三维编织复合材料力学性能的实验研究

三维编织复合材料力学性能的实验研究 三维编织复合材料力学性能的实验研究33三维编织复合材料力学性能的实验研究Research ofM echanicalProperties of3D BraidedCom positeM aterials杨朝坤(天津工业大学复合材料研究所，天津300160)YANG Chaokun(Tianjin PolytechnicUniversity，Tianjin300160，China)摘要对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律。 实验结果表明三维编织复合材料具有良好的力学性能而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响。 这些结果为进一步研究复合材料的强度失效问题奠定了实验基础。 关键词三维编织；复合材料；力学性能；测试TB332；TS18,1119；V2583A10014381 (xx)O7003303Abstract Thestretching， pressionand bendingexperim entshave beendone forthe4-step3D braided positesThe principalmechanical propertiesand destructionrule of3D braided posites areobtainedThe results of theseexperiments showthat the3D braided positeshave goodm echanicalproperties，and thebraiding processand thebraiding structureshave agreat influenceon themThese resultscan providean experimentalbasis forfurther studieson thefailure problemsof braidedpositesKey words3D braiding；posite materials；m echanicalproperties；testing三维编织复合材料的一个突出特点是提高了沿厚度方向的力学性能。 与传统的层板复合材料不同，三维编织复合材料由于具有多向纤维束构成空间互锁网状结构，从根本上克服了分层现象，并具有较好的抗冲击韧性能和抗疲劳特性能。 另外，三维编织复合材料能够直接成型许多具有复杂形状的结构，特别是与RTM技术的结合，使得其在降低制造成本上具有潜在的优势。 由此引起了研究者们的极大关注，并逐渐应用于航空航天、民用建筑、体育器材等领域。 自2O世纪8O年代以来国内外对三维编织结构复合材料已经进行了。 大量的研究工作，对编织工艺参数、结构参数和力学性能之间的关系，提出了一些几何模型及相应的数学模型。 Ma等Ll提出了“纤维互锁胞体模型”，在平行六面体的单元胞体内，将沿四个对角线方向排列的纤维束当作“复合材料杆”来处理，利用应变能原理得到简化的三维复合材料杆系结构力学模型。 Yang等j建立了“纤维倾斜模型”，利用修正的层合理论，假定同一层胞体中平行于同一对角线方向的纤维束集合形成一倾斜的单向层板，进而将单元胞体简化为4块倾斜的单向层板叠加而成的层板模型。 Ii等L3实验研究了预成型的细观结构。 Du等4研究了胞体的几何特征和挤压条件。 Wut53提出了“三细胞模型”并认为各胞体按体积分数所占不同比例来进行刚度矩阵的叠和。 W ang等L6研究了预成型中纤维束结构的拓扑性，提出了3种基本单元胞体内部胞体、表面胞体和边角胞体。 Mohajerjasbi进一步发展了该模型，并进行了试验验证。 李嘉禄Lg和孙慧玉L9。 叫等也对三维编织复合材料进行了试验研究。 拉伸性能、压缩性能和弯曲性能的测试是复合材料常规性能的测试内容。 尽管国内外已发表了一些三维编织复合材料力学性能方面的文献，但由于三维复合材料力学性能受多种因素的影响这方面的实验研究仍然不是很充分，还需进行大量的试验来研究它们的变形和破坏规律，为深入描述编织复合材料的力学行为奠定实验数据基础。 本工作对四步法三维编织复合材料进行了拉伸、压缩和弯曲等实验研究，获得了该材料的主要力学性能参数及破坏规律，得到了一些重要结论。 这些结果为进一步研究复合材料的强度失效问题提供了实验基础。 l试验J1试样准备纤维12OOTex无捻玻璃纤维(南方玻璃纤维制造公司生产)，密度254gcm。 树脂TDE一85环氧树脂(天津津东化工厂生产)，促进剂为苯胺，固化剂为7O酸酐。 三者的用量配比为1001001。 本实验的预制件采用四步法三维四向11编织结构。 采用RTM(树脂传递模塑)工艺复合固化成型。 模具的入口压力为01o2mpa，出34材料工程xx年7期口真空度约为01mpa，反应时间为13o c2h，1jo c1h，160clh，180c3h。 12试件形状和尺寸及测试条件本试验参照玻璃纤维增强塑料试验标准，均采用矩形试片，拉伸试样的名义尺寸为20mm8mm250mm(6hF)(GB144783)，加载速度为5r ammin；压缩试样的名义尺寸为8mm10mm35mm(6hH)(GB144883)，加载速度为2mmmin；三点弯曲试样的名义尺寸为15r am8mm200mm(6h)(GB144983)，加载速度为10mmmin。 测试机采用日本岛津AG一25OKNE材料试验机，它是集拉、压、弯等力学性能测试为一体的综合试验机。 测试在恒温恒湿条件下进行，即温度为232C，相对湿度为50-+-595。 2测试及结果分析弹性模量为材料在比例极限内的应力与应变之比。 拉伸模量E，按下式计算E，一其中E，为拉伸弹性模量(GPa)，6p为载荷一变形曲线上初始直线段上的载荷增量(kN)，L为与载荷增量对应的标距L。 内的变形增量(mm)，b为试样宽度(r am)，h为试样厚度(mm)。 压缩弹性模量的计算与拉伸模量的计算类似。 弯曲弹性模量E，可从下式算出E一其中，为支座跨距(r am)，Xp为载荷一挠度曲线上初始直线段的载荷增量(GPa)，为与载荷增量户对应的跨距中点处的挠度增量(r am)，b为试样宽度(r am)，h为试样厚度(r am)。 测试数据见表 1、表2和表3。 为方便测量，编织角定义为予型件表面纤维束的纹路与编织轴向的夹角。 从表1可以看出，材料A1和A4的弹性模量和强度受编织角的影响显著，而受纤维体积含量的影响不显著。 其余的材料在保持编织角基本不变的情况下，它们的弹性模量和强度随纤维体积含量的逐渐增加而缓慢增加，但没有编织角的影响显著。 即在纤维体积含量一定的情况下，编织角越小，编织复合材料的拉伸强度和模量越高。 究其原因，可能是由于在编织角较小的复合材料中大多数纤维都处于近似纯受拉状态，故能有效地发挥纤维的协同抗拉性能。 另外，在编织角较小的复合材料受拉过程当中，纤维和基体的界面可相对较长时间地保持其完整表1编织复合材料拉伸性能的部分测试结果Table1The testingresults oftensile properties of braided posites弹性模量断裂强度断裂应变纤维体积含量编织角编号GPM P(。 )A ll8j6458057412242A26jl266132431381A375630011946437!A4j5922l25048j464Aj84333611l518370A6732338123522374注每组数据均为5个试样测试结果的平均值(下同)表2编织复合材料压缩性能的部分测试结果Table2The testingresults of pressivepropertiesofbraided posites弹性模量压缩强度破坏应变纤维体积含量编织角编号GPaMPa(。 )Bl6069913442563303B2j849837427j71331B3j379623413j673j2B446693163695j376B54178989344517392B6325864l32l55O417表3编织复合材料弯曲性能的部分测试结果Table3The testingresults ofbending propertiesofbraidedposites弯曲模量弯曲强度极限应变纤维体积含量编织角编号GPM P(。 )C ll69l33622l412l281C2l84628719j45363O2C3l968296173488O368C42O1727616l j318385C522362631485827423C632102j41336222427性，这有利于拉伸模量和拉伸强度的提高。 而在编织角较大的复合材料受拉过程当中，由于泊松效应引起的横向拉伸变形，使纤维束相互挤压变形而破坏界面，引起基体开裂或纤维脱粘，导致拉伸模量和强度的降低。 纤维束在挤紧状态下，编织角一般不会超过45。 (I临界值)，因此，编织角的增加是有限的。 图1和图2分别表示拉伸模量和拉伸强度随纤维体积百分含量的变化趋势。 从图中可以看出，拉伸三维编织复合材料力学性能的实验研究模量随着纤维体积含量的增加而变大。 但是，纤维体积含量不会无限增大，它会有个阀点，因此拉伸模量和拉伸强度也会分别存在一个上限值。 三维编织结构复合材料的最大纤维体积含量与主体纱线数、编织角、复合材料的最终尺寸、纱线挤压度以及纱线填充系数等因素有关。 从表2可以看出，在纤维体积含量保持一定的情况下，压缩模量和压缩强度随着表面编织角的增大而减小。 这可能是由于在织角时纤维协同承担压缩载荷的缘故，另外，编织复合材料受纵向压缩过程中，在其中段的某个区域内会发生横向拉伸应变而产生永久变形。 并最终导致试件突然发生鼓型或松散型破坏。 图3显示弹性模量随编织角的变化情况。 表3显示出弯曲模量和弯曲强度会随纤维体积含量及表面编织角的增加而增加，类似地弯曲模量和弯曲强度会随着纤维体积含量及编织角的逐渐接近上限而趋于极限值。 图l拉伸模量随纤维体积含量的变化Fig1Variation oftensile modulus withfiber volumefraction二-3纤维体f含拉伸强度随纤维体积含量的变化Fig2Variation oftensile strengthw ithfiber volumefraction从图4拉伸应力一应变曲线中可以看出编织角越小，其应力一应变曲线越接近于线性；而编织角越大，应力一应变曲线越表现出非线性。 同时随着编织角的逐渐增大，编织复合材料的破坏从脆性破坏转向延性破坏。 编纵角(。 )图3弹性模量随编织角的变化关系Fig3Variation ofelastic moduluswith braiding angle蔓图4拉仲应力一应变曲线Fig4The tensilestressstrain curve编纵角(。 )图5拉仲断裂应变随编织角的变化Fig5Variation ofrupture tensilestain withbraidingangle四向编织复合材料轴向拉伸断裂应变是一个重要的力学参数，它与编织角、基体以及增强纤维的断裂应变有关。 拉伸断裂应变随编织角的增加而增加。 图5中对实验点的拟合曲线方程为e一(1一tg0)el+tg (3)式中，c、f和e分别为编织复合材料、增强纤维和基体材料的拉伸断裂应变。 (下转第39页)新型抗烧蚀酚醛树脂的研究393结论图3fp比对复合材料烧蚀形貌的影响fig3the influenceof fp ratioon ablationmorphological appearanceof theposite以具有适当的甲醛(f)苯酚(p)比，采用复合催化剂可以得到邻对位羟甲基的比例(op)适当的酚醛树脂预聚体。 适当控制该酚醛树脂中邻对位交联程度可以优化炭化过程中苯醌式结构中间体稠环化历程，从而适当调整酚醛树脂的交联密度，使炭化过程稳定，高温下易于石墨化，提高其抗烧蚀性能。 FP比在16和18时，纯酚醛树脂的炭化率与玻璃纤维酚醛树脂复合材料的质量烧蚀率变化较小，烧蚀形貌显著改善，是比较理想的配料比。 1E2334637参考文献Savage GCarboncarbon positeMEngland ChapmanHal11993华幼卿等高分子材料科学与工程1990 (5)37G PShulmanJ ApplPolym Sci1996 (10)619675田中泶治燃料燃J19875O (4)241魏化震等工程塑料应用200028 (5)4中国冶金工业部统编炭一石墨制品生产M北京冶金工业出版社198624O一241殷荣忠主编酚醛树脂及其应用M北京化工出版社1990xx01-04作者简介魏化震(1964-)男山东大学博士研究生兵器工业第五三研究所高级工程师研究方向热防护材料应用研究。 联系地址山东济南108信箱 (250031)。 (上接第35页)3结论 (1)在表面编织角一定的前提下，拉伸模量随着纤维体积含量的增加而变大；拉伸断裂应变随编织角的增加而增加； (2)在纤维体积含量一定的情况下，编织角越大，编织复合材料的拉伸模量和压缩模量越小； (3)编织角越小，拉伸应力一应变曲线越接近于线性；而编织角越大，其应力一应变越表现出非线性； (4)弯曲模量和弯曲强度会随纤维体积含量及表面编织角的增加而增加，但会随着纤维体积含量及表面编织角的逐渐达到上限而趋于极限值。 参考文献123345678391O11M aC LYang JMChou TWElastic stiffnessof threedimensional braidedtextile structural positesAInWhitney JMedComposite M aterialsTesting andDesignASTM SIP893CPhiladephiaAmerican Societyfor Testingand MaterialS19864O4421Yang JMMaC LChou TWFiber inclinationmodel of threedimensional textilestracture positesJJournal ofComposite Materials19862O (5)472484Li WH ammad MElShiekh AStructural analysisof3-D braidedperforms forpositesPart Ithe fourstep performsJJournal ofTextile Institute199081 (4)491Du GWKo FKU nitecell geometryof3-D braidedstructuresJJournal ofReinforced Plasticsand Composites199312 (7)7j2768W uD LThreecell modeland5-d