穩(wěn)定，以保證織物結構基本均勻一致。

4)織物各組紗線在織造過程中保持平行伸直狀態(tài)，紗線的截面形狀沿紗線軸向方向保持不變，相鄰紗線均緊密接觸，各紗線具有相同的填充因子，ε。

5)各紗線層具有相同的纖維體積含量，Vf。

2.1.2細觀結構模型建立

將Z向紗的截面形狀假設為八邊形后，工藝參數與結構參數之間的復雜關系也隨之簡化。在此基礎上建立單胞各參數之間的關系，從而建立多層多向機織復合材料的細觀結構模型，實現當設計不同的輸入參數值時，可計算得到各紗線的幾何尺寸，用于后續(xù)力學性能的分析計算。

根據多層多向機織復合材料的結構特點，將織物分解為4種單層：經紗層、緯紗層、+θ斜向紗層和-θ斜向紗層。對每層分別提取代表性體積單元，建立每層獨有的代表性體積單元參數化幾何模型。代表性體積單元厚度即為該層的厚度，各層代表性體積單元具有相同的寬度、高度尺寸分別定義為w、h，如圖3所示。

根據結構最終使用要求設計結構纖維體積含量以及各類紗線層的層數后，可得：

圖3 多層多向機織復合材料及各紗線層代表體積單元幾何模型Fig.3 Geometric models of multilayer multiaxial woven preform and different layers

式中：T1、T2、T3和T4分別為經紗層、緯紗層、+θ斜向紗層和-θ斜向紗層的厚度，mm；A1、A2、A3、A4和A5分別為經紗、緯紗、+θ斜向紗、-θ斜向紗和法向紗的理論橫截面積，mm2；λi為對應紗線的線密度，tex；ρ為體積密度，g/cm3；ε為纖維填充因子，一般約為0.7[18]；θ為斜向紗對應經紗軸向的傾斜角度(°)，一般逆時針為正，順時針為負；Pj和Pw分別為經密、緯密，根/(10 cm)。

根據Z向紗與經紗、斜向紗、緯紗的擠壓關系，可求得各紗線的寬度尺寸

az=w-W1

bz=h-W2

式中：W1、W2、W3和W4分別為對應紗線的寬度，mm；az、bz分別為Z向紗截面八邊形內切橢圓的短軸長、長軸長，mm。

進而可求得整個代表性體積單元結構的厚度T。

式中，n1、n2、n3和n4分別表示經紗層、緯紗層、+θ°斜向紗層和-θ斜向紗層的層數。

通過上述細觀結構模型關系式，計算多層多向機織復合材料的厚度(見表2)。同實測值進行比較結果表明，預測值與實驗值均吻合較好，證明了所建立模型的準確性。

2.2 多層多向機織復合材料拉伸性能分析

2.2.1實驗結果分析

各組典型試樣的0°方向和90°方向拉伸應力-應變曲線如圖4所示?？煽闯?，各曲線初始階段近似線性，因為該階段基體與增強體之間的界面結合較好，起到了傳遞應力的作用，沿拉伸方向試樣內纖維共同承受載荷，表現出較高的初始模量。隨著應變的增大，載荷緩慢的増加，一段時間之后，載荷開始呈近似線性增加，直至應力達到最大值后，載荷發(fā)生突然下降，試樣破壞。所有試樣在破壞前均保持良好的線性關系。

表2 多層多向機織復合材料的拉伸性能Tab.2 Tensile mechanical properties of multilayer multiaxial woven composites

由于結構中斜向紗的存在減少了原本經紗體積在結構體積中的比例，導致試樣WB4和WB2在0°方向的拉伸強度均小于WB0。

而經紗體積含量近似相同的含4層斜向紗的試樣WB4與含2層斜向紗的試樣WB2相比，試樣WB4的0°方向拉伸強力比試樣WB2增加了22.21%，拉伸強度增強了11.85%，因為在試樣拉伸過程中，斜向紗試圖沿試樣軸向伸直，該過程斜向紗會承載一定的載荷，使得材料軸向承受的最大載荷增大。因此，在纖維體積含量和經紗體積含量均保持不變的條件下，斜向紗層數增加，斜向紗含量增大，多層多層機織復合材料的0°方向拉伸性能也隨之增加。90°方向拉伸時，由于試樣WB2的緯紗體積在結構體積中的比例高于試樣WB4的緯紗體積比例，因此試樣WB2在90°方向的拉伸性能優(yōu)于試樣WB4。

圖4 不同方向多層多向機織復合材料拉伸試樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of multilayer multiaxial woven composite specimens.(a) 0° direction; (b) 90° direction

2.2.2試樣破壞形貌分析

本論文拉伸性能的研究重點在于分析試樣破壞形貌和破壞模式以及斜向紗對試樣破壞形貌的影響。

圖5示出DIC測試系統視域內監(jiān)測到的試樣WB4在0°方向拉伸過程的高應變區(qū)域分布及最終破壞試樣。高應變區(qū)域較多分布在法向紗交織點處和易先斷裂的富樹脂區(qū)，可明顯觀察到試樣斷裂前高應變區(qū)域沿緯向樹脂通道一步步形成連續(xù)曲線分布的變化過程。與正交三向機織復合材料試樣WB0不同的是，多層多向機織復合材料試樣WB4的高應變區(qū)域沿緯紗方向分布規(guī)律明顯，如圖5中帶箭頭的虛線所示，而WB0的高應變區(qū)域則分布規(guī)律不太明顯(見圖5、6)。

分析試樣斷口破壞形貌發(fā)現，結構中不存在斜向紗的正交三向結構試樣WB0，其0°方向和90°方向的拉伸破壞形貌相同，如圖7所示。可看出試樣斷口整齊，均表現為典型的脆性斷裂，斷口處纖維束之間的樹脂發(fā)生粉碎性破壞，碳纖維發(fā)生脆性斷裂，僅有小部分纖維束斷裂后，從樹脂基體中直接抽拔而出，這說明斷口橫截面內的碳纖維幾乎同時被拉斷。觀測可得抽拔出的部分纖維束仍保持矩形截面。

圖5 0°方向拉伸試樣WB4在不同應變水平下的縱向應變云圖及拉伸破壞試樣Fig.5 Experimental surface strain(a) in different strain level and failure specimen(b) of WB4 in 0° direction

與試樣WB0明顯不同的是，多層多向機織復合材料試樣WB4與試樣WB2在失效時均未完全斷裂，試樣斷口處由斜向紗連接，破壞模式并非典型的脆性斷裂，且0°方向拉伸與90°方向拉伸的試樣斷口形貌也有較大差異。

圖6 0°方向拉伸試樣WB0在不同應變水平下的縱向應變云圖及拉伸破壞試樣Fig.6 Experimental surface strain (a) in different strain level and failure specimen (b) of WB0 in 0° direction

圖7 正交三向機織復合材料試樣WB0拉伸破壞形貌Fig.7 Tensile fracture morphologies of 3-D orthogonal woven composites specimens WB0

圖8示出試樣WB4的0°方向拉伸破壞形貌顯微鏡照片。可看出0°方向拉伸的破壞試樣斷口處基體完全開裂，所產生的裂痕近似直線，垂直于承載方向(即平行于緯向)；斷口處法向紗均發(fā)生斷裂，表層斷口上、下邊緣存在部分粘連的法向紗交織點。結構中第2層、第8層經紗層內的經紗全部斷裂，第3、4、5層和7層斜向紗層內，小部分斜向紗纖維斷裂或與基體脫黏，余下部分斜向紗纖維未曾斷裂，起到連接試樣的作用。

圖8 多層多向機織復合材料0°方向拉伸破壞形貌照片Fig.8 Tensile failure morphologies of multilayer multiaxial woven composites in 0° direction

圖9示出試樣WB4的90°方向拉伸破壞形貌顯微鏡照片?？煽闯?0°方向拉伸試樣斷口形貌與0°方向拉伸試樣斷口形貌明顯不同，拉伸破壞類型接近斜角斷裂，斷口方向與試樣承載方向之間夾角接近45°。

圖9 多層多向機織復合材料90°方向拉伸破壞形貌照片Fig.9 Tensile failure morphologies of multilayer multiaxial woven composites in 90° direction

結合上述試樣斷口形貌對比分析發(fā)現，多層多向機織復合材料拉伸試樣的應變分布及試樣破壞形貌受結構中斜向紗的影響較大。依據多層多向機織結構的特點，對復合材料拉伸試樣的拉伸破壞過程進行分析。

0°方向拉伸時，隨著承受載荷增加，試樣表面交織點處的法向紗在受力過程中試圖伸直，交織點附近應變集中加劇，基體產生初始裂紋；裂紋沿樹脂通道加速向兩邊傳播，導致基體首先發(fā)生破壞，并與纖維界面逐漸脫粘、出現斷裂或剝落，隨后第2層、第8層的經紗與第3、4、5層和7層的斜向紗共同承載拉伸載荷，承載過程中，斜向紗受力后試圖沿經向伸直，其伸直過程將產生橋聯作用，在一定程度上阻礙了法向紗在經向的變形以及裂紋和應變沿經向擴展，轉而應變沿緯向擴展特征更加明顯，加之試樣表層紗線層為緯紗層，導致裂紋更易沿緯向擴展，隨著載荷繼續(xù)增大，部分斜向紗被拉斷，直至主要承載的經紗完全斷裂時，試樣發(fā)生整體破壞失效。

90°方向拉伸時，主要由緯紗承受載荷，經紗層中經紗間距隨著試樣表面基體裂紋產生而出現增大趨勢，經紗之間樹脂基體產生裂紋并隨后斷裂剝落，緯紗層中的緯紗繼續(xù)保持承載，且斜向紗層中同樣承載的斜向紗受力后試圖伸直，與試樣表層的緯紗層之間發(fā)生斜向錯動，導致裂紋在試樣表層的緯紗層沿45°斜向紗方向擴展，直至緯紗全部斷裂后試樣失效，此時斷口處法向紗均發(fā)生斷裂，試樣內部部分斜向紗發(fā)生斷裂，試樣表面呈現明顯接近45°的傾斜斷口，斷口處由未斷裂的斜向紗橋聯試樣。

3 結 論

本研究通過分析多層多向機織復合材料的細觀結構，以層為單元建立了單胞幾何模型，并研究了多層多向機織復合材料的拉伸性能和破壞形貌以及斜向紗對破壞形貌的影響。

1)建立的單胞幾何模型將多層多向機織復合材料結構分解為經紗層、緯紗層、+θ斜向紗層和-θ斜向紗層，結合了織物結構中各參數之間的幾何關系，在結構設計時，只需改變纖維體積含量、紗線的經密、緯密參數和紗線規(guī)格即可得到各層的紗線尺寸及單胞模型。復合材料厚度的理論預測值與實驗值吻合較好，所建立細觀結構關系式準確性較好。

2)斜向紗的存在較大程度上影響了多層多向機織復合材料的破壞模式和斷口形貌。0°方向與90°方向拉伸時，斜向紗承載后均試圖沿承載方向伸直，其伸直過程將產生橋聯作用，在一定程度上阻礙了法向紗在承載方向的變形以及裂紋和應變沿承載方向擴展，最終破壞斷口處斜向紗層中僅部分斜向紗纖維被拉斷，部分斜向紗纖維未斷裂，導致材料破壞失效時試樣并未完全斷裂。0°方向拉伸斷口處經紗層內的經紗全部斷裂，90°方向拉伸斷口處緯紗層內的緯紗全部斷裂。表面紗線層為緯紗層時，0°方向拉伸斷口近似直線，垂直于承載方向，90°方向拉伸試樣斷口形貌接近斜角斷裂，斷口方向與試樣承載方向之間夾角接近45°。

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