結構參數對三維機織復合材料拉伸和剪切性能的影響

武維莉,潘忠祥

(浙江理工大學紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),杭州 310018)

0 引 言

纖維增強復合材料因具有較高的比強度、比模量以及較好的耐疲勞和耐腐蝕特性,廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、建筑等領域。由于層間或Z向紗的增強作用,三維機織增強復合材料的層間力學性能明顯優于二維結構[1-4]。Behera等[5]發現,三維機織復合材料具有優異的抗沖擊性、防刺穿及動態熱機械性能。Peerzada等[6]研究發現,三維機織結構中Z向紗的存在使經緯紗承擔的負荷減少,提升了復合材料的整體強度和剛度。Brandt等[7]發現,Z向紗明顯提高了復合材料的層間性能,其含量的增加使經緯向的拉伸強度下降,但壓縮強度不受影響。Cox等[8]探究了三維機織復合材料的拉伸、壓縮和彎曲性能,結果發現與二維復合材料相比,三維復合材料的面外性能增加,面內性能有所降低。Ivanov等[9]認為,三維復合材料的楊氏模量與二維復合材料接近,但在45°方向上,三維復合材料的最大應力、應變明顯高于二維復合材料。Potluri等[10]探究了三維復合材料的抗沖擊性能,發現不同結構的三維復合材料的損傷面積和寬度相似,但遠小于二維復合材料。

針對不同結構的三維復合材料力學表現,國內外學者展開了相關研究。Saleh等[11]研究了3種不同結構(正交結構、層層角聯鎖和角聯鎖結構)的三維機織復合材料的準靜態拉伸性能,發現不同結構的復合材料的拉伸剛度與強度主要取決于經紗和緯紗含量,而結構類型的影響較小。其他學者也發現,織物結構對復合材料力學性能有重要影響。Behera等[5]探究了三維機織復合材料的拉伸性能,發現不同結構的材料,其拉伸強度在經向上的大小排序為三維正交結構復合材料、經向聯鎖結構復合材料、角聯鎖結構復合材料,而在緯向上則相反。Huang等[12]測試了4種玻璃纖維三維機織復合材料的拉伸性能,包括層與層綁定的正交結構、完全正交結構、角聯鎖結構、改進的角聯鎖結構,發現織物結構與復合材料的拉伸強度及尺寸穩定性有很大關系。Xu等[13]、Dai等[14]和Jiao等[15]探討了織物結構對三維復合材料拉伸性能的影響,發現結構不同導致富樹脂區不同,角聯鎖結構復合材料在經紗方向上具有較大的拉伸模量和強度。Stig等[16]驗證了這一觀點,并且通過實驗發現三維復合材料的剛度和強度隨著紗線的屈曲增加呈現非線性下降,添加填充紗可以增加復合材料的力學性能。

上述工作探究了三維機織結構復合材料與力學性能之間的關系,但是三維機織結構種類繁多,設計人員須根據使用工況選擇合適的織物結構。然而,目前三維機織結構與力學性能之間的關系研究不夠充分,影響了對其力學性能可靠性的評估。本文設計織造了4種不同結構的三維機織物,包括淺交直聯、層層角聯鎖、接結緯接結和接結緯接結+襯緯紗結構,并分別將其制備成復合材料,對三維機織復合材料的拉伸性能和剪切性能進行測試,分析了織物結構參數對復合材料的拉伸和剪切性能的影響。本文的研究結論為三維機織復合材料的設計和應用提供了指導。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

碳纖維紗線(T700 12K,纖度 954.3 tex)購于日本東麗公司;環氧樹脂(RTM3266)購于中航復合材料有限責任公司;多綜眼多劍桿織機,自研。纖維和樹脂的基本參數見表1。

表1 實驗材料的基本參數

1.2 實驗方法

1.2.1 三維織物織造

本文設計了4種不同組織結構的碳纖維三維機織結構,包括淺交直聯結構、層層角聯鎖結構、接結緯接結結構和接結緯接結+襯緯紗結構,在多綜眼多劍桿織機上完成織造。三維織物實物照片及沿織物經向的截面結構示意圖如圖1所示,其中:結構示意圖中綠色橢圓點代表緯紗,白色屈曲的紗線代表經紗;白色實線表示觀察切面上的經紗,而虛線則表示交織著的相鄰經紗。上機織造及織物參數見表2,織物的上機圖如圖2所示。

圖1 4種三維織物實物照片和沿經向截面結構示意圖

圖2 4種三維織物的織造上機圖

表2 三維機織物的織物參數

1.2.2 復合材料的制備

實驗采用樹脂傳遞模塑成型工藝(Resin Transfer Molding, RTM)制作復合材料,其工藝過程及原理如圖3所示。首先在預設厚度的模具內放置三維織物,閉合模具并灌注樹脂,然后在常溫條件下固化,制備復合材料。

圖3 RTM工藝過程及原理圖

在成型過程中,固定的模腔深度導致4種三維機織復合材料的厚度一致,復合材料的厚度均為8.30 mm。由于織物平方米質量不同導致復合材料的纖維體積分數(Fiber volume fraction,Vf)有所區別,4種三維復合材料的Vf見表3。

表3 三維機織結構復合材料的纖維體積分數Vf

1.3 測試與表征

1.3.1 復合材料的拉伸性能測試

采用材料實驗機(Instron 5940,美國Instron公司)測試復合材料的經向和緯向性能,測試方法采用ASTM D3039/D3039M-08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials。經向拉伸采用矩形長條試樣,示意圖如圖4(a)所示。由于緯向紗線伸直度高,斷裂失效容易發生在試樣兩端,因此緯向拉伸試樣設計成狗骨形狀,示意圖如圖4(b)所示。實驗時首先調節拉伸夾具的標距,設為150 mm,安裝試驗件,然后連接應變片和數采系統。為了使夾具夾緊試樣,對夾具施加一定的預加張力(緯向拉伸為3 kN,經向拉伸2 kN),拉伸速度設定為2 mm/min。每種結構測試5個樣品。

圖4 復合材料拉伸測試試樣示意圖

1.3.2 復合材料的剪切性能測試

剪切測試采用ASTM D5379/D5379M-12 Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method,測試試樣示意圖和夾具實物照片如圖5所示。實驗時把試樣放置在V型切口剪切夾具內部,將夾具安裝到材料試驗機的壓縮盤上,調節上壓盤靠近夾具的壓桿上,設定測試速度為2 mm/min。根據測試標準,在剪切應變大于5%時,試樣視為破壞,測試終止。每種結構測試5個樣品。

圖5 復合材料剪切測試試樣示意圖及測試設備

1.3.3 試樣編號

測試前對實驗試樣進行系統性地編號,定義4種復合材料的經向拉伸性能(編號“-TJ”)和緯向拉伸性能(編號“-TW”)、剪切性能(編號“-S”),每種結構測試5個試樣,其編號分別是No.1、No.2、No.3、No.4、No.5。4種織物結構(淺交直聯、層層角聯鎖、接結緯接結接、接結緯接結+襯緯紗)的編號分別是01、02、03、04。例如,淺交直連復合材料的經向拉伸5個試樣測試編號分別是01-TJ-No.1、01-TJ-No.2、01-TJ-No.3、01-TJ-No.4、01-TJ-No.5,測試試樣的具體編號見表4。

表4 4種三維復合材料的測試編號

2 結果與討論

2.1 織物結構分析

本文設計織造的4種組織結構中經緯紗的交織規律不同,其中三維織物淺交直聯和層層角聯鎖結構相似,而接結緯接結和接結緯接結+襯緯紗結構更為相似。相對于接結緯接結,接結緯接結+襯緯紗在緯向上又添加了額外的襯緯紗,使得緯紗含量有所增加。三維機織結構在厚度方向上形成多層的經緯紗交織,相比二維機織物,三維機織結構層間性能更佳,作為復合材料增強體結構具有一定的優勢。

織物的交織程度決定了結構的緊密程度,也影響了力學性能的穩定性。紗線交織點越多,形成的織物結構越穩定,紗線自由度小,受到載荷時材料的力學性能越穩定。以淺交直聯結構為例,在織造打緯時,經紗每橫跨兩根緯紗交織形成扣鎖一次,即在1、3、5列緯紗處形成緊密的交織結構,如圖6所示。在織造2和4列緯紗時,經紗只發生上下移動形成梭口用來添加緯紗,而不會施加較大的力鎖緊紗線。同理,對于層層角聯鎖結構,織造每一根緯紗都會交織扣緊一次,使得織物結構變得緊密。定義圖6中1至3列的緯紗隔距為打緯交織寬度T。T越小,紗線交織次數越多,織物結構越緊密;T越大,經紗及緯紗受到的束縛越小,織物結構越疏松。4種結構的打緯交織寬度的統計數據見表5。

圖6 三維機織打緯交織示意圖

表5 三維機織結構的打緯寬度

2.2 結構參數對三維機織復合材料的拉伸性能的影響

2.2.1 經向拉伸性能

三維機織復合材料的經向拉伸應力-應變曲線如圖7所示。由圖7可知:4種復合材料的拉伸應力-應變曲線表現不同,隨著應變增加,淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的拉伸應力-應變呈線性關系,復合材料表現出線彈性的材料屬性;而接結緯接結結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的拉伸應力在應變較小時呈線性增加,但是隨著應變的增大,拉伸應力增長速度減緩,即拉伸模量(應力/應變)呈下降的趨勢。分析經向拉伸離散性,發現:淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的經向拉伸一致性最好,表現為5個試樣的拉伸曲線離散程度小。相反,接結緯接結結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的拉伸離散程度大,即尺寸穩定性不佳,這與織物交織結構有關。

圖7 4種三維機織復合材料的經向拉伸應力-應變曲線

三維機織結構中的經紗由于交織作用,紗線往往呈屈曲的狀態,且紗線的屈曲程度會影響拉伸方向上的力學性能。紗線的屈曲程度(C)可以采用式(1)計算:

(1)

其中:l代表織物中紗線屈曲狀態下的跨距長度,l0代表紗線從織物中提取出來完全伸直的實際長度。

圖8顯示了紗線屈曲形成的紗線交織方式。表6匯總了4種三維復合材料的拉伸性能參數及經紗屈曲情況。從表6可以發現,經紗屈曲會影響復合材料的拉伸模量,接結緯接結+襯緯紗結構的紗線屈曲最高,模量最低。但是拉伸強度與紗線屈曲之間不具有明顯的規律,這可能需要同時考慮經向上的紗線含量。

圖8 紗線屈曲示意圖

已有研究發現,三維機織復合材料的力學性能與纖維體積分數關系很大,經緯向上的紗線含量直接影響復合材料的拉伸性能[17]。為了有效評估經緯向上不同含量的三維機織復合材料的拉伸性能,對復合材料的力學性能進行歸一化處理,即將不同復合材料的拉伸性能統一轉換經向或緯向上Vf為25%的等效拉伸性能。斷裂強度和抗拉模量的歸一化計算為:

(2)

(3)

其中:σ′是纖維體積分數為25%時的強度,MPa;σ為未歸一化轉換前的強度,MPa:E′為纖維體積分數為25%時的模量,GPa;E為未歸一化轉換前的模量,GPa。

圖9為經紗Vf歸一化處理后的4種復合材料拉伸模量、強度與經紗屈曲的關系。由圖7可知,經紗屈曲程度會影響復合材料的拉伸性能,當經紗Vf統一為25%后,經紗屈曲程度越高,三維復合材料經向拉伸性能越差。三維機織結構復合材料的經向拉伸模量和強度整體上呈現相似的規律,大小排序為淺交直聯結構復合材料、層層角聯鎖結構復合材料、接結緯接結結構復合材料、接結緯接結+襯緯紗結構復合材料。當經紗含量相同時,淺交直聯結構復合材料的紗線屈曲最小(C=1.083),拉伸時經紗更容易發揮軸向上的力學優勢,紗線強度利用率高,導致模量和強度達到最佳狀態。接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的經紗屈曲最大(C=1.330),受力時經紗強度利用率低,拉伸性能最差,且離散值最大。淺交直聯結構復合材料的拉伸離散度較小,尺寸穩定性好,這與經紗交織寬度相關。由表6的數據可知,淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的交織寬度最小,分別是2.34 mm和3.26 mm。較小的紗線交織寬度導致在織造打緯時受到的打緯力更大,紗線的交織次數更多,織物結構更緊密,導致復合材料的拉伸離散性更小。相反,接結緯接結接結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的交織寬度較大,分別為6.92 mm和8.55 mm,導致織物結構不夠緊密,拉伸模量和強度離散性大[18]。

圖9 歸一化處理后4種機織結構復合材料的經向拉伸模量和強度(Vf=25%)

圖10為Vf歸一化后,4種機織結構復合材料經向上的拉伸模量衰減情況,衰減速率大小排序為接結緯接結+襯緯紗相近、接結緯接結、層層角聯鎖、淺交直聯,這與經紗的屈曲狀態和經緯紗的交織情況有關。伸直的紗線對拉伸性能的貢獻大于屈曲的紗線[19],紗線屈曲明顯的結構,如接結緯接結+襯緯紗結構復合材料和接結緯接結結構復合材料,無法充分發揮纖維的力學優勢,受拉時屈曲的紗線有伸直的趨勢;當拉伸載荷增加,經紗試圖伸直造成樹脂剪切破壞[20],導致復合材料的失效,從而模量發生明顯的衰減。淺交直聯結構復合材料由于經紗屈曲小,拉伸時紗線伸直變形小,且經緯紗交織結構緊密,失效前拉伸模量一直保持穩定不變。

圖10 4種機織結構復合材料經向拉伸模量隨拉伸應變的變化曲線(Vf=25%)

2.2.2 緯向拉伸性能

三維機織復合材料的緯向拉伸應力-應變曲線如圖11所示。與經向拉伸曲線有所不同,4種復合材料緯向的拉伸應力-應變曲線均呈線性特征,表現出了線彈性的屬性。由于織造時的打緯運動,緯紗在織物中幾乎處于伸直狀態[19],在緯向拉伸時,復合材料主要的變形來自于緯紗的拉伸和伸長,因此拉伸曲線呈線性特征。相比經向拉伸行為,4種結構復合材料的5個試樣的緯向拉伸離散程度較小,拉伸曲線一致性好。其中,淺交直聯結構復合材料的緯向試樣拉伸離散性最小,接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的離散性最大。與經向拉伸行為相似,這主要與織物結構有關。

圖11 4種機織結構復合材料的緯向拉伸應力-應變曲線

表7匯總了復合材料緯向上的拉伸性能,可以發現緯紗的屈曲程度遠遠小于經紗,與經紗的屈曲規律相同,緯紗的屈曲從小到大的順序為:淺交直聯、層層角聯鎖、接結緯接結接、接結緯接結+襯緯紗。拉伸性能同時受到緯紗含量的影響,因此對緯紗含量進行歸一化后,從而對比緯向上的拉伸性能。

表7 4種三維復合材料的緯向拉伸性能參數

圖12為Vf統一為25%后的緯向拉伸模量、強度。由圖12可知:當Vf相同時,4種結構復合材料的緯向上的拉伸模量、強度呈現相似的規律,從大到小的順序為:接結緯接結+襯緯紗結構復合材料、層層角聯鎖結構復合材料、淺交直聯結構復合材料、接結緯接結結構復合材料。與經向拉伸相同,淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖復合材料的緯向拉伸性能依然優于接結緯接結結構復合材料,表明這兩種材料具有結構上的優勢。淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的緯紗屈曲小,且紗線交織寬度小導致交織次數多,織物結構緊密,對緯紗的束縛張力大,緯向拉伸離散小。而接結緯接結結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的經緯紗交織點少,紗線之間束縛少、自由度大,織物結構疏松,導致緯向上的拉伸性能離散性大。

圖12 歸一化處理后4種結構復合材料緯向拉伸模量和強度(Vf=25%)

2.2.3 經向和緯向拉伸性能對比

圖13對比了4種復合材料在經、緯方向上的拉伸性能。由圖13可知,Vf歸一化后,經向上的拉伸模量和強度明顯低于緯向,這是由于緯紗伸直程度高于經紗,受拉時緯紗能承受較大的載荷。經紗由于屈曲大,不利于發揮碳纖維的力學優勢,導致經向上的拉伸模量較低。當拉伸載荷增加時,經紗有從屈曲到伸直的趨勢,但是此過程會導致紗線周圍的樹脂受到擠壓,造成剪切破壞,從而引起整個試樣迅速失效,因此經向上的拉伸強度均低于緯向。

2.3 結構參數對三維機織復合材料剪切性能的影響

本文對4種三維機織復合材料的剪切性能進行分析,剪切應力-應變曲線如圖14所示。由圖14可知,4種復合材料的剪切曲線相似,初始受剪時,復合材料的應力-應變曲線呈線彈性屬性,剪切應力隨著應變的增加呈線性增加;隨著載荷的增加,應力-應變曲線進入非線性階段,剪切應力繼續增大但增長速度下降,即剪切剛度下降,直至強度達到最大后試樣失效。

圖14 4種機織結構復合材料剪切應力-應變曲線

復合材料施加剪切載荷時,當剪切力較小時,材料中的紗線和樹脂同時受力,由于樹脂模量遠低于碳纖維,樹脂首先發生變形。紗線受剪切力后由屈曲狀態伸直,交織處的經緯紗逐漸鎖緊,當載荷持續增大,鎖結處的紗線摩擦力增大直至無法承受載荷,此時交織的紗線發生滑移、抽拔、斷裂。樹脂的斷裂伸長率大,碳纖維斷裂前樹脂還未發生破壞,但是樹脂強度遠低于碳纖維,碳纖維斷裂后樹脂迅速破壞,最后整個復合材料試樣失效[21]。

圖15顯示了4種復合材料的剪切性能及離散情況。由圖15可知,Vf相同時,淺交直聯結構復合材料的剪切模量最大,接結緯接結結構復合材料的剪切模量最小,而剪切強度幾乎呈相反的規律。淺交直聯結構復合材料的結構緊密,受剪切時復合材料不易發生變形,剪切模量最大,但這導致在紗線交織處容易形成應力集中,試樣失效早[22],剪切強度小。接結緯接結結構復合材料由于經緯紗的交織少、結構疏松,受剪切時結構容易發生變形,剪切模量小,但是疏松的結構不易形成應力集中,剪切失效發生晚,因此剪切強度最大。

圖15 歸一化處理后4種復合材料剪切模量和強度(Vf=25%)

與拉伸性能相似,接結緯接結結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料的剪切離散值最大,尺寸穩定性最差,而淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的剪切離散性最小,這與織物結構中是紗線交織情況有關。接結緯接結結構復合材料和接結緯接結+襯緯紗結構復合材料中紗線交織寬度大,交織點少,紗線自由度大,受剪切時材料的失效位置具有較大的不確定性,離散度大;而淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖復合材料的結構交織較為緊密、穩定,受剪切時離散性最小。

3 結 論

為了研究三維機織結構參數與復合材料力學性能之間的關系,本文設計制備了4種不同結構的三維機織復合材料,測試分析了復合材料的拉伸性能(經向和緯向)和剪切性能,所得主要結論如下:

a)纖維體積分數、紗線屈曲和紗線交織程度決定了三維復合材料的拉伸和剪切性能。Vf相同時,紗線屈曲導致拉伸性能下降,而交織結構緊密會改善拉伸性能和離散性。

b)經向拉伸時,4種結構復合材料的拉伸響應和曲線離散性不同,但拉伸模量和強度呈現相同的規律,大小排序為淺交直聯結構復合材料、層層角聯鎖結構復合材料、接結緯接結結構復合材料、接結緯接結+襯緯紗結構復合材料。緯向拉伸時,4種結構復合材料的拉伸應力-應變曲線呈線彈性,且離散值小,這與緯紗屈曲小有關,同時緯向上的拉伸性能遠遠優于經向。不管是經向還是緯向上,淺交直聯結構復合材料和層層角聯鎖結構復合材料的拉伸性能和離散性較小,而接結緯接結結構復合材料的拉伸性能最差,說明此結構不具有優勢。

c)4種復合材料的剪切應力-應變曲線呈非線性的特征?？椢镏薪浘暭喌慕豢椊Y構決定了剪切性能及離散性,其中淺交直聯復合材料的結構緊密,剪切模量最大,接結緯接結復合材料的結構疏松,剪切模量最小,而剪切強度幾乎呈相反的規律。

此研究明確了結構參數對三維機織復合材料的拉伸性能和剪切性能的影響,對三維織物的結構設計和力學性能優化有一定的指導作用,為將來三維機織復合材料的工程化應用提供借鑒和參考。