三维编织结构参数对复合材料拉伸性能的影响.pdf 5页

2014年第7期玻璃钢／复合材料69三维编织结构参数对复合材料拉伸性能的影响李苏红，刘丽芳，阎建华外，俞建勇(1．东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620；2．东华大学纺织学院，上海201620；3．东华大学研究院，上海201620)摘要：通过7组实验比较和分析研究，评价了编织结构参数(如编织角，纤维体积分数，轴向纱数与编织纱数之比，三维四向／五向，厚度)对复合材料拉伸性能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果表明，三维编织复合材料具有良好的力学性能，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响；复合材料有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维束拉断，后者为主要破坏模式。这些结果为三维编织复合材料的设计提供了依据。关键词：三维编织；复合材料；破坏模式；拉伸性能；结构参数中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)07—0069—05l引言2实验编织结构复合材料是三维编织技术和现代复合2．1材料材料技术相结合的产物。它具有非常显著的性能，采用的纤维是TORAYCA@的T700S．12K碳纤如整体性好，较高的比强度、比刚度，抗冲击韧性和维，密度为1．80cm，树脂为JC-02A环氧树脂，固化剂为JC-O2B改性酸酐。抗疲劳性好，能制造各种复杂的近净型预制件，具有2．2制作工艺优良的可设计性等。所以三维编织结构复合材料得2．2．1三维编织工艺到了越来越广泛地关注。近些年，国内外对三维编三维编织过程在三维编织机上完成，编织工艺织复合材料的力学性能进行了一系列研究，但为四步法1×1。实验中，在三维编织机上织造了两是由于三维编织复合材料的力学性能的影响因素较大类织物结构，分别为三维四向编织结构(包括不同多，如编织角、纤维体积分数、轴向纱数与编织纱数的编织角、不同的厚度、不同的纤维体积分数)和三的比、厚度等，而相关的实验研究还不充分，尤其是维五向编织结构(不同的轴向纱数与编织纱数比厚度对编织复合材料力学性能的影响。本文较全面例)。地对具有不同编织结构参数的三维编织复合材料，2．2．2复合材料固化工艺包括三维四向和三维五向，在纵向进行了拉伸实验，采用VARTM(VacuumAssistedResinTransfer探讨了该类材料的刚度、强度随编织结构参数(如编Molding)工艺，即真空树脂传递模塑工艺制备复合材料。首先将JC-02A环氧树脂与JC-02B改性酸酐织角，纤维体积分数，轴向纱数与编织纱数之比，三按质量比100：85进行混合，在一定的压强条件下将维四向，三维五向，厚度等)的变化规律及试件的失配好的树脂吸入模具内浸润预制件；最后将复合材效形式，分析了三维编织结构参数对复合材料拉伸料放置在一定温度下进行完全固化。力学性能的影响，从而丰富了三维编织复合材料的2．3物理性能力学性能数据库，并提供了三维编织复合材料设计2．3．1编织角的依据。三维编织预制件的表面状态如图1所示_1。收稿日期：2013-O9-22基金项目：上海市科委《上海市科技成果转化和产业化项目》(12521102400)作者简介：李苏红(1989-)，女，在读硕士研究生，主要从事三维编织复合材料方面的研究。通讯作者：阎建华(1956一)，男，研究员，博士，主要从事三维编织复合材料制备技术开发及力学性能研究，jh_yan@dhu．edu．CYI。|／(·1 70三维编织结构参数对复合材料拉伸性能的影响2014年7月式中，G为预制件的干重；p为纤维束的密度；、和分别为复合材料的宽度、厚度和长度。2．4拉伸测试2．4．1试样制作根据GB／T1447-2005{纤维增强塑料拉伸性能试验方法》以及ASTMD3039／D3039M-07《Stand—ardTestMethodforTensilePropertiesofPolymerMatrixCompositeMaterials}，试片的形状和尺寸如图2所示。试件的两端均粘贴厚度为1mm的铝片，以消除试验机夹头对试件夹持端纤维的损坏。所测试件实际外形尺寸为测量工作段内任意5点的宽度和厚度，取其算术平均值。复合材料试片具体的编号和图1三维编织预制件的表面状态参数见表1。Fig．1Surfaceof3Dbraidedpreforms本文中的编织角指的是表面编织角。在编织过程中，编织角的测量误差较大，但花节长度的测量较准确且可在线及时调整。而编织角与预制件宽度、纱线排列和花节长度相关，所以可以根据其之间的关系¨钊(式(1))计算出每件试样的编织角，如表1所示。图2三维编织复合材料试件的结构和尺寸tan：(1)Fig．2Geometryanddimensionsofthe3D式中，为编织角；W为预制件的宽度；为沿宽braidedcompositesspecimens度方向主体纱的数量；h为花节长度。2．4．2测试过程表1复合材料试片的结构参数拉伸仪器采用MTS810．100KN试验机。夹头拉Table1Thestructureparametersofcompositesspecimens伸速度为2mm／min，拉伸性能测试的主要参数有拉伸断裂力、拉伸弹性模量和拉伸断裂强度。拉伸强度通过载荷峰值和试样的截面积来计算。3结果与讨论3．1拉伸破坏模式图3至图5为三维编织复合材料拉伸破坏模式图。在纵向拉伸实验的过程中，可以看到复合材料表面很薄的树脂层首先产生裂纹，然后裂纹逐渐增生扩散，并最终在很短的时间内产生断裂，如图3所2．3．2纤维体积分数示。纤维束断裂后，从树脂基体中抽拔出，可以观察本实验采用称重法计算纤维体积分数。固化前出断裂的纤维束仍保持圆柱状，如图4所示，断口处称出预制件的干重G，固化后测量复合材料的尺寸，纤维束之间的树脂出现粉碎性破坏。另外，拉伸测碳纤维束的密度为已知(1．80g／cm。)，所以可以根试中，当载荷达到一定值时，试件开始发出轻微的响据公式(2)计算出每件试样的纤维体积分数，如声，随着载荷的增加，材料突然发生断裂，断口基本表1所示。上为平断口，如图5所示，断口处纤维被拉断。这说(2)明纤维束不是逐步被拉断的，而是几乎同时被拉断。"’J蕊_ 72三维编织结构参数对复合材料拉伸性能的影响2014年7月由表2可以看出，不同种类试件的拉伸模量和由4组和5组可以看出，在编织角较小且相等拉伸强度的变化趋势相同。拉伸模量的变化范围为和厚度相同等情况下，随着纤维体积分数的增加，拉19～51GPa，拉伸强度的变化范围为393～777MPa。伸断裂力增加，拉伸模量和拉伸强度也增加。相同通过三维编织复合材料的编织结构参数等的改变，体积的复合材料受拉时，纤维体积分数越大，能承受可以使其力学性能随之改变，从而满足设计的要求载荷的纤维束越多，而三维编织复合材料的拉伸破和工程的需要。坏模式主要为纤维束的断裂，从而提高了复合材料由1组和2组可见，在纤维体积分数和厚度等的拉伸力学性能。相同的情况下，随着纤维编织角的增大，拉伸断裂力由2组和6组可见，在厚度和编织角等相同的减小，拉伸模量和拉伸强度也减小。这是因为编织情况下，三维五向编织复合材料拉伸断裂力、拉伸模角越大，编织纱与受力轴向之间的夹角越大，试件在量以及拉伸强度均比三维四向的高，而且可以看出，轴向所能承受的分力就越小，在横向所能承受的分三维五向的拉伸模量和强度比三维四向的高很多，力就越大，所以试件在轴向所能承受的载荷就降低，尽管6组的纤维体积分数略低于2组。试件内部第导致其拉伸力学性能降低。在编织角较小的复合材五向纱线的加入，使得试件在轴向的承载能力增强，料受拉过程中，大多数纤维处于近似纯受拉状态，故从而提高其轴向拉伸断裂力、拉伸模量和拉伸强度。能有效地发挥纤维的协同抗拉性能，这有利于提高由6组和7组可见，在编织角和纤维体积分数拉伸力学性能。另外可以看出，编织角是编织结构等相同的情况下，随着轴向纱数与编织纱数比例的参数中的一个重要指标，编织角的改变对三维编织增加，拉伸断裂力增加，拉伸模量和拉伸强度也增复合材料的力学性能影响很大，从而通过改变编织加。试件内部轴向纱数与编织纱数的比例越大，表角可以有效地改变三维编织复合材料力学性能。明试件在轴向的承载能力越强，使得三维编织复合材料的拉伸断裂力、拉伸模量和拉伸强度也越高。由3组和4组可见，在编织角和纤维体积分数等相同的情况下，随着复合材料厚度的增加，拉伸断裂力增加，而拉伸模量和拉伸强度都降低。这是因4结论为三维编织复合材料是皮芯结构，如图8所示，厚度三维编织复合材料是性能良好的复合材料。选择合理的编织工艺参数会提高编织复合材料的性越大，复合材料的内部区域所占的比例越大，外部区能，包括纵向拉伸性能。在进行实验的过程中，三维域所占的比例随之减小，而三维编织复合材料的外编织复合材料的拉伸性能具有以下几个特征：部区域的刚度和强度比内部区域大，从而厚度越大，(1)三维编织的拉伸破坏模式有两种，一种是三维编织复合材料的整体拉伸模量和强度随之降裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维拉断，后者为主要低。显然，当复合材料的截面尺寸大到一定程度时，破坏模式；外部区域所占的百分比就越小，从而外部区域对其(2)三维编织复合材料的拉伸模量和拉伸强度力学性能的贡献相对较小，此时外部区域对三维编均随编织角的减小而增大，随复合材料的厚度的降织复合材料力学性能的影响可以忽略不计。低而增大，随纤维体积数的增加而增大，随轴向纱数口Interiorregion与编织纱数比例的增大而增大。这样就可以根据需田Sttrfaceregion要，改变相应的三维编织复合材料结构参数。参考文献[1]ChenL，TaoxM，ChoyCL．Onthemicrostructureofthree．dimen—sionalbraidedpreforms[J]．CompositesScienceandTechnology，图8三维四向编织预制件的内区域、1999，59(3)：391-404．表区域和角区域的示意图[2]MaCL，YangJM，ChouTW．Elasticstiffnessofthree—dimensionalbraidedtextilestructurecomposites．In：CompositeMaterials：TesFig．8Schematicillustrationoftheinterior，surfaceandringandDesign[J]．ASTM893，1986：404-421．colTlerofa3Dfour—directionalbraidedpreform[3]YangJM，MaCL，ChouTw．Fiberinclinationm0de1ofthree．di．ERP／EM20~4N6i7 2014年第7期玻璃钢／复合材料73mensionaltextilestructuralcomposites[J]．JournalofCompositealConferenceonCompositeMaterials，1997．317-327．Materials，1986，20(5)：472484．[11]ZengT，WuL，GuoL．Mechanicalanalysisof3Dbraidedcompos-[4]WuDL．Three—cellmodeland5-Dbraidedstructuralcompositesires：afiniteelementmodel[J]．CompositestIuctures，2004，64[J]．CompositesScienceandTechnology，1996，56(3)：(3)：399404．225-233．[12]吴涛，曹海建，钱坤，罗冰融．新型三维多层管状编织复合材[5]王迎娜，王玉林，蒋云．三维编织复合材料有效模量的计算料的制备及压缩性能研究[J]．玻璃钢／复合材料，2012，(5)：[J]．玻璃钢／复合材料，2003，(6)：3-5．18_21．[6]卢子兴，刘子仙．三维五向编织复合材料的弹性性能[J]．北京[13]ChenL，TaoXM，ChoyCL．Mechanicalanalysisof3-Dbraided航空航天大学学报，2006，32(4)：455460．compositesbythefinitemuhiphaseelementmethod[J]．Compos—[7]庞宝君，杜善义，韩杰才．三维四向编织复合材料细观组织及itesScienceandTechnology，1999，59(16)：2383-2391．分析模型[J]．复合材料学报，1999，16(3)：135．139．[14]XuK，XuX．Onthemicrostructuremodeloffour—step3Drectan—[8]焦亚男，李嘉禄，董孚允．纺织结构复合材料的破坏机理[J]．gularbraidedcomposites[J]．ActaMateriaeCompositaeSinica玻璃钢／复合材料，2003，(1)：7．10．2006，23(5)：154—160．[9]杨朝坤．编织结构复合材料力学性能的测试与分析[J]．玻璃[15]陈利，李嘉禄，李学明，邱冠雄．三维方型编织预制件的纱线钢／复合材料，2002，(3)：11．14．编织结构[J]．复合材料学报，2000，17(3)：1-5．[10]ChenL，TaoXM，ChoyCL．Astudyonthemicrostruetureof[16]周清，焦亚男，李嘉禄．三维编织预制件的工艺参数设计[J]．three—dimensionalbraids[C]．ProceedingsofEleventhInternation．天津工业大学学报，2004，13(1)：15—17．INFLUENCEOF3DBRAIDINGSTRUCTUREPARAMETERSONTENSILEPROPRETIESOFCOMPoSITESLISu-hong，LIULi—fang，YANJian．hua，YUJian—yong，(1．KeyLabofTextileScience&Technology，MinistryofEducation，Shanghai201620，China；2．CollegeofTextiles，Shanghai201620，China；3．ResearchInstituteofDonghuaUniversity，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)Abstract：Inthispaper，basedonsevenexperimentalcomparisonsandanalyses，theinfluencesofthreedimen—sionalbraidingstructureparameters(suchasbraidingangle，fibrevolumefraction，thenumberofaxialyarnstothenumberofbraidingyarnsratio，3Dfour-directional／five—directional，thickness)ontensilepropertiesofcompositesareevaluated，andthefailuremodeofcompositesisstudied．Theresultsshowthatthe3Dbraidedcompositeshavegoodtensileperformance，andtheyarnbraidingangle，compositessize，fibrevolumefractionandthenumberofax．ialyamstothenumberofbraidingyarnsratioareimportantfactorstotheimprovementofproperties．Moreover，compositeshavetwokindsoffailuremodes：oneisthecrackpropagationalongthefibrebundlesanotherisbundle，fracture．And．thelatteristhemainfailuremode．Theseresultsprovideabasisforthedesignof3Dbraidedeom．posites．Keywords：3Dbraiding；composites；failuremode；tensileproperties；structureparametersc|2014~No．7