開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能

孫曉倫，陳 利，張一帆，李默涵

(1.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

三維機(jī)織結(jié)構(gòu)是一種整體性好、近凈成型性能優(yōu)且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制備的立體織物結(jié)構(gòu)形式。三維機(jī)織復(fù)合材料克服了層合復(fù)合材料抗沖擊性能差、易分層等缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天及國(guó)防等領(lǐng)域[1-3]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在實(shí)際使用過(guò)程中往往需要通過(guò)與其他結(jié)構(gòu)件裝配，以滿足結(jié)構(gòu)和功能的要求，裝配過(guò)程大都需要在復(fù)合材料構(gòu)件上通過(guò)機(jī)械鉆孔的方法開(kāi)孔或開(kāi)口，而復(fù)合材料對(duì)損傷非常敏感，在含損傷狀態(tài)下剩余強(qiáng)度會(huì)降低，孔邊易形成應(yīng)力集中區(qū)。盡管三維機(jī)織復(fù)合材料由于其整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)會(huì)改善這一現(xiàn)象；但同樣會(huì)對(duì)其性能造成較大的影響[4-5]，因此，研究含孔三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能及失效機(jī)制可為其開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并對(duì)其應(yīng)用起到積極的推動(dòng)作用。

國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)層合復(fù)合材料開(kāi)孔后的性能、孔邊應(yīng)力分布以及失效模式等開(kāi)展了大量的研究工作。Castanié等[6]利用高速攝像機(jī)，記錄了開(kāi)孔復(fù)合材料層壓板在壓縮載荷下失效擴(kuò)展的過(guò)程，分析了層合板鋪層順序以及連接螺栓擰緊力矩等因素對(duì)其極限強(qiáng)度和破壞模式的影響。Sket等[7]利用X射線技術(shù)定量研究了開(kāi)孔±45°鋪層復(fù)合材料的拉伸變形及破壞機(jī)制，指出拉伸破壞主要表現(xiàn)為沿著2個(gè)剪切方向發(fā)生破壞，沿著纖維方向發(fā)生劈裂，并且沿著±45°方向有分層現(xiàn)象。Almeida等[8]通過(guò)優(yōu)化纖維的取向和分布，研究纖維取向?qū)雍习彘_(kāi)孔性能的影響規(guī)律，并觀察分析其破壞機(jī)制。關(guān)志東等[9-10]對(duì)開(kāi)孔層合復(fù)合材料在拉伸和壓縮載荷下的損傷擴(kuò)展、損傷模式等進(jìn)行了研究，并利用有限元方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)報(bào)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。李汝鵬等[11]利用漸進(jìn)損傷分析方法對(duì)層合板開(kāi)孔拉伸過(guò)程中損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及失效進(jìn)行了仿真，并結(jié)合三維Hashin對(duì)其初始失效進(jìn)行了預(yù)報(bào)，形成了材料損傷后剛度的折減方法。Ma等[12]提出一種預(yù)測(cè)開(kāi)孔層合板破壞過(guò)程的漸進(jìn)損傷分析方法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了裂紋拓展和最大載荷。

近年來(lái)，隨著三維紡織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大[13-15]，研究人員對(duì)開(kāi)孔三維紡織復(fù)合材料的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。Dai等[16]對(duì)開(kāi)孔三向正交復(fù)合材料拉伸性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)孔后的拉伸強(qiáng)度比開(kāi)孔前下降17%以內(nèi)，證明了三向正交結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度對(duì)于開(kāi)孔不是很敏感。梁雙強(qiáng)等[17]對(duì)三維編織復(fù)合材料的開(kāi)孔性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和性能預(yù)報(bào)，研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)增強(qiáng)紗結(jié)構(gòu)可保留更高的壓縮強(qiáng)度，失效形式均為剪切失效且無(wú)分層現(xiàn)象。Xu等[18]利用X射線技術(shù)對(duì)比了開(kāi)孔層合復(fù)合材料和三向正交復(fù)合材料的拉伸性能，研究發(fā)現(xiàn)，層合復(fù)合材料在開(kāi)孔拉伸過(guò)程中有分層現(xiàn)象，而三向正交復(fù)合材料則沒(méi)有，三向正交復(fù)合材料開(kāi)孔失效形式主要表現(xiàn)為纖維斷裂、基體開(kāi)裂以及纖維脫黏。Guo等[19]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)不同開(kāi)孔形狀的角聯(lián)鎖織物經(jīng)向拉伸性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同開(kāi)孔形狀主要影響初始應(yīng)力集中和損傷拓展，對(duì)材料的剛度和拉伸強(qiáng)度影響不大。

本文主要針對(duì)開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行研究，利用非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)(DIC)獲取材料拉伸過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變分布，討論三維機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)孔試樣的孔邊應(yīng)變分布規(guī)律，利用顯微成像技術(shù)，獲取其失效后破壞區(qū)域的狀態(tài)，對(duì)比開(kāi)孔前后及不同孔徑的三維機(jī)織復(fù)合材料的損傷形貌，揭示其損傷機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣制備

復(fù)合材料增強(qiáng)體采用的是山西鋼科碳材料有限公司的TG800HX-12K和TG800HXC-6K碳纖維，基體采用的是天津晶東化學(xué)復(fù)合材料有限公司的TDE-86環(huán)氧樹(shù)脂。所采用材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 碳纖維性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of carbon fiber

本文所采用的三維機(jī)織復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)共包含3個(gè)紗線系統(tǒng)，襯經(jīng)紗、接結(jié)經(jīng)紗和緯紗，其交織狀態(tài)如圖1所示。襯經(jīng)紗和緯紗在結(jié)構(gòu)中基本呈直線排列，接結(jié)經(jīng)紗上下運(yùn)動(dòng)將相鄰的緯紗層連接形成整體結(jié)構(gòu)。襯經(jīng)紗和緯紗采用12 K×2(合股)碳纖維，接結(jié)經(jīng)紗采用6 K碳纖維。織物預(yù)制體是利用天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究院自主研發(fā)的三維織機(jī)織造而成，采用樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝(RTM)制備了三維機(jī)織復(fù)合材料。三維機(jī)織復(fù)合材料參數(shù)如表2所示。

圖1 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch diagram of 3-D woven composites

表2 預(yù)制體與復(fù)合材料參數(shù)Tab.2 Parameter of woven fabrics and composites

將制得的三維機(jī)織復(fù)合材料分別按照ASTM D3039/D3039M—2014《聚合物基復(fù)合材料的拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM D5766/D5766M—2011《聚合物基復(fù)合材料的開(kāi)孔拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》的要求，在試樣兩端粘貼加強(qiáng)片，沿著試樣經(jīng)紗方向裁切試樣，為表示方便，本文中未開(kāi)孔試樣用3DNT表示，不同孔徑的開(kāi)孔拉伸試樣用3DOHTi(i為6,10,14)表示，3DNT試樣尺寸為250 mm×25 mm×h，3DOHTi試樣尺寸為300 mm×36 mm×h，開(kāi)孔試樣的孔徑分別為6、10和14 mm。每種規(guī)格的試樣為5件。實(shí)驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行噴斑處理，使用黑白漆在試樣上表面制斑，形成均勻分布的散斑。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

日本島津(SHIMADZU)公司的AG-250KNE材料試驗(yàn)機(jī)；德國(guó)GOM公司的DIC測(cè)量系統(tǒng)；日本KEYENCE公司的3D 輪廓測(cè)量?jī)x。

1.3 拉伸性能測(cè)試

參照ASTM D3039/D3039M—2014對(duì)未開(kāi)孔試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，加載速度為2 mm/min；參照ASTM D5766/D5766M—2011對(duì)開(kāi)孔試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，加載速度為2 mm/min。圖2示出開(kāi)孔試樣拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程，DIC測(cè)量系統(tǒng)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲得試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變分布云圖。

圖2 開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Tensile test process of 3-D woven composites with holes

為能夠更準(zhǔn)確地描述開(kāi)孔試樣的拉伸性能，定義了2種拉伸強(qiáng)度，分別為全截面拉伸強(qiáng)度Fg和凈截面拉伸強(qiáng)度Fn，對(duì)應(yīng)的截面面積分別為A和An，2種截面如圖3所示。2種強(qiáng)度計(jì)算公式分別為：

圖3 開(kāi)孔試樣截面圖Fig.3 Cross section of open specimen

Fg=Pm/A

(1)

Fn=Pm/An

(2)

式中，Pm為試樣拉伸破壞前最大載荷，N。對(duì)應(yīng)的試樣截面面積可表示為:

A=wh

(3)

An=(w-D)h

(4)

式中：w為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm；D為開(kāi)孔直徑，mm。

在結(jié)合路徑參數(shù)結(jié)果和研究模型的假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果之后，各個(gè)因素對(duì)醫(yī)藥B2C平臺(tái)顧客忠誠(chéng)度的影響均顯著；按照影響的重要性排序，結(jié)果為：①商品質(zhì)量；②顧客滿意度；③顧客轉(zhuǎn)換成本；④網(wǎng)站安全性；⑤網(wǎng)站服務(wù)；⑥購(gòu)物便利性；⑦網(wǎng)站聲譽(yù)；⑧物流快捷性；⑨商品價(jià)格。

2 結(jié)果與討論

2.1 開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸力學(xué)行為

圖4示出三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯?條曲線基本呈線性變化，這主要是由織物結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)造成的，作為主要承擔(dān)載荷的襯經(jīng)紗在結(jié)構(gòu)中保持伸直狀態(tài)，而接結(jié)經(jīng)紗主要起到連接的作用。3種不同孔徑開(kāi)孔試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率基本一致，表明開(kāi)孔及孔徑大小對(duì)材料的拉伸模量幾乎沒(méi)有影響，這是因?yàn)殚_(kāi)孔加工僅僅破壞了試樣的完整性，但試樣的材料屬性沒(méi)有發(fā)生變化，抵抗變形的能力不會(huì)發(fā)生改變。

圖4 三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of tensile tests of 3-D woven composites

圖5示出試樣的平均最大應(yīng)變。可見(jiàn)，未開(kāi)孔試樣的平均最大應(yīng)變?yōu)?.43%，而孔徑為6、10和14 mm 開(kāi)孔試樣的平均最大應(yīng)變分別下降到0.92%、0.82%和0.64%，與3DNT相比下降幅度分別為35.7%、42.7%和55.2%。平均最大應(yīng)變下降不僅與截面面積減小相關(guān)，而且跟孔附近的應(yīng)力集中區(qū)也密切相關(guān)。

圖5 三維機(jī)織復(fù)合材料的平均最大應(yīng)變Fig.5 Maximum tensile strain of 3-D woven composites

圖6 三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Tensile strain contours of 3-D woven composites

2.2 開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和模量

圖7示出三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度。可以看出，三維機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)孔前后的拉伸模量基本沒(méi)有變化，開(kāi)孔后拉伸模量仍然保持在60 GPa左右，這說(shuō)明開(kāi)孔后并沒(méi)有造成材料抵抗變形能力下降，即紗線交織細(xì)觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，開(kāi)孔對(duì)材料抵抗變形的能力沒(méi)有影響，但開(kāi)孔對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，引起承載性能顯著下降。圖7中分別給出了全截面拉伸強(qiáng)度和凈截面拉伸強(qiáng)度?？梢钥闯觯何撮_(kāi)孔試樣的平均拉伸強(qiáng)度為873.9 MPa；而3種開(kāi)孔試樣的全截面拉伸強(qiáng)度分別為562.8、484.7和421.3 MPa，分別下降了35.6%、44.5%和51.8%；3種開(kāi)孔試樣的凈截面拉伸強(qiáng)度分別為675.3、671.1和689.2 MPa，均在680 MPa左右，相比于未開(kāi)孔試樣，平均拉伸強(qiáng)度下降了約22.4%，這證明除去開(kāi)孔位置不能夠承受外載，開(kāi)孔會(huì)導(dǎo)致三維織物中連續(xù)纖維發(fā)生斷裂，引起整體結(jié)構(gòu)承載能力的下降。另外，由于結(jié)構(gòu)中僅有沿0°方向和90°方向的紗線，0°方向的紗線被切斷后開(kāi)孔承載能力明顯下降。

圖7 三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及模量Fig.7 Tensile strength and tensile modulus of 3-D woven composites

2.3 開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸失效機(jī)制

圖8示出4種試樣的斷裂形貌。圖中標(biāo)注的失效區(qū)域分別為紗線抽拔、紗線斷裂、樹(shù)脂開(kāi)裂和界面脫黏的失效方式。圖8(a)示出3DNT的拉伸斷口破壞形貌，由于試樣表面為平直的緯紗，緯紗間隙為樹(shù)脂填充，導(dǎo)致基體與纖維之間的界面破壞而發(fā)生開(kāi)裂，這與試樣的全場(chǎng)應(yīng)變分布狀態(tài)吻合。從斷口形貌來(lái)看，斷口較為平整。其中：接結(jié)經(jīng)紗主要發(fā)生脆性斷裂；襯經(jīng)紗主要為紗線斷裂和抽拔破壞。這說(shuō)明斷口處的襯經(jīng)紗受力均勻，橫截面內(nèi)的碳纖維幾乎被同時(shí)拉斷，緯紗主要表現(xiàn)為與基體的界面脫黏破壞。

圖8 三維機(jī)織復(fù)合材料的斷口形態(tài)Fig.8 Fracture morphology of 3-D woven composites

圖8(b)～(d)分別給出了3種孔徑試樣的斷裂形貌?？梢钥闯?，開(kāi)孔試樣的斷裂不一定位于開(kāi)孔的中心線位置，但是斷裂均發(fā)生在開(kāi)孔區(qū)域，符合2.1節(jié)所述應(yīng)變集中位于孔周圍。3種開(kāi)孔尺寸的試樣正反面都產(chǎn)生了較為明顯的裂紋，對(duì)應(yīng)于試樣表面的應(yīng)變集中區(qū)域，也說(shuō)明在拉伸過(guò)程中富樹(shù)脂區(qū)域首先產(chǎn)生較大的應(yīng)變，并且率先發(fā)生破裂。從宏觀斷口發(fā)現(xiàn)，不同開(kāi)孔尺寸試樣斷口的宏觀形貌近似，主要破壞模式均表現(xiàn)為襯經(jīng)紗的斷裂并伴隨著部分紗線的抽拔、接結(jié)經(jīng)紗斷裂以及層間開(kāi)裂等。

從圖8(b)可以看到，3DOHT6的破壞形式主要為襯經(jīng)紗的斷裂和抽拔破壞，而且紗線拔出的長(zhǎng)度接近開(kāi)孔直徑。由于3DOHT6失效應(yīng)變最大，在遠(yuǎn)離孔中心位置仍發(fā)生較大的基體開(kāi)裂現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在3DOHT10和3D0HT14中明顯減弱；在靠近孔邊緣位置，孔邊有少量纖維發(fā)生了劈裂，并且孔邊有裂紋產(chǎn)生，遠(yuǎn)離孔位置基本保持完好；3DOHT6試樣較其他孔徑試樣在開(kāi)孔邊緣和開(kāi)孔位置破壞損傷更為顯著，因?yàn)槠溟_(kāi)孔邊緣處受力面積較小。3DOHT6試樣從斷面位置看，右半部分發(fā)生破壞的位置基本位于孔的中間，因此，試樣右半部分損傷程度更為嚴(yán)重。在試樣拉伸過(guò)程中，纖維發(fā)生了抽拔和斷裂破壞，樹(shù)脂基體發(fā)生了碎裂，接結(jié)經(jīng)紗發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致三維機(jī)織復(fù)合材料層間也發(fā)生了明顯的分裂，并且試樣的上下表面局部有纖維劈裂現(xiàn)象。

從圖8(c)可以發(fā)現(xiàn)，3DOHT10的主要失效方式也是襯經(jīng)紗的斷裂，并且在試樣寬度邊緣有明顯的紗線拔出現(xiàn)象。3DOHT10的界面脫黏和分層現(xiàn)象較3DOHT6有所減弱，左右兩部分?jǐn)嗫诘钠茐默F(xiàn)象接近，且越靠近斷口處破壞更為嚴(yán)重。相比于3DOHT6，3DOHT10的斷口位置更靠近孔的中間位置。從圖8(d)可以觀察到，3DOHT14的斷口較為整齊，紗線抽拔破壞失效現(xiàn)象減弱，開(kāi)孔斷口的位置更接近孔的中心線，這也是由于孔徑增大后，試樣承載有效面積減小造成的。從試樣側(cè)面觀察，側(cè)面的經(jīng)紗與樹(shù)脂的脫黏破壞明顯，但分層破壞并不明顯。

三維機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)孔后，孔位置處經(jīng)緯紗不再連續(xù)，而且隨著孔徑增加，完整的單胞數(shù)量也逐漸下降，因此，試樣在拉伸過(guò)程中的損傷程度逐漸減弱，損傷所釋放的應(yīng)變能隨之下降，宏觀上所造成的破壞程度也逐漸減小。同時(shí)，孔徑增大，也會(huì)導(dǎo)致試樣的極限應(yīng)變下降。

3 結(jié) 論

通過(guò)研究開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能，利用非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)分析了開(kāi)孔試樣拉伸過(guò)程中孔邊以及全場(chǎng)應(yīng)變分布狀態(tài)，并利用光學(xué)顯微圖像技術(shù)獲得試樣破壞后的形貌，討論了不同孔徑下拉伸的破壞形貌，揭示了開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸的破壞機(jī)制。

1) 三維機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)孔前后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線都具有線性特點(diǎn)，這主要是由于結(jié)構(gòu)中襯經(jīng)紗承擔(dān)主要載荷，其保持伸直狀態(tài)。

2) 開(kāi)孔改變了試樣表面應(yīng)變分布狀態(tài)，應(yīng)變集中區(qū)從均勻分布變?yōu)樵诳鬃笥覂蓚?cè)集中分布，并且開(kāi)孔尺寸對(duì)試樣應(yīng)變分布的影響是十分明顯的。

3) 三維機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)孔及開(kāi)孔尺寸對(duì)拉伸模量沒(méi)有影響，即孔對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料抵抗變形的能力沒(méi)有影響。開(kāi)孔后全截面拉伸強(qiáng)度下降顯著，下降幅度與開(kāi)孔尺寸呈正相關(guān)，但不同孔徑試樣的凈截面拉伸強(qiáng)度基本一致，相對(duì)于未開(kāi)孔試樣下降約22.4%，證明交織結(jié)構(gòu)不完整會(huì)導(dǎo)致承載能力進(jìn)一步下降。

4) 開(kāi)孔三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸破壞均表現(xiàn)為連接部分的紗線斷裂并伴隨有紗線的抽拔以及樹(shù)脂的開(kāi)裂。拉伸斷裂位于開(kāi)孔區(qū)域，隨著孔徑的增加，失效應(yīng)變下降，斷口趨于齊整，斷裂破壞程度降低，斷口的位置越接近孔的中心線。

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