三维编织复合材料力学性能的实验研究_杨朝坤

1、三维编织复合材料力学性能的实验研究R esearch of M echanical Properties of 3D Braided Composite M aterials杨朝坤(天津工业大学复合材料研究所, 天津300160YANG Chao -kun (T ianjin Polytechnic U niversity , T ianjin 300160, 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

2、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; 测试中图分类号:T B332; T S184. 119; V 258. 3文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2002 07-0033-03Abstract :T he stretching , co mpression and bending ex perim ents hav e been do ne for the 4-step 3D braided co mpo sites. T he principal mechanical properties and destruction r

3、ule of 3D braided com pos-ites ar e obtained. T he results of these ex periments show that the 3D braided composites have g ood m echanical pr operties, and the braiding process and the braiding str uctures have a great influence on them. T hese results can pr ovide an ex perimental basis for furthe

4、r studies o n the failure problems of braided co mpo sites .Key words :3D braiding ; com po site mater ials ; m echanical pro perties ; 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RT M 技术的结合, 使得其

5、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20世纪80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。M a 等1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2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

6、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。Li 等3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。Wu 5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。Wang 等6研究了预成型中部胞体、表面胞体和边角胞体。M ohajerjasbi 7进一步发展了该模型, 并进行了试验验证。李嘉禄8和孙慧玉9, 10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

7、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。1试验1. 1试样准备纤维:1200Tex 无捻玻璃纤维(南方玻璃纤维制造公司生产 , 密度2. 54g /cm 3。树脂:TDE -85环氧树脂(天津津东化工厂生产 , 促进剂为苯胺, 固化剂为70#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RT M

8、 (树脂传递模塑 工艺, 33三维编织复合材料力学性能的实验研究口真空度约为0. 1MPa , 反应时间为1302h , 1501h, 1601h, 1803h 。1. 2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:20m m 8mm 250mm (b h F (GB1447-83 , 加载速度为5mm /min; 压缩试样的名义尺寸为:8mm 10mm 35m m (b h H (GB1448-83 , 加载速度为2mm /min; 三点弯曲试样的名义尺寸为:15m m 8mm 200mm (b h L (GB1449-83 , 加载

9、速度为10m m/m in 。测试机采用日本岛津A G-250KNE 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:232, 相对湿度为:505%。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 t 按下式计算:E t =L 0$pb h $L(1其中:E t 为拉伸弹性模量(GPa , $p 为载荷-变形曲线上初始直线段上的载荷增量(kN , $L 为与载荷增量$L 对应的标距L 0内的变形增量(m m , b 为试样宽度(mm , 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

10、f 可从下式算出:E f =34b h $f(2其中:l 为支座跨距(m m , $p 为载荷-挠度曲线上初始直线段的载荷增量(GPa , $f 为与载荷增量$p 对应的跨距中点处的挠度增量(m m , b 为试样宽度(mm , h 为试样厚度(m m 。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

11、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, 表1编织复合材料拉伸性能的部分测试结果T able 1T he testing r esults o f tensile pr oper ties of br aided compo sites编号弹性模量/GPa 断裂强度/M Pa 断裂应变/%纤维体积含量/%编织角/( A118. 564580. 5741. 224. 2A26. 512661. 3243. 138. 1A37.

12、 563001. 1946. 437. 2A 45. 592212. 5048. 546. 4A 58. 433361. 1151. 837. 0A 67. 323381. 2352. 237. 4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T able 2T he t est ing r esults of compr essive pro per ties o f braided co mposites编号弹性模量/GPa 压缩强度/M Pa 破坏应变/%纤维体积含量/%编织角/( B16. 0699. 134. 4256. 330. 3B25. 8

13、498. 374. 2757. 133. 1B35. 3796. 234. 1356. 735. 2B44. 6693. 163. 6955. 437. 6B54. 1789. 893. 4454. 739. 2B63. 2586. 413. 2155. 041. 7表3编织复合材料弯曲性能的部分测试结果T able 3T he testing results of bendingpr oper ties of br aided compo sites编号弯曲模量/GPa 弯曲强度/M Pa 极限应变/%纤维体积含量/%编织角/( C116. 913362. 2141. 2128. 1C218

14、. 462871. 9545. 3630. 2C319. 682961. 7348. 8036. 8C420. 172761. 6153. 1838. 5C522. 362631. 4858. 2742. 3C632. 102541. 3362. 2242. 7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(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34材料工

15、程/2002年7期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。这可能是由于在小编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

16、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1拉伸模量随纤维体积含量的变化Fig . 1Variation of tens ile modulus w ith fiber volume fraction拉伸强度随纤维体积含量的变化Fig. 2Variation of tens ile s tr ength w ith fiber volume fraction从图4拉伸应力-应变曲线中可以看出编织角越小, 其应力-应变曲线越接近于线性; 而编织角越大, 应力-应变曲线越表现出非线性。同时随着编织

17、角的 逐渐增大, 编织复合材料的破坏从脆性破坏转向延性图3弹性模量随编织角的变化关系Fig. 3Variation of elas tic m odulus w ith braiding an gle图4拉伸应力-应变曲线Fig. 4Th e tens ile stress -strain curve图5拉伸断裂应变随编织角的变化Fig. 5Var iation of rupture tensilestain w ith braiding an gle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 c =(1-tg 2H E f +tg 2H E m(3式中, E c 、E f 和E m 分别为编织复合材料、增强纤维和基体材料的拉伸断