正交-準正交復合三維機織復合材料力學性能

申曉 劉向東 田偉 祝成炎

摘?要：為彌補單一結構三維機織復合材料在性能方面的不足，研究正交-準正交復合三維機織復合材料的力學性能。以高強滌綸長絲為原料，分別織造四層正交和準正交三維機織結構作為預制件，依據均衡對稱準則設計4種復合結構，選用雙酚A環氧乙烯基脂為基體，制備正交、準正交及復合三維機織復合材料，并對制得的復合材料進行經向拉伸和彎曲性能測試。結果表明：準正交三維機織復合材料的經向拉伸和彎曲性能均優于正交三維機織復合材料;在復合三維機織復合材料中，復合順序對復合材料性能的影響大于復合比例;正交結構位于材料表層時復合材料可以獲得更優異的力學性能。

關鍵詞：復合結構;三維機織物;復合材料;經向拉伸性能;經向彎曲性能

中圖分類號：TS195.644

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0006-06

Abstract：In order to make up for the performance defect of 3D woven composite with single structure， mechanical properties of orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven composites with combined structure were investigated. The high-strength polyester filament yarn was used as the raw material to weave four-layer orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven structures as preformed units， and four kinds of combined structures were designed according to the principle of symmetry. Orthogonal woven composites， quasi-orthogonal woven composites and combined 3D woven composites were prepared by using bisphenol A epoxy vinyl ester as the matrix. Tensile and bending properties of the composites at warp direction were tested. The results indicated that tensile and bending properties at warp direction of the quasi-orthogonal woven composites were better than that of the orthogonal woven composites. Among the combined 3D woven composites， the effect of combined sequence was greater than the combined ratio. When the orthogonal structure was laid on the surface of the composites， the composites could get better mechanical properties.

Key words：combined structure; 3D woven fabric; composite; tensile property at warp direction; bending property at warp direction

三維機織復合材料是利用機織加工方法將多個系統的紗線連為空間網狀結構，然后在一定條件下與基體復合而得到的一種高性能復合材料，具有良好的可設計性并且由于厚度方向上存在增強纖維，其強度、剛度、抗沖擊性和抗疲勞性優良[1]。目前，三維機織復合材料已經成功的應用于航空風扇葉片、風扇外殼、起落架支架及汽車擋泥板等領域[2-3]，但隨著應用領域的不斷擴大和性能要求的不斷提升，如何在現有三維機織復合材料力學性能及損傷機理的研究基礎上提升材料性能越來越受到人們的關注[4-5]。

典型的三維立體機織物的結構形式主要有正交結構、準正交結構和角聯鎖結構3種，這3類結構中經紗、緯紗和垂紗的交織關系具有較大的不同[6]。正交結構中經緯紗線呈直線狀排列，垂紗在表層與緯紗交織并轉向將織物內部紗線連接成一個整體;準正交結構與正交結構相似，垂紗貫穿連接織物整體，不同的是經緯紗有一定的屈曲;角聯鎖結構的經紗在層間穿插連接，呈一定的傾斜角[7]。研究發現正交結構機織物的抗沖擊性能最優，準正交機織結構次之。正交結構單元能夠有效抵抗剪切作用，適合作為沖擊面;準正交結構單元對抗拉伸作用有優勢[8-9]。由此可見，預制件結構不同的三維機織復合材料其性能存在一定的差異，正交和準正交結構在性能方面各有所長。杜善義[10]指出復合化是新材料的重要發展階段，采用多種特殊工藝使材料復合或交叉結合可以制造出高于原先單一材料的性能或開發出單一材料不具備的性質和使用性能。正交、準正交結構的復合使用，可以彌補單一結構在性能方面的不足，使兩種結構性能取長補短，制備出力學性能更優異的復合材料。

因此本文選用高強滌綸長絲為原料，織造四層正交和準正交三維機織物作為預制件，依據均衡對稱準則設計4種不同的復合方式，制備正交、準正交及復合三維機織復合材料，探討不同預制件結構、復合方式對復合材料經向拉伸和彎曲性能的影響，以期制備性能更優良、更符合航空汽車領域要求的復合材料。

1?實?驗

1.1?實驗原料及設備

實驗原料：高強滌綸長絲（垂紗線密度111 tex、經緯紗線密度222 tex）（浙江海利得新材料有限公司），雙酚A環氧乙烯基脂901-VP（上緯（上海）精細化工有限公司），環烷酸鈷（上海富晨化工有限公司）。

實驗設備：三維劍桿織機（江蘇通源紡機有限公司），MTS Landmark萬能材料試驗機（MTS系統（中國）公司），微機控制電子萬能試驗機（深圳市瑞格爾儀器有限公司），真空灌注設備（上海特速電機有限公司），YG（B）141D型數字式織物厚度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

1.2?三維機織預制件織造

四層正交和準正交三維機織預制件結構如表1所示，預制件規格如表2所示。

1.3?復合方式設計與成型工藝

合理設計預制件復合結構可以優化復合材料的力學性能，研究發現均衡對稱鋪放可以避免成型過程中因拉-剪、拉-彎耦合引起的翹曲變形[11]。因此本文依據均衡對稱鋪層準則，如圖1所示設計4種復合方式的預制件結構，圖1中A代表四層正交三維機織結構，B代表四層準正交三維機織結構。

本文采用真空灌注成型工藝制備復合材料，所用樹脂為（預促）雙酚A環氧乙烯基脂，樹脂與固化劑的質量配比為100∶1.5。分別制備正交、準正交及復合三維機織復合材料，試樣基本物理參數如表3所示。

從表3中可以看出幾種試樣之間厚度、平方米質量及纖維含量等均有一定的差異，這些因素均會對復合材料的最終性能產生影響。但本文在進行成型實驗時，實驗條件保持不變，因此推測發生這一現象的原因為：一方面，兩種結構本身不同，正交結構表面比較緊密平整，而準正交結構則稀松不平整;不同的預制件結構使其復合材料的樹脂含量不同，準正交復合材料的樹脂含量更高;另一方面，復合預制件在真空灌注過程中，厚度方向所受的壓力有略微變化，且不同預制件表面的相互接觸均會使樹脂浸潤產生差異。所以，復合材料物理性能產生這些差異的根本原因是預制件結構和復合方式等的差異。

1.4?試樣測試

復合材料在使用時會在外力作用下發生變形，往往存在蠕變、損傷、斷裂、彎曲等問題，拉伸及彎曲性能是評價復合材料力學性能的重要指標[12]，被廣泛用于復合材料力學性能的表征。

1.4.1?經向拉伸實驗

按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》的要求進行操作，復合材料試樣尺寸為250 mm×25 mm（長×寬）。使用MTS Landmark萬能材料試驗機測試，拉伸速率為5 mm/min，測試結果取5次有效測試結果的平均值。

1.4.2?經向三點彎曲試驗

按照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》的要求進行操作，復合材料試樣尺寸為100 mm×15 mm（長×寬），跨距為60 mm。采用微機控制電子萬能試驗機測試。加載速度為2 mm/min，測試結果取5次有效測試結果的平均值。

2?結果與討論

2.1?預制件結構對力學性能的影響

2.1.1?預制件結構對經向拉伸性能的影響

使用MTS Landmark萬能材料試驗機測試正交機織復合材料和準正交機織復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率，分析預制件結構對復合材料拉伸性能的影響。圖2為正交、準正交三維機織復合材料經向拉伸強度和斷裂伸長率測試結果。

由圖2可以看出，不同預制件結構的復合材料表現出不同的拉伸特性。試樣2的拉伸強度和斷裂伸長率均高于試樣1。試樣2的拉伸強度比試樣1高76.85%。試樣2的斷裂伸長率比試樣1高83.33%。

準正交結構與正交結構最顯著的差異為經紗是否屈曲以及經緯紗交織點的多少。準正交結構的經紗與每一層的緯紗之間均發生交織，故交織點較正交結構多，在拉伸作用下需要更高的載荷使其發生斷裂損傷。準正交結構中經紗存在屈曲，拉伸過程中由于樹脂基體的斷裂伸長率較低，樹脂基體先產生裂紋損傷，但樹脂與纖維之間仍存在良好界面，增強預制件開始成為承受載荷的主體，經紗由屈曲狀態發生伸直變形繼而發生經紗與樹脂基體的同時斷裂，使得準正交機織復合材料獲得更大的斷裂伸長率。

2.1.2?預制件結構對經向彎曲性能的影響

使用微機控制電子萬能試驗機測試正交機織復合材料和準正交機織復合材料的彎曲強度和外表面層彎曲應變，分析預制件結構對復合材料彎曲性能的影響，圖3為正交、準正交三維機織復合材料經向彎曲強度和外表面層彎曲應變測試結果。

由圖3可以看出，試樣2的彎曲強度和外表面層彎曲應變均高于試樣1。但彎曲性能的差異并沒有拉伸性能大，試樣2結構的彎曲強度比試樣1結構大17.87%，外表面層彎曲應變比試樣1結構高出46.65%。

復合材料承受彎曲載荷時，上表面主要承受壓力作用，下表面主要承受拉伸作用。經觀察彎曲過程中表層樹脂發白并產生裂紋，上表面部分纖維及樹脂整體拱起，下表面部分纖維被拉斷，但材料并沒有發生明顯彎曲折斷。由于準正交結構的經紗發生屈曲，當載荷作用于試樣表面時，下表層樹脂先發生斷裂損傷，增強纖維開始作為主要承載部分，屈曲狀態的經紗可以延緩經向的彎曲斷裂破壞，使得準正交機織復合材料獲得更高的彎曲強度和更大的最外表層彎曲應變。

2.2?復合方式對力學性能的影響

2.2.1?復合方式對經向拉伸性能的影響

2.2.1.1?復合方式對拉伸斷面形態的影響

拉伸斷面形態可以較為直觀的反映復合材料拉伸過程中增強纖維與樹脂基體的破壞狀態，本文觀察4種復合三維機織復合材料的正面和側面形態，圖4為復合三維機織復合材料拉伸斷面形態。

從圖4中可以看出試樣3并沒有發生齊斷，斷口傾斜程度較大，斷口附近伴隨著分層現象且分層發生在所有層間界面，試樣表面并未發現明顯裂紋;試樣4斷口相對較齊整，斷口附近無明顯分層，試樣表面有緯向分布的裂紋;試樣5斷口也產生了一定程度的傾斜，斷口附近有分層現象，試樣表面也未發現明顯裂紋;試樣6斷口平齊，斷口附近伴有分層現象，試樣表面有少許緯向裂紋分布。其中，試樣5與試樣6兩種試樣的分層均發生在正交、準正交結構之間的界面。

由于準正交結構表面粗糙，可以形成良好界面，所以準正交結構與準正交結構之間存在良好的層間界面性能。觀察對比4種試樣，分層現象導致復合材料拉伸斷裂的不同時性，產生傾斜的斷口。當正交結構位于材料表面時，由于其斷裂伸長率較小，樹脂基體還未產生裂紋，便發生了斷裂損傷，因此試樣表層并沒有產生明顯裂紋。

2.2.1.2?復合方式對拉伸性能的影響

使用萬能材料試驗機測試4種復合三維機織復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率，分析復合方式對復合材料拉伸性能的影響。表4為復合三維機織復合材料經向拉伸強度和斷裂伸長率測試結果。

表4可見，試樣3拉伸強度最小，試樣4的拉伸強度比試樣3增加19.71%。試樣5和試樣6的拉伸強度均大于試樣3。然而試樣5和試樣6雖然復合比例相同，但是由于預制件復合順序的不同，試樣5的拉伸強度明顯大于試樣6，正交結構在復合材料表層時拉伸強度更高。在試驗過程中試樣5與試樣6所能承受的最大載荷相差并不大，但由于試樣5厚度較小，因此具有更高的拉伸強度。對比試樣4與試樣6發現，兩種材料的拉伸強度并沒有隨著準正交結構復合比例的增大而產生明顯變化。

分析試樣的斷裂伸長率可得，試樣4的斷裂伸長率最大，這是由于準正交結構復合材料本身的斷?裂伸長率高且層與層之間斷裂伸長率一致，不會因為正交結構的存在而發生抑制作用。試樣5比試樣6的斷裂伸長率高出28.83%，由于復合材料在受到拉伸作用時，斷裂伸長率低的結構先發生斷裂，分析可得試樣5結構外表面層A發生斷裂后，芯層的BB仍然能繼續承受載荷，而試樣6中，芯層的AA先發生斷裂且與外表面層的B發生層間界面破壞，外表面層的B結構相互獨立，不能像試樣5芯層的BB繼續承受較大載荷。試樣3與試樣6比較發現，并不是簡單地在復合結構中引入準正交結構就可以增大材料的斷裂伸長率。

綜上分析，材料中包含準正交結構可以增大材料的拉伸強度和斷裂伸長率。按照抑制裂紋傳播理論，在低延伸率材料周圍有高延伸率材料存在時，高延伸率材料較好的韌性能夠抑制低延伸率材料斷裂裂紋的繼續傳播，使試樣繼續承擔部分載荷，復合材料將表現出更高的性能[13]。因此正交、準正交結構復合使用可以提升復合材料的性能，且復合順序對拉伸強度的影響大于復合比例，正交結構鋪設在復合材料表層可以使材料獲得更大的拉伸強度和斷裂伸長率。

2.2.2?復合方式對經向彎曲性能的影響

2.2.2.1?復合方式對彎曲斷面形態的影響

彎曲斷面形態可以較為直觀的反映復合材料彎曲過程中增強纖維與樹脂基體的破壞狀態，本文觀察4種復合三維機織復合材料的正面和側面形態，圖5為三維機織復合材料彎曲斷面形態。

圖5可見試樣3的下表面層發生明顯的斷裂，部分纖維拔出且產生分層現象。試樣4和試樣5的上表面均發生一定的壓縮變形，下表面樹脂產生裂紋，但試樣4下表面的裂紋一直延伸到增強纖維處，試樣5下表面的裂紋僅在材料表面分布。試樣6的下表面層產生較深的裂紋，一直向材料厚度方向延伸。

準正交結構經緯紗之間的交織不如正交結構緊密，使得樹脂更容易浸入，且織物表面不平整從而與樹脂之間產生更大的接觸面積形成良好的界面層，因此準正交預制件存在的復合結構中，沒有發生分層現象。

2.2.2.2?復合方式對彎曲性能的影響

使用微機控制電子萬能試驗機測試4種復合式復合材料的彎曲強度和外表面層彎曲應變，分析預制件結構對復合三維機織復合材料彎曲性能的影響，表5為復合三維機織復合材料彎曲性能測試結果。

觀察表5，試樣3彎曲強度最小，試樣4的彎曲強度比試樣3增大6.36%。試樣5與試樣6兩種不同結構的預制件復合可以使材料擁有更高的彎曲強度。尤其是正交結構在材料表層時，彎曲強度相較于試樣3升高了38.33%，相較于試樣4提高了30.06%。材料在承受彎曲載荷時，下表面層外側結構變形大于內層結構，試樣5中下表面層外側的A發生破壞后芯層BB還未達到破壞應變可以繼續承受載荷;而試樣6中下表面層外側彎曲應變較大的B發生破壞時，芯層AA的應變程度也已瀕臨破壞，因此試樣5的彎曲強度大于試樣6。

在上文的分析中，試樣2的外表面層彎曲應變大于試樣1，但在復合結構中，試樣3的外表面層彎曲應變卻比試樣4大68.31%。這是由于試樣4在承受彎曲載荷時，上下表面分別發生壓縮破壞和拉伸破壞，而由于試樣1本身的最外層彎曲應變較低，試樣3上表面層還未發生壓縮破壞，下表面層便已經發生拉伸破壞，破壞后上表面層依然可以繼續承受載荷。試樣5外表面層彎曲應變比試樣6大63.18%。

綜合上述分析，準正交結構的使用可以增大材料的彎曲強度，但材料彎曲強度并不隨著準正交結構復合比例的增大而增大。相較于復合比例，兩種預制件的復合順序對復合材料的彎曲應力影響更大，正交結構鋪設在復合材料表層可以使材料獲得更大的彎曲強度和外表面層彎曲應變。

3?結?論

為彌補單一結構三維機織復合材料性能方面的不足，制備性能更加優異的三維機織復合材料，本研究以正交和準正交四層三維機織物為預制件，設計4種復合三維機織結構，制備正交、準正交及4種復合三維機織復合材料，對制得的6種復合材料進行經向拉伸和彎曲性能測試。主要研究結論如下：

a）準正交三維機織復合材料的經向拉伸和彎曲性能均優于正交三維機織復合材料。

b）復合順序對復合材料經向拉伸性能的影響比復合比例更顯著，但并不是簡單地在結構中選用準正交預制件就可以增大復合材料的斷裂伸長率，正交結構鋪設在復合材料表層可以使材料獲得更大的拉伸強度和斷裂伸長率。

c）準正交結構的使用可以增大材料的彎曲強度，但并不隨著準正交結構復合比例的增大而增大。對比準正交結構的復合比例，不同結構預制件復合對復合材料彎曲強度的影響更大，正交結構鋪設在復合材料表層可以使材料獲得更大的彎曲強度和外表面層彎曲應變。

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