单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能 61页

由扫描全能王扫描创建 学校代码：10255学号：2160217东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能RESEARCHONTHEPREPARATIONPROCESSANDSHEARPROPERTIESOFUNIDIRECTIONALBRAIDEDSYMMETRICLAMINATEDCOMPOSITES学科专业：纺织工程学生姓名：王楠楠指导老师：阎建华完成日期：2018年5月 由扫描全能王扫描创建 由扫描全能王扫描创建 由扫描全能王扫描创建 东华大学硕士学位论文摘要单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能摘要本论文研究了单向编织对称铺层复合材料和传统二维编织对称铺层复合材料的制备工艺及其层间剪切性能。在分析传统单向布层合复合材料和二维编织铺层复合材料各自优缺点的基础上，以单向编织对称铺层复合材料为主要研究对象，对编织复合材料的结构和部分制备工艺进行了改进设计。采用了实验研究方法，研究了编织过程中结构的规律性变化，以及单向编织对称铺层复合材料在三点弯剪切实验条件下的剪切性能及破坏模式。目前，单向编织只有极个别大的国外航空公司在开发，是一种新的编织复合材料结构，这种新结构在国内外还缺乏基础性的研究，几乎没有报道。纤维屈曲程度降低，复合材料的面内力学性能提高，但其对层间剪切性能的影响有待探究，因为铺层复合材料在外力下很容易产生分层破坏，导致材料过早失效，因此层间剪切性能的研究是必不可少的。二维编织铺层复合材料与传统单向布铺层复合材料相比，二维编织适合制备复杂形状的管件与杆件，而单向布铺层方法对这类零件很难制备，对于这类杆件，二维编织复合材料显现出较强的结构整体性，纤维连续，均匀分布，且工艺简单可量产，受到广泛应用。但二维编织铺层复合材料中的纤维在交织点存在屈曲，据理论和经验分析，材料受到外力时，降低了材料面内力学性能。本课题以研究和评价单向I 东华大学硕士学位论文摘要编织对称铺层复合材料的结构和层间剪切性能为目标，针对二维编织铺层复合材料中由于纤维交织存在起伏屈曲的缺陷，采用单向编织结构来改进，这种结构采用一个方向的纱线为碳纤维，而另一个方向为较细的尼龙热熔丝进行编织，织物中碳纤维屈曲明显降低。单向编织对称铺层结构的制备过程中，对编织工艺进行了较多重要的改进。结构设计为对称铺层，通过调试模具尺寸和编织速度，使编织物呈现每层纱宽和纤维间隙保持一致，编织角随着编织过程中编织芯模横截面尺寸的增加而增大的变化趋势；为了使纤维在织物中处于伸直状态，在锭子上安装垫片以增加纤维的张力；织物在固化前从编织模具向固化模具转移时，设计了一套有效的转移方法，解决了织物脱离编织芯模时结构不稳定易破坏的问题。通过编织工艺的优化，得到最佳的单向编织对称铺层结构，有利于提高材料的力学性能。为研究单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能，选取三点弯曲短梁法作为剪切实验方法，并与二维编织对称铺层复合材料进行对比，根据各试样的载荷－－位移曲线求出材料的层间剪切强度和比较模量。利用Origin软件对试验数据进行处理，并从剪切强度和模量、失效位移对两种结构进行对比。通过体式显微镜观察分析试样外侧截面的剪切破坏裂纹分布和规律，以分析单向编织对称铺层复合材料的剪切破坏机理和规律。通过两种织物结构剪切强度和剪切模量的对比，结果显示二维编织对称铺层复合材料表现出较好的层间剪切性能，分析是因为二维编织结构中由于纤维交织起伏层间存在咬合摩擦，使层间移动不易发II 东华大学硕士学位论文摘要生，即单向编织铺层结构中纤维的伸直对试样的层间咬合是不利的，降低了材料的层间抗剪切性能。分析材料破坏结果，显示试样出现两种破坏模式，内部分层和分层开裂，均存在纤维树脂断裂和分层现象，且较多产生平行于铺层方向的延伸性裂缝。通过分析试样侧面损伤情况，得到尼龙热熔丝与树脂有良好的融合性，不对材料产生影响。观察侧面裂纹特点，发现剪切中性面在几何中面偏下，且观察破坏过程，得到大多数情况下，试样是从剪切中性面首先发生分层，出现较明显裂缝，再延伸产生新的分层，成为破坏最严重的部位。虽然单向编织对称铺层复合材料表现出较差的层间剪切性能，但两种结构的层间剪切性能差异程度很小，若在编织工艺上进行更大的改进，相信单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能会得到进一步的提高。关键词：复合材料；单向编织对称铺层结构；编织工艺；剪切性能；破坏模式III 东华大学硕士学位论文ABSTRACTRESEARCHONTHEPREPARATIONPROCESSANDSHEARPROPERTIESOFUNIDIRECTIONALBRAIDEDSYMMETRICLAMINATEDCOMPOSITESABSTRACTInthispaper,thepreparationprocessandinterlaminarshearpropertiesofunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcompositesandtraditional2Dbraidedsymmetriclaminatedcompositeswereexperimentallystudied.Onthebasisofanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofthetraditionalunidirectionallaminatedcompositesand2Dbraidedlaminatedcomposites,theunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcompositesaretakenasthemainresearchobjectsandthestructureandpartialpreparationprocessofbraidedcompositeswereimprovedanddesigned.Theexperimentalanalysismethodwasusedtostudythestructuralregularityduringbraidingandthefailureeffectofunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcompositesunderthethree-pointbendingshearmode.Thenewstructurewasanalyzedfromtheexperimentalresultsofinterlaminarshearproperties.Atpresent,thisnewstructurestilllacksbasicresearchathomeandabroad,andithashardlybeenreported.Thein-planemechanicalpropertiesofthecompositesareimprovedwiththedecreaseofthefiberbucklingdegree,butthetrendoftheinfluenceontheinterlaminarshearpropertiesremainstobeexplored.Becauselaminatedcompositesarepronetodelaminationfailureandleadtoprematurefailureunderexternalforces,itisessentialtostudytheinterlaminarshearproperties.Comparedwiththetraditionallaminatedcomposites,the2Dbraidedlaminatedcompositesshowstrongerintegrity,whichgreatlyimprovesitsin-planeandinterlaminarmechanicalproperties,andtheprocessissimpleandquantifiable,andiswidelyused.Butthereisbucklingofthefibersproducedbytheinterleavinginthe2Dbraidedlaminatedcomposites.Accordingtotheoreticalandempiricalanalysis,thein-planemechanicalpropertiesofthematerialarereducedwhenthematerialissubjectedtoexternalforce.Theelongationandbendingoffibersinthestructurehaveagreatinfluenceonthein-planemechanicalpropertiesofthecomposites.ThepaperaimstomeasureandevaluatethestructureandinterlaminarshearpropertiesofIV 东华大学硕士学位论文ABSTRACTunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcomposites.Anewunidirectionalstructurewasdesignedforthedefectofbucklingofinterlacedfiberin2Dbraidedlaminatedcomposites.Thisstructureusesonedirectionofcarbonfiber,whiletheotherdirectionisafinernylonthermalfuseforweaving,andthebucklingofthefabricissignificantlyreduced.Inthepreparationprocessofunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedstructure,manyimportantimprovementshadbeenmadetothebraidingprocess.Thestructurewasdesignedasasymmetricallayer.Byadjustingthesizeofmouldandthespeedofbraiding,theyarnwidthandfibergapofeachlayerwereconsistent,andthebraidingangleincreasedwiththeincreaseofdiameter;Inordertostraightenthefiberinthefabric,gasketswasinstalledonthespindletoincreasethetensionofthefiber;Aneffectivetransfermethodwasdesignedtosolvetheproblemthatthefabricstructurewasunstableandeasilydestroyedwhenthefabricwasremovedfromthemold.Throughtheoptimizationofbraidingprocess,thebestunidirectionalbraidedsymmetricallaminatedstructureisobtained,whichishelpfultoimprovethemechanicalpropertiesofthematerial.Inordertostudytheinterlaminarshearpropertiesofunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcomposites,thepaperselectsthree-pointbendingshortbeammethodasthesheartestmethod,andcompareswithtwo-dimensionalbraidedsymmetriclaminatedcomposites.Accordingtotheload-displacementcurveofeachspecimen,thepapercalculatedtheinterlaminarshearstrengthandmodulusofthematerial.ThepaperusedOriginsoftwaretoprocesstheexperimentaldataandcomparingtheshearstrength,modulusandfailuredisplacementofthetwostructures.Inordertodeterminethefailuremechanismandregularityoftheunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcomposites,thepaperusedstereomicroscopetoanalysethecrackdistributionandregularityoftheshearfailurecrosssectionofspecimen.Comparedtheshearstrengthandmodulusofthetwostructures,theresultsshowthatthe2Dbraidedsymmetriclaminatedcompositeshavebetterinterlaminarshearproperties.Thereasonisthatinthe2Dbraidedstructure,theinterlaminarmovementisnoteasytooccurbecauseofthefrictionbetweenlayersfrominterwovenofthefiber.Thestraightnessofthefiberisdisadvantageoustothetransverseforceofthespecimen,andtheinterlaminarshearpropertiesofthematerialisreduced.Theresultsshowsthattherearetwokindsoffailuremodes,internaldelaminationanddelaminationcracking,bothofwhichhavethephenomenonoffractureanddelaminationoffiberandresin,andtherearemoreextensionalcracksparallellingtothelayingdirection.Byanalyzingthedamageonthesideofthespecimen,itwasfoundthatthenylonhasgoodfusionwiththeresinandhasnoeffectonthematerial.Observedthecharacteristicsofcracksonthesideandfoundthattheshearneutralplaneisbelowthegeometricmiddleplane.Andbyobservingthefailureprocess,V 东华大学硕士学位论文ABSTRACTitwasfoundthat,inmostcases,thespecimenisstratifiedfirstfromtheshearneutralplane,withobviouscracks,andthenextendstoproducenewdelamination,whichbecomesthemostserioussiteofdamage.Althoughunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcompositesshowedpoorinterlaminarshearproperties,thedifferenceininterlaminarshearpropertiesbetweenthetwostructuresisverysmall.Itisbelievedthattheinterlaminarshearpropertiesofunidirectionalbraidedsymmetriclaminatedcompositeswillbebetterifthebraidingprocessisimproved.NannanWang(Major:TextileEngineering)SupervisedbyDr.JianhuaYanKEYWORDS:composites;unidirectionalbraidedsymmetricallaminatedstructure;braidedprocess;lnterlaminarshearproperties;failuremodeVI 东华大学硕士学位论文目录目录1绪论............................................................................................................................11.1引言.................................................................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................31.3本文主要研究工作..........................................................................................62编织复合材料的制备工艺........................................................................................82.1预制件成型......................................................................................................82.2编织试样制备................................................................................................132.3复合成型工艺................................................................................................142.4本章小结........................................................................................................173试样基本参数..........................................................................................................183.1复合材料厚度的测定....................................................................................183.2纤维体积含量................................................................................................183.3编织角度........................................................................................................193.4纤维间隙和纱宽............................................................................................213.5本章小结........................................................................................................224编织复合材料的剪切性能分析..............................................................................234.1试验原理及方法............................................................................................234.2剪切性能分析................................................................................................264.3本章小结........................................................................................................405结论与展望..............................................................................................................425.1结论................................................................................................................425.2展望................................................................................................................43参考文献......................................................................................................................45致谢............................................................................................................................48VII 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能1绪论1.1引言利用可行性的工艺技术将不同类型的材料组合在一起成为一种新结构并能保留各组分的优越性的新材料称为复合材料，具有结构可设计性。复合材料可以发挥成分中不同材料的优势，以适应对材料性能有更高要求的应用领域。二十世纪四十年代，开发了玻璃纤维复合材料，但不足以满足高端技术领域如航空航天等对所用材料的要求，随着高强度和高模量纤维的出现，如硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等，随后开发和生产了以这些高性能纤维为增强材料的复合材料，称为先进复合材料。其中碳纤维增强复合材料，即Carbonfiberreinforcedpolymer，简称CFRP，与其他材料相比，这种材料不仅具有较高的刚度和强度，比密度小，且结构的可设计性好，根据各项异性的特点，可根据需要设计材料面内不同方向的力学性能。也因其具有比强度高、比模量高等优异的力学性能，在许多重要的工程领域中得到了大量的应用，特别是航空航天和汽车工业领域。纺织复合材料是利用纤维或纱线织造技术制备材料得到各种纺织结构制品，再将树脂浸入固化成型得到所需的复合材料[1]，其中纺织结构作为增强体，对复合材料的性能进行了改进，材料的整体性和对不同形状要求的适应性提高，复合材料的应用得到了发展。纺织结构下的纤维相互交织摩擦，各向同性改善，由于交织方式的不同，使得复合材料的纵横方向都得到一定程度的增强，从而具备抗冲击抗剪切等优良的力学性能，应用领域也更加广泛。采用纤维编织制品为增强材料与基体复合获得的编织复合材料具有较强的结构整体性，且各方向的性能都较好，是据有优势的结构复合材料。与传统的层合复合材料相比，这种材料的剪切强度、断裂韧性、抗冲击性、损伤容限等性能均有一定程度提高与改善，且性能稳定，可以满足复杂外形要求，在航空航天、汽车工业和船舶运输等领域中可以突破限制得到大量应用。在编织过程中，可以通过改变编织速度和纤维方向等参数来设计不同性能的编织结构，以适应产品的各种用途，还可以通过选择模具的形状尺寸来满足所需的异形件增强体的需求，这些优点迅速提高了编织复合材料的应用领域。编织结构复合材料中，研究时间较早的的二维编织是采用编织技术环绕模具表面成型，经树脂浸润得到复合材料结构。二维编织根据参与编织的纱线的方向数分为二轴编织和三轴编织，二轴编织是有两组方向的纤维参与编织，三轴编织是有三组方向的纤维参与编织。二维编织复合材料的生产效率高，工艺简单可以投入量产，应用广泛。1 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能图1-1二维二轴编织结构图编织铺层复合材料，即over-braiding结构复合材料，是一种立体的编织结构材料，将二维编织物进行铺层，结合了编织容易制备异型件的优势，具有优良的抗损坏性。这种结构是由单层编织结构铺层而成，其力学性能受到单层结构纤维含量与铺层方式等的影响。在实际应用中，一般采用over-braiding编织技术实现多层编织预成型，可以混杂编织[2]。其结构整体性好，产品可设计性强，编织结构复杂多样，可根据产品形状编织成各种外形复杂的结构，具有很强的适用性，并且制备效率高。与传统单向布铺层复合材料相比，二维编织铺层结构突破了几何外形的限制，可以满足弯曲形状或者试样尺寸存在变化的试件要求，即容易制备异型杆件和管件，能够更加灵活的设计编织物的结构，结构中纤维连续，结构整体性好，并且制备效率高，而传通单向布铺层方法对于这类零件制备困难。正是由于二维编织技术可以贴着芯模一次性完成编织，不仅操作方便，且编织易成型效率高，很多工程领域对二维编织技术进行了大量的研究。单向编织铺层复合材料是在二维编织铺层复合材料的基础上发展起来的，单向编织是结合了传统单向布铺层结构中纤维屈曲小和二维编织制备方法容易制备异型件的优势，开发出的一种新的制备方法与新的复合材料结构，具有高价值的应用发展空间。1.2国内外研究现状1.2.1单向编织复合材料1.2.1.1单向编织复合材料简介本课题研究的单向编织铺层复合材料是在二维二轴编织铺层复合材料的基础上发展起来的。多数情况下，二维二轴编织结构是由两个方向的碳纤维作为增强纱进行编织，结构整体性较好，但由于两个方向纤维间相互交错，碳纤维在交2 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能织点处存在较大的屈曲，减小了材料面内力学性[3]。单向编织结构中只采用一个方向的碳纤维作为增强纱进行编织，另一个方向采用尼龙热熔丝用于固定作用。由于尼龙热熔丝较细，与碳纤维相比，纱宽可忽略不计，所以单向编织结构中碳纤维的屈曲程度很小，基本处于伸直状态。这种新型复合材料结构很好的结合了传统单向布结构中纤维屈曲小和二维编织结构能满足复杂异形件制备的优势，具有很大的研究价值。（下文所提二维编织结构如无特殊说明，均指二维二轴编织结构）。单向编织结构图如图1-2所示图1-2单向编织结构图Earle[4]等人深入研究了单向编织（也称不对称编织）结构。二维编织结构中，两个方向都是起增强作用的碳纤维进行编织，而单向编织结构中，其中一个方向是起辅助作用的较细的纱线。辅助纱线在增加织物强度方面作用不明显，其作用是辅助固定增强纱线，避免单方向碳纤维的滑脱移位，并使增强纱线贴合在模具上排列有序。尼龙热熔丝非常细，相比于碳纤维细度可忽略，融化后对纤维屈曲的影响更小，因此单向编织复合材料中碳纤维不会造成像二维编织复合材料那种较大的曲屈，对复合材料的结构完整性也不会造成破坏。这种没有屈曲的编织结构在国外被称作non-crimpbraiding，也叫做unidirectionalbraiding(UD-braid)。单向编织复合材料的产生，改进了编织复合材料的面内力学性能。单向编织结构可以利用二维编织机进行织造，不同的是，传统二维二轴编织是沿两种相反方向运动的相同的碳纤维相互交织形成具有对称结构的织物，因为碳纤维的厚度大，因此在交织点容易形成屈曲，降低了复合材料的面内力学性能；而单向编织是一个方向为碳纤维，另一各方向为细丝，一般使用的是涤纶，相比之下，它减少了碳纤维交织产生的屈曲现象，提高了复合材料面内力学性能。1.2.1.2单向编织铺层复合材料的特点编织复合材料将现在纺织技术应用于先进复合材料技术中，采用成型的编织3 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能物作为增强材料，提高了传统复合材料的力学性能，增加了复合材料的应用范围。其中，单向编织铺层复合材料每层只有一个方向的碳纤维参与编织，不仅具备二维编织铺层方法容易制备异型件的优势，且解决了二维编织铺层复合材料结构上纤维束屈曲引起的面内力学性能降低的问题。不同于其它复合材料，单向编织铺层复合材料具有以下特点：（1）纤维微屈曲二维编织铺层复合材料是由两个方向的碳纤维交织，在交织点处会形成屈曲，造成复合材料面内力学性能一定程度上下降。但单向编织铺层复合材料每一编织层只有一个方向的碳纤维，另一个方向排列的是尼龙热熔丝，与碳纤维相比，尼龙热熔丝的细度很细，所以碳纤维在交织点处只有较小的屈曲。在单向编织铺层复合材料中碳纤维基本是属于近伸直状态的，材料的面内力学性能提高。（2）结构整体性传统单向布铺层方法，布料需要裁剪，结构中布料需要搭接，在制备弯曲杆件和变截面杆件时，在弯曲处或变截面处容易产生褶皱，需要剪豁口再打补丁，结构中纤维不连续。单向编织铺层复合材料是两个方向的纤维交织排列，纤维在模具上均匀连续排列，结构整体性提高。（3）一次性成型单向编织铺层复合材料可以在模具上一次性成型，可以避免多次加工引起的机体破坏损伤，同时降低了成本消耗。可以编织几何外形较复杂的产品，尤其异形截面型材，提高了生产效率和编织物部件的适用性。（4）结构可设计性编织角决定织物中纤维束的排列方向，通过调整编织角可以影响编织物中纤维束的走向。同时复合材料的纤维体积含量、纤维间隙和编织物厚度等都可以根据不同载荷要求进行设计，从而可以挖掘材料的利用潜能，达到最佳的力学性能。1.2.1.3单向编织复合材料的相关研究单向编织结构开发的比较早，但能找到的相关报道并不多。且可以查到的有关单向编织铺层结构的研究更加少，仅限于国外几家大的航空公司在开发，国内几乎没有。Earle[4]等人在1992年研究发现用较细的纤维来替换二维编织中的一组纱线进行编织，能有效减轻织物中纱线的交织起伏现象。Gebler[5]等人在2005年深入研究了二维编织中由于纤维在交织点处屈曲会降低材料面内力学性能的问题，一个编织方向采用碳纤维，另一个方向采用一种辅助纱线，可以减少织物中碳纤维的屈曲程度。随后，Middendorf[6]等人对这种不对称编织结构复合材料的力学性能进行了研究，分析了编织结构对材料力学性能的影响，并探讨了这种结构对于航空需求的适用性。4 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能1.2.2编织复合材料剪切性能的研究二维编织铺层复合材料层与层之间只有纤维编织起伏形成的摩擦力作用，无增强纱，抗剪切性能差，受到剪切外力时，沿厚度方向材料容易发生分层开裂[7-11]。所以二维编织铺层复合材料的剪切性能的研究具有重要意义。李潘[12]等通过两种剪切试验，对二维编织复合材料的面内剪切性能进行了研究，分析了试样的失效模式。Camus[13]使用热力学方法在考虑试样剪切和拉剪耦合的基础上，对2D编织SiC/SiC复合材料的面内剪切性能进行了研究。吴琦[14]等在不同温度条件下，采用双槽口剪切试验法对二维碳纤维增强复合材料的层间剪切性能进行了研究，结果显示不同的温度条件下，复合材料试样的层间剪切强度变化较大，且通过分析断口特征，发现剪切失效时，损伤较大的是基体和复合材料中的界面，纤维完整。Falzon和Herzberg[15]对二维编织碳纤维环氧树脂复合材料的拉伸、压缩及剪切性能进行了研究。结果显示与单向布复合材料相比，编织复合材料有较高的拉伸刚度和压缩刚度，但表现出较差的拉伸和压缩强度；编织会使碳纤维受到损伤，文中没有得出材料准确的剪切强度。张增光[16]通过设计试验对2D—C/SiC复合材料的剪切等性能探讨了相关试验条件，并对试验进行了改进，对力学行为进行了分析，并得出了剪切的应力应变公式，最后对破坏机理进行了研究。管国阳[17]等采用改进后的四点弯曲装置，对二维编织C/SiC复合材料的剪切性能，根据结果分析剪切应变的弹性与非弹性部分的规律，且通过分析试样断面，发现剪切破坏的主要损伤的部位是基体和复材材料界面。李俊等[18]研究了二维编织铺层复合材料的剪切性能，理论分析得到纤维方向影响试件的力学性能，偏轴向材料的抗剪切性能更好。文中还提到，而二维编织物复合材料在材料主方向上的抗剪切破坏能力较差[19]，可以通过对编织角的合理设计提高其面内剪切性能[20-21]，其中（±45º）铺层编织结构的剪切模量和强度最高。熊翔[22]等对比研究了3种不同的编织C/C复合材料的剪切性能，并对断裂机理进行了分析，结果表明C/C复合材料的层间剪切强度随密度的増大而提高。密度越高，裂纹和孔隙较少，可有效阻止剪切裂纹的扩展，剪切性能就越好。刘金林[23]等采用losipescu剪切方法对编织碳/碳复合材料的剪切性能进行了研究，结果显示剪切应力应变曲线呈现了分段线性的特征，是由于材料内部存在损伤破坏造成的。文中通过对试样断口进行分析，得到材料本身的缺陷位置就是实验过程中最先受到剪切破坏的位置，加速了剪切裂纹的扩展，使复合材料的力学性能整体降低。卢桂阳[24]通过分析剪切破坏曲线，发现二维层合复合材料在较小应变下就已经发生破坏。李俊[25]等将对维编织C/SiC复合材料的试验研究和建模分析相结5 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能合，用函数对试样的剪切应力应变关系进行了简单描述。李巾锭[26]等采用有限元法研究了二维C／SiC复合材料的剪切强度，得出材料界面性能于固化温度存在负相关关系。Kemmochi[27]等对比了传统层合板和编织复合材料的剪切性能，发现铺层复合材料的层间断裂强度较高。易法军等[28]通过剪切破坏试验对编织复合材料的剪切断口进行了观察分析，得到材料的工艺缺陷对编织复合材料剪切性能的影响明显。1.3本文主要研究工作1.3.1创新点及展望国内研究较多的二维编织复合材料克服了传统层合复合材料难以制备异形件、纤维不连续等缺陷，在工程领域中表现出比一般只用纤维作为增强体的复合材料更好的适用性和操作简单的优势已得到大量使用。但传统二维编织结构由于纤维的相互交织会产生织物交织点的屈曲，造成织物面内力学性能降低。本文研究的单向编织对称铺层复合材料，一个方向上喂入的是起增强作用的碳纤维材料，另一个方向喂入的是起辅助作用的尼龙热熔丝。和碳纤维的厚度相比，尼龙热熔丝较细，所以碳纤维不会因为交织而引起较大的屈曲，基本处于伸直的状态，融化后对纤维屈曲的影响更小，这种结构可以提高复合材料的面内力学性能且复合材料产品结构整体性和可设计性能好，会是未来复合材料发展的一个重要方向。单向编织对称铺层复合材料的基本力学性能还缺乏足够的研究，它作为一种新型的结构材料，虽然理论上改进了结构中纤维屈曲的缺陷，提高了材料的面内力学性能，但结构改进对其层间剪切性能的影响需要进行实验探究，层间剪切性能是复合材料的一项基本力学性能，对单向编织复合材料的剪切性能的研究目前还很少，所以对单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能的研究具有重要意义。1.3.2研究内容及意义本课题首先在二维编织机上完成单向编织对称铺层和二维编织对称铺层两种结构的编织，于纤维体积含量、纤维间隙和编织角等主要因素上设计两种结构的可比性，然后采用VARTM固化方法进行固化，得到编织对称铺层复合材料。着重研究单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的制备和层间剪切性能。二维编织铺层复合材料层间剪切强度的测试和研究，可以为合理设计构件的结构提供可靠参数，是很重要的课题[29]。6 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能（1）通过单向编织对称铺层结构和二维编织对称铺层结构试样的三点弯曲层间剪切实验来初步探究两种结构复合材料的剪切性能。编织过程中，编织芯模设计为长方体，长方体结构使织物在芯模上的缠绕状态不同，纤维在芯模边缘编织时，纤维排列比较密集，当处于芯模上表面或者下表面中间位置时，纤维排列相对边缘较稀松，沿织物横向纤维的屈曲状态和编织角大小会稍有变化，为了分析这种编织物的变化规律及对复合材料力学性能的影响，沿织物横向，将织物均分为左、中、右三个独立的试样部分进行研究，其中左边部分指面向编织芯轴运动方向，芯轴上表面或者下表面处于左手边的位置，然后沿织物横向分为中间部分和右边部分。分别对两种编织结构试样的处于芯模不同位置上的织物进行研究编织规律和层间剪切性能。（2）根据三点弯剪切实验得出的剪切载荷——位移曲线，分析两种编织结构试样的剪切强度和模量，并进行对比。然后用砂纸打磨试样侧面，采用体式显微镜对试样的断面和裂纹形态进行观察，分析剪切破坏规律和失效机理。单向编织对称铺层复合材料中的屈曲减少，提高了面内力学性能，但层间剪切性能会如何需要研究，目前这种材料的层间剪切性能的研究很少。本课题的意义在于，采用实验研究方法，探究单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能，和尼龙热熔丝的存在对材料力学性能产生的影响，以及探究这种新型编织对称铺层结构的剪切破坏机理和规律，为以后进一步深层次的研究和实际应用这种材料提供基础和依据。7 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能2编织复合材料的制备工艺编织复合材料将纺织技术应用在复合材料领域，是先利用纺织纤维编织成满足形状要求的预制件作为增强体，然后注入树脂浸渍固化而形成的材料，固化后可根据实际需要进行切割成适合的尺寸。2.1预制件成型2.1.1纤维规格碳纤维的力学性能优异，具有高的比强度和高的比模量。本课题采用碳纤维作为增强纤维进行编织，纤维束规格为TC35R-12K，T300，是由台湾塑料工业股份有限公司生产，编织过程中抗起毛起球性较好。另外一种辅助纤维为尼龙热熔丝，纤维束规格为150D/40F，与环氧树脂的亲和性较好。环氧树脂具有很强的适用性[30]。为了得到较好的固化效果，经试验测试确定采用一种环氧树脂用于编织复合材料成型。所采用纤维的具体性能参数如表2-1所示。表2-1纤维性能参数纤维种类拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）密度（g/cm3）融化温度（℃）碳纤维40002401.798＞300热熔丝23.081.41.1485±52.1.2编织原理单向编织对称铺层复合材料可以在二维编织机上一次性成型，且能满足异形件需求，达到稳定的编织结构和性能后，同样可以量产。2.1.2.1二维编织技术两束及以上纤维或纱线相互交错，且纤维与排列成型方向间有一个角度，用这种方式形成编织物的技术就是二维编织技术[31]，如图2-1所示。8 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能图2-1编织原理示意图二维编织机操作简单，适用领域广，编织部分由携纱器、编织环、芯模和传动装置组成，移动编织环的位置调节编织角，芯轴安装在编织环的正中央位置，编织时向机前移动，每个弹簧携纱器上挂一束纤维，纤维随携纱器沿着机器上的8字运行轨道做圆周循环运动，机器上的携纱器分为两组，一组携纱器沿顺时针方向运动，另一组携纱器沿逆时针方向运动。纤维相遇时互相缠绕在模具上形成织物，形成管状或片装织物[32]，纤维间的约束较强。本课题所用二维编织机机型大小为196锭纱，两个方向的携纱器运动速度相同。编织芯轴尺寸设计为380mm*120mm*40mm的矩形截面管，两侧开有凹槽，头端加工出倒角，方便编织完成后进行切割脱离，如图2-2所示，准备编织芯轴时，首先在芯轴表面覆盖一层脱模纸，以保护编织结构的完整性。考虑到实验用量和实验效率的因素，采用三个截面尺寸一致的芯模平滑链接一次性编织，可以研究整个编织结构在轴向和径向的规律性变化。芯轴周长是影响编织角和纤维间间隙相互配合的重要因素，性能较好的二维编织复合材料中的纤维之间应该不存在重叠挤压，且纤维间隙应控制在0.5mm以内，考虑到绕纱或编织过程中纤维张力和状态不同，纤维间隙最大不能超过1.5mm。图2-2模具示意图单向编织技术与二维编织技术的原理相同，二维结构编织时，两个方向的携纱器都挂增强纱线碳纤维；单向结构编织时，其中一个方向替换为起辅助固定作用的尼龙热熔丝。两种结构在同一机器上成型，性能对比时一定程度上排除了机器等外界因素的干扰。9 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能2.1.2.2编织结构设计二维编织物根据编织纱线数的不同可以分为二轴编织物与三轴编织物[33]。二维编织物根据组织不同又有多种分类。本文的编织物试件为二轴2×2编织结构，是实际生产中常用到的一种结构，即两根纱线或纤维交替连续的从另一个方向的两根纱线或纤维的下面经过，紧挨着又从另两根纱线或纤维的上面经过。如此交替连续交织，又称为规则编织[31]。两种结构都设计为对称铺层，对称铺层即最中面两侧对应处的各单层纤维材料相同、方向一致。编织物中的纤维方向根据携纱器的运转方向不同人为规定为正向和反向，用编织角来表示每层的纤维方向时，“＋θ”表示正向，“－θ”表示反向。本课题的编织试样整体为平衡结构，即每个方向的纤维层数相同，且除了位于几何结构最中间两层纤维方向一致，其余相邻两层的纤维方向都不同，例如16层单向编织对称铺层结构和8层二维编织对称铺层结构如表2-3和表2-4所示，其中二维编织对称铺层复合材料的每层由两个方向的碳纤维编织而成。表2-316层单向编织对称铺层复合材料的纤维方向层数纤维方向1-θ2+θ3-θ4+θ5-θ6+θ7-θ8+θ9+θ10-θ11+θ12-θ13+θ14-θ15+θ16-θ10 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能表2-48层二维编织对称铺层复合材料的纤维方向层数纤维方向1-θ1+θ2-θ2+θ3-θ3+θ4-θ4+θ5+θ5-θ6+θ6-θ7+θ7-θ8+θ8-θ根据ASTM低速冲击和剪切试验标准规定，编织铺层复合材料试样的厚度范围应取4~6mm，在此厚度要求下，计算出单向编织对称铺层结构试件层数在12~18层内取得。考虑到对称铺层结构及实验的误差范围，确定单向编织对称铺层复合材料的层数为16层。二维编织时两个方向的碳纤维参与编织，而单向编织的每层只有一个方向的碳纤维作为增强纱进行编织，所以每层二维编织的用纱量是单向编织的两倍，为了保证两种结构的纤维体积分数和厚度在误差允许的范围内相同，在同时满锭的情况下，二维编织对称铺层复合材料的层数应设计为8层。2.1.2.3工艺参数碳纤维作为复合材料增强物的主体，除了纤维本身的性能差异，编织过程中纤维的编织角和覆盖率是决定复合材料力学性能的主要因素。影响纤维取向和覆盖系数的主要因素为编织芯模横截面周长、纱线层叠宽度、芯轴速度及编织速度[34]。（1）编织芯模横截面周长编织过程中，芯轴横截面周长决定编织物第一层纤维排列情况，即纤维间隙和覆盖率，周长尺寸不合适会造成纤维重叠或者间隙过大，影响到织物的厚度，导致复合材料力学性能的损失。芯轴设计为不对等的方形尺寸，上下面的中间和两侧织物的张紧状态有差异，横截面周长应能使中间编织物紧密贴合到模具上，使织物中纤维处于伸直状态。二维编织对称铺层结构进行编织时，采用初始芯轴尺寸不做调整，编织单向对称铺层结构时，首层编织角和纤维间隙为了达到与二维编织结构参数一致，对11 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能芯轴横截面周长进行改装加大，通过反复的试验得出，单向编织结构适合的芯轴尺寸为380mm*120mm*64mm。（2）纱线层叠宽度纤维在织物中的纱宽决定着纤维的覆盖率和纤维间隙，对织物的厚度也有重要的影响。纱宽大时纤维会产生堆叠，厚度增加；纱宽小时纤维间的间隙增加，覆盖率减小，填充树脂区域大，造成复合材料的力学性能下降。试验所用碳纤维原始纱宽为6mm，二维编织和单向编织中，两个方向的纤维会相互约束，织物上的实际纱宽应为3mm左右，在较小的误差范围内，复合材料的性能才能稳定。（3）芯轴速度及编织速度机器编织时，芯轴携带编织物向机前方移动以使编织点在某一位置稳定不动。编织过程中，芯轴的移动速度对纤维编织角和纤维间隙有着较大的影响。若加快编织芯轴速度，纤维与芯轴轴向的角度较小，纤维间隙增加，会出现细路，纤维覆盖率降低，影响复合材料的力学性能；编织芯轴速度减慢时，纤维密集排列纱宽变细，边缘甚至出现挤压重叠，编织试样结构变化，也会造成固化后复合材料的厚度增加。编织速度是指携纱器的运转速度，每个携纱器携带着一根纤维通过8字轨道圆周运动使纤维交织在模具上。编织速度对编织角和编织间隙的影响与芯轴速度相反，实际生产中编织速度不能过慢，因为会增大纤维与编织环的摩擦，使织物毛羽增多。不同编织结构或者同一编织结构层与层之间，两个速度参数的设置都需要依靠试验和经验取得。2.1.2.4编织过程发现的问题（1）机器较大，织前准备工作量较多，穿纱耗时费力，为了减小摩擦安装的摇头锭子增加穿纱难度，一个人编织难度大；（2）编织过程中，由于纱路复杂摩擦较大，容易导致纤维的断裂，若不及时发现并停机接纱，所编织试样可能要报废处理。尤其是单向结构编织时，尼龙热熔丝纱线细，易断且不易发现；（3）设置机器速度时，需要一段时间的运作后编织点才能保持在同一位置使编织物结构稳定，造成刚开始编织时的结构参数异常，导致芯轴有效段减少。编织前需增加一段过渡芯轴辅助编织，增加原料和时间的浪费；（4）随着编织的进行，锭子纱量和弹簧状态的差异造成纤维张力不同，张力太小纤维易产生松弛，织物表面纹路歪斜不平整。为了降低编织物疵点，对锭子进行同时换纱使起始用纱量一样，且安装垫片增加纱线张力；（5）编织中最难的工作是，随着编织层数的增加，每层织物的尺寸增大，为了控制每层织物的纱宽和纤维间隙一致，编织物的编织角会增大，每层开始编织时，都需要用过渡芯轴进行预编织，调节芯轴的移动速度来使纱宽和纤维间隙12 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能达到要求之后，再进入正式编织。（6）编织角、纤维间隙及纱宽的测量较复杂，且人为误差较大，需要得出足够的数据来保证结果的准确和可靠，以减小误差，测量工作需要投入较长的时间，影响编织效率。2.2编织试样制备编织物在进行固化前需要从编织芯轴上取下，进行分离切割制备成两块板状结构，切割过程中要保证切割力不会造成纤维的移动，编织物的结构不被破坏，且切割后直接置于固化所用玻璃板上不再移动，因为试样中纤维的松弛和张紧状态不同，会对复合材料的力学性能造成较大的影响。但编织结构中纤维纱线间的摩擦力远远低于切割力不能直接进行切割，很容易造成纤维滑移错位，破坏原始编织结构，导致材料的性能分析不准确。为了解决这个问题，经过不断地改进，最终确定一套行之有效的解决方案。每节编织芯模上下表面缠绕织物为有效试样，切割前分别在最外层上覆盖固化所用大玻璃板（玻璃板的表面已经被清洁干净并干燥，且平铺一层尺寸比增强物大的脱模布）这样切割后直接固定织物用于下道工序使用，减少编织结构变化的几率，且切割完成前，一直用夹具夹持着上下大玻璃板。每个截面进行切割时，切割缝隙的两边分别用表面平整的金属片固定，再用夹具夹持牢固后切割，加持力作用的位置及远离切割的部位的纤维束不会受到影响。芯轴上下织物分开后，织物长边分别用金属片和夹具固定在上下大玻璃板上，模具和上片织物可以同时进行翻转分离，芯轴取下后分别于织物内层放置固化用压具，根据所需固化尺寸，采用相同方法切割织物四个边的多余部分，并使织物四个边缘平齐光滑。玻璃板和芯轴与织物接触部分粘贴脱模纸，防止加热或浸树脂时尼龙热熔丝和树脂的黏连。芯轴取下后，两种结构编织对称铺层复合材料可按上述方法进行切割，过程中及切割后可观察到织物结构没有被破坏。且单向编织对称铺层复合材料应放于烘箱中60℃加热，有利于尼龙热熔丝开始熔融，增加碳纤维间的黏连作用，使编织结构更加稳定，冷却之后再进行切割。切割转移操作和完成后状态分别如图2-3和图2-4所示，在整个转移过程中，可保证纤维不发生移动，织物保持在芯轴上的原始结构。13 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能图2-3切割转移图图2-4转移完成图2.3复合成型工艺2.3.1VARTM成型工艺编织结构复合材料的成型工艺主要包括手糊成型、模压成型、缠绕成型、树脂传递模塑成型等。目前最常用的是树脂传递模塑工艺，即ResinTransferMoulding，简称RTM，该项工艺采用闭模低压的成型方法。树脂传递模塑指将预制件铺放在闭合模腔内，采用压力注射将树脂注入并浸润增强体，固化成型为复合材料的一种工艺[35]。与传统工艺相比，RTM成型工艺减少了预浸料制备、热压罐等步骤[36]。在较低压强和合适温度下一步浸润，显著降低成型时间和成本。RTM成型工艺优点如下：（1）对纤维体积分数要求低，制成率较高，且成品表面光滑；（2）全程闭模操作，受环境影响小，且无挥发物生成；（3）工艺成本较低，产品质量好。由RTM派生的真空辅助树脂传递模塑成型工艺，即VacuumAssistedResinTransferMolding，简称VARTM，是低成本满足大尺寸复合材料制件的成型技术[37]。此项工艺是用真空袋膜将纤维增强材料密封，利用真空负压既能排除密封袋里的空气，又能快速驱动树脂流动浸润增强体从而完成固化[38-39]。与传统的RTM工艺相比，VARTM可适应单面刚性模具，对试样的要求和成本降低[40]。操作技术简单，产品的尺寸和几何形状几乎不受限制；树脂孔隙率较低，力学性能提高。基于VARTM工艺的优势，本课题复合成型采用此项工艺。基体材料的选择必须对纤维具有良好浸润性且有一定结合力，能与纤维间形成性能稳定的界面，在一定程度上能抑制裂纹的产生[41]。环氧树脂具有优异的化学稳定性，所形成的复合材料机械性能好，因此本实验采用环氧树脂，是由常熟佳发化学有限责任公司提供的环氧树脂和固化剂。工艺流程如图2-5所示。14 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能预烘预制件模具准备配树脂铺放预制件热烘搅拌制作密封袋真空烘箱脱泡检验气密性真空浇注树脂复合材料成型冷却、脱模烘箱内固化图2-5VARTM固化工艺流程图2.3.2试样的制备2.3.2.1实验原材料单向结构对称铺层编织物和二维结构对称铺层编织物作为纤维增强体材料；环氧树脂和固化剂作为基体材料；真空膜作为辅助材料。2.3.2.2实验仪器及工具烘箱、真空脱泡机、真空泵、玻璃平板、电子天平、烧杯、剪刀、导流管、黄胶、脱模布、导流三通、绕管等。2.3.2.3实验步骤（1）把转移后的玻璃板和增强物放在试验台上，慢慢移去固定用的夹具，保证增强物保持原位不变；（2）沿脱模布平铺一圈黄胶，于长边四个角处各用黄胶立一个突起，以防止抽真空时增强物的四个死角处顶破真空袋；（3）分别在增强物两个长边固定绕管和中间处安插导流管，作为注液口和抽液口，注液口用导管连接树脂，抽液口用导管连接真空泵；15 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能（4）沿黄胶覆盖真空袋，贴黄胶处需要充分按压，做好后用真空泵抽真空15min然后检查气密性，制作好的密封袋如图2-6所示；图2-6密封袋实物图（5）树脂和固化剂按比例配好后均匀搅拌，在60℃温度下烘20min，边烘边搅拌，再用真空脱泡机60℃下进行脱泡40min；（6）增强体和基体都准备好后，烘箱60℃下抽树脂，开始固化并高温热烘。按顺序在90℃下热烘2个小时，110℃下热烘1个小时，130℃下热烘4个小时，使复合材料的性能稳定并达到最好，固化后常温冷却。图2-7密封原理示意图2.3.3复合成型过程发现的问题（1）密封袋的制作耗时耗力，完全依赖于人工按压真空袋和黄胶，突起和导流管处很容易出现漏气，且一旦出现漏气补救难度大，而密封袋不漏气是树脂浸润均匀，试样无干斑的关键；（2）树脂浸润织物的方向和流量对复合材料的成型有显著的影响，浸润太充分会造成成型后厚度的增加；浸润不足会出现干斑，容易造成试样的报废。抽树脂过程中，应仔细观察抽液口处导流管内树脂中气泡情况，随着树脂的增加气泡会减少，当注液口处导流管出现一米左右的无气泡树脂流出，说明试样内的气泡已经被排除干净，达到抽树脂试验要求。（3）树脂在真空负压下流动时，很容易选择阻力较小的试样边缘或者缝隙较大的部位流动，所以当注液口处导流管出现一米左右的无气泡树脂流出，但试样内部可能依然存在气泡，因为树脂避开流过，所以会造成试样内部已充分浸润16 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能的错误现象。采用合理的注树脂和抽树脂的方式对试验的成功率影响很大，经试验测试得到，采用试样长边一进一出抽树脂的方法成功率较高且操作方便。2.4本章小结（1）两种编织都采用对称铺层结构，参考ASTM剪切实验标准及实际情况，单向编织结构的试件层数设计为16层，二维编织结构的试件层数设计为8层。其中为了保证两种结构的首层编织角和纱宽相同，在进行单向结构编织时，编织芯轴周长增加了24cm，即尺寸为380mm*120mm*64mm。（2）编织试样从芯轴上转移下来进行切割时，为了保证切割力不破坏编织物的结构，需要借助工具来加持切割部分的两侧，避免纤维出现滑脱移动。（3）采用VARTM成型工艺进行固化，介绍了实验步骤，VARTM成型工艺的重点在于密封袋的制作。环氧树脂的固化质量比为：环氧树脂：固化剂=100:85。17 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能3试样基本参数3.1复合材料厚度的测定（1）编织物厚度的测定为了减小测试误差，确保测试数据的准确性，用游标卡尺分别在每个试样沿横向的两侧各测量3个数据再取平均值，每编织一层就进行一次记录，以方便观察编织过程中每层试样的厚度情况。每个试样的厚度取平均值得到每种类型试样的平均厚度。（2）复合材料厚度的测定相比编织物，复合材料内部没有气隙，结构紧密，容易得到较准确的数据。用游标卡尺分别在每个试样以长度方向上顺次取3个数据，和编织物厚度测定采取一样的数据处理方式得到最终厚度。3.2纤维体积含量纤维体积含量是指复合材料总体积中纤维体积所占的百分比。纤维体积含量是表征编织复合材料性能的一项重要参数[42]。其数值对复合材料的拉压、剪切、弯曲等性能有不小的影响。可以通过煅烧法、克重法和密度法对纤维体积含量进行计算，对比各种方法各自的优缺点。其中密度法测试时不会损伤试样，对试样的几何形状要求不大，测试结果最为精确，为首选[43]。密度法适用于密度相同的一种或者几种增强纤维制成的复合材料，应用时需要测定增强纤维、树脂和复合材料的体积密度，计算公式为：VffcVcrVcVf（3-1）3式中：V——碳纤维的体积，cm；f3V——复合材料的体积，cm；c3——碳纤维的体积密度，g/cm；f3——复合材料的体积密度，g/cm；c3——树脂的体积密度，g/cm。r18 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能经转化得计算纤维体积含量的公式为：VfcrV（3-2）gVcfr依据国标，测定材料的体积密度结果如下：31.798g/cm碳纤维的体积密度：f；31.13g/cm环氧树脂的体积密度：r。计算得单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的体积密度和纤维体积含量如表3-1所示。表3-1体积密度和纤维体积含量试样结构体积密度g/cm3纤维体积含量/%单向编织结构（左）1.48252.7单向编织结构（中）1.47351.35单向编织结构（右）1.47151.05二维编织结构（左）1.46550.15二维编织结构（中）1.47852.1二维编织结构（右）1.47651.8由表3-1可以看出，由于编织过程中严格控制织物的纤维间隙和纱宽，所以单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的体积密度和纤维体积含量整体差异不大，在性能上可进行对比。二维编织对称铺层复合材料的纤维体积变化范围为50.15%～52.1%；单向编织对称铺层复合材料的纤维体积范围为51.05%～52.7%。3.3编织角度编织角指的是纤维与编织轴向形成的较小的夹角，编织角度是影响纤维增强体性能较重要的因素之一。单向编织结构由一个编织方向的碳纤维构成，只进行一个方向角度的测量；二维编织结构是由两个方向的碳纤维编织而成，对两个方向分别进行编织角测量。由于编织芯轴是长方体结构，上下表面沿宽度方向的中间位置和两边部分的编织缠绕状态有差异，且编织机自身对两个编织方向的对称成型也会产生影响，所以沿芯轴横向，将芯轴上可用试样均分成左中右三个部分19 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能分别记录数据，面向芯轴运动方向，靠近左手边位置记为左边部分。每个试样的每个部分在编织方向上各取3个数据，每层编织结构都进行记录，用来观察总体变化趋势和规律，并取平均值作为最终编织角度。两种结构编织角如下表3-2和表3-3所示。表3-2单向编织对称铺层复合材料的编织角度层数角度/℃左中右143.6744.3342.67242.0044.8042.00342.6746.1042.67442.0046.8843.50543.4048.5043.63645.2549.4044.00746.6750.6747.50845.5049.0045.17947.8850.3847.751048.6350.7548.751148.5050.6348.881248.5050.6349.001348.0050.0048.751448.2550.3848.631549.2550.7549.131650.0051.6350.50表3-3二维编织对称铺层复合材料的编织角度层数角度/℃（方向1）角度/℃（方向2）左中右左中右144.0045.2541.0042.6045.4042.20244.4047.6042.6044.4047.4042.00344.7548.7542.0044.5048.5043.25445.0049.5043.6745.2549.7544.50550.7553.0048.5050.5053.0048.00653.0054.7550.0052.2554.2549.50753.7554.2552.5054.5055.7550.75855.5055.3553.5054.7555.7551.50由于编织机较大，工艺复杂，且测量耗时耗力，不易操作，所以测量数据存在一定误差，但在允许范围内，不影响整体变化趋势。从表3-2可以看出，单向编织对称铺层复合材料中，复合材料随着编织层数的增加，不同部位的编织角均增大，这是由于编织芯轴尺寸增加，为了减小纤维间隙，芯轴速度减慢的原因；最后一层比首层增加了7℃左右，整体编织角大小在42℃～51℃范围内变化；每层织物中间部分的编织角比左右两侧角度大，只是由于芯轴形状的影响，纤维缠20 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能绕路径在芯轴侧棱处改变了角度，左右部分织物比中间部分更加紧密；误差允许范围内，左右部分每层编织角的大小基本一致，只考虑编织角因素时，不做差别区分。从表3-3可以看出，二维编织对称铺层复合材料的编织角变化更复杂，但整体变化趋势相同，即编织角随层数增加而变大，芯轴中间部分编织角比左右两侧大，其中二维编织对称铺层复合材料编织角的变化幅度比单向编织对称铺层复合材料变化大；单独分析任一方向左右两侧的编织角，发现差异较大，两个方向的左侧编织角均稍大于右侧，这可能是编织机或者芯轴安装本身的左右不对称造成的，而两个方向纤维的同一左中右位置的编织角大小基本一致，表示两个方向的纤维排列是对称的；编织角随层数整体变大，但发现第4层到第5层时，编织角变化幅度较大，变化了5℃左右，可能是编织时交换了两组碳纤维缠绕方向引起的。为了探究两种结构试样的剪切性能，需要考虑编织角的影响，对两种结构编织角的大小进行对比时，发现两种结构试样的编织角变化情况比较复杂，且使用短梁三点弯剪切试验时，试样的上表面主要受压缩力，试样的下表面主要受拉伸力，试样中间主要受剪切力，所以将每一结构每一部分编织角分成两部分进行分析，单向结构试样的中间八层和二维结构试样的中间四层分别求取编织角平均值进行分析，如图3-4所示，两种结构试样的中间部分和左右两部分编织角的差异程度很接近。表3-4两种编织结构试样的中间层编织角层数角度/℃左中右5-12（单向编织结构）46.85046.843-6（二维编织结构）48.2551.43463.4纤维间隙和纱宽纤维间隙指的是织物中相邻两根碳纤维之间的缝隙宽度，也是影响复合材料力学性能的重要参数之一。测定方法和编织角度一致，但纤维间隙是编织中主要控制的因素，所以变化范围不大。两种编织结构呈现相同的变化规律：左右两侧纤维间隙基本一致，不随编织层数变化，波动范围是0～0.3mm，且整体小于中间部分纤维间隙，即0～0.5mm，是由于两侧织物比较紧密，缝隙较小造成的；二维编织结构中，两个编织方向之间的纤维间隙大小几乎没有差别。编织过程中控制的另一个因素是纱宽，即织物中相邻10根碳纤维的宽度，纱宽影响到织物的厚度和纤维间隙。为了达到合适的织物厚度，两种结构的纱宽控制在30mm左右，变化规律如下：左右两侧纱宽相差不大，波动范围是27～21 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能30mm，且整体小于中间部分纱宽，即28～31mm，这是因为两侧织物比较紧密，产生了较小的挤压；最后几层编织时，纱宽随着编织层数增加出现了小幅度的减小，但在误差允许范围内，可能是因为芯轴尺寸的增大，使芯轴和编织结构的合理配合产生了变化；二维编织结构中，两个方向之间的纱宽变化差别很小。3.5本章小结本章主要分析了单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的试样基本参数，复合材料厚度、纤维体积含量、编织角、纤维间隙和纱宽。其中两个较为重要的参数，纤维体积含量和编织角的数值大小在两种结构中略有差异，两种结构的剪切性能进行对比时，需要考虑其中的影响趋势。22 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能4编织复合材料的剪切性能分析研究在受到外力时，单向结构和二维结构编织对称铺层复合材料的响应形式和失效机理，对于改进结构的制备工艺有着重要意义，但目前为止国内对单向编织对称铺层复合材料这种新结构的力学性能几乎没有报道。而铺层复合材料结构中层间应力的存在极易引起层间的分层破坏，而层间分裂将会导致材料的强度和模量严重降低，在外力作用下会引起结构过早破坏[44]。因此层间应力和层间强度的研究分析是必不可少的，它是指材料层间纯剪切载荷作用下的强度极限，即在剪切力作用下抵抗剪切破坏的能力。本章主要研究对比单向结构和二维结构编织对称铺层复合材料的层间剪切性能。通过电子万能试验机测试两种结构的剪切性能，同时，对编织结构参数（编织角和纱宽）和试样尺寸（厚度）等因素对单向结构和二维结构编织对称铺层复合材料剪切性能的影响进行简单探讨。4.1试验原理及方法4.1.1试验原理目前主要的复合材料剪切性能试验方法包括拉伸法、短梁法、V开口剪切法、Iosipescu法、斜双切口法等。本文采用短梁法中的三点弯曲法进行剪切试验研究，试验原理是：以矩形截面的杆作为简支梁，将杆放置在两个支座上，在两个支座的中间位置向下施加载荷，这种试验方法可能会使试样产生多种破坏类型，如拉伸破坏、压缩破坏、弯曲破坏和剪切破坏等，此方法类似于用三点加载试验测试塑料的弯曲性能。不同的是，这种方法中跨度与试样厚度的比值较小，使试样主要产生层间剪切失效[45]。只有试样尺寸相同且在同一状态下测试，得到的测试结果才能直接进行比较。短梁法虽不够准确，但操作简单方便，实际中采用较多。得出的主要数据是最大载荷值，可以计算出层间剪切强度，试验过程中，按规定的速度对试样作用载荷。直到出现下列任何一种情况停止载荷[46]：（1）负荷下降了30%；（2）试样两面失效；（3）加载头行程超过名义厚度。本试验参照标准为ASTMD2344/D2344M-2000(2006)[46]的美国标准，确定试样的尺寸和试验参数。此标准测得的层间剪切强度可用于不同类型材料的对比。所用仪器是型号为QJ-212C的电子万能试验机，试验速度为1mm/min。剪切装置如图3-1所示。23 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能图4-1试样剪切试验仪器参照ASTM标准，加载压头的圆角半径r1为6mm±0.3mm，支座的圆角半径r2为3mm±0.3mm，如图3-2所示。但考虑到跨距和试样尺寸，不宜采用圆角半径为6mm的加载压头。实际所用仪器加载压头的圆角半径r1为1mm±0.3mm，支座的圆角半径r2为3mm±0.3mm。加载压头和支座的宽度应大于试样的宽度，加载压头应将压力作用于两支座中心，跨距（支座间的距离）可调。图4-2水平剪切加载示意图其中，P为加载载荷。4.1.2试样参数依据ASTM标准，推荐试样的尺寸推荐遵循以下规则：lh6bh2Lh4其中：h——试样厚度，mm；l——试样长度，mm；24 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能b——试样宽度，mm；L——跨距，mm。根据公式，试样的尺寸和跨距是由试样的厚度决定的，经测量取平均值后得到两种结构复合材料各个部分的厚度，据标准容易算得试样尺寸和跨距。缩小试样跨距与厚度的比值（S/h）能使材料主要发生层间剪切破坏，但跨厚比不能太小，容易成为冲击试验。当S/h>5时，材料中的层间破坏难以发生或者夹杂其他的破坏，如弯曲、拉伸等。对于碳纤维这种韧性较大的铺层复合材料，试验时由于试样片变形较大，随着加载头向下移动位移大时，加载头和两个支撑点间距离小，会对试样造成一定程度的挤压产生应力，造成测得的层间剪切强度数据不[47]可靠。经测得两种结构的复合材料的厚度在5mm左右，若跨距与厚度比大小选取4时，剪切试验中，支座容易承受来自加载头施加的压力，造成试样的剪切强度不准确，所以跨距与厚度比最大选取5。将试样按照标准尺寸进行切割打磨，每种结构的左中右三部分织物分别作为不同的试样进行剪切试验，设计三次重复试验，对各部分织物的破坏机理和整体的破坏规律进行浅要分析和探讨。剪切试样的具体参数如表4-1所示。表4-1剪切试样参数试样结构厚度h/mm长度l/mm宽度b/mm跨距L/mm单向编织结构（左）4.929.49.824单向编织结构（中）4.929.49.824单向编织结构（右）4.929.49.824二维编织结构（左）5301024二维编织结构（中）4.929.49.824二维编织结构（右）5.130.610.224整体来看单向编织结构的厚度略大于二维编织结构，这是由于单向编织的铺层数较多且层间嵌合不够紧密造成的，但差异不大。因此，两种结构试样的尺寸接近，为了减少制样的复杂性和考虑到误差范围，试样的尺寸采取统一标准，即厚度h取5mm，长度l取30mm，宽度b取10mm，跨距L取24mm。25 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能4.1.3数据处理计算公式试验材料的层间剪切强度计算公式为：3F（4-1）M4bh式中：——层间剪切强度，MPa；MF——破坏载荷或最大载荷，N；b——试样厚度，mm；h——试样宽度，mm。4.2剪切性能分析纺织铺层复合材料的拉伸和压缩强度一般较高，但材料受到横向外力或者冲击时，铺层结构很容易发生分层开裂，因此在工程设计中材料的层间剪切性能应该受到重视，以确保构件的应用安全性。通过层间剪切试验测试，分析试样剪切失效机理和规律，将对编织对称铺层复合材料的结构改进提供帮助。4.2.1跨厚比采用短梁法测定层间剪切性能时，试样的破坏形式与跨厚比有很大关系，跨厚比较大时，试样易发生弯曲破坏；当跨厚比降到一定程度时，层间剪切破坏占主要的破坏形成，但跨厚比也不能过小，易变成冲击试验，测试短梁剪切试样的破坏模式复杂，应该结合试验标准和机器设备合理选取跨厚比。采用短梁法测定层间剪切性能一直存在很多争议，因为跨厚比对试样的受力状态的影响较大，且国际国内标准规定的跨厚比值存在差异，但一般适用于两种材料剪切强度的对比分析。4.2.2试验数据和分析使用电子万能试验机测试时，先设置试验所需的基本参数和输出数据，试验过程中，电脑会记录剪切时间、载荷值和位移。再根据试验的载荷和位移的原始数据，用Origin作图软件得出相应的数据和图形。将单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的左中右部分分别进行多次重复试验测试，根据观察到的情况分别选取破坏模式正确的三个样品，得到剪切载荷-位移曲线如图4-4所示。26 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能a）二维编织复合材料（左部）剪切载荷-位移曲线b）二维编织复合材料（中部）剪切载荷-位移曲线27 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能c）二维编织复合材料（右部）剪切载荷-位移曲线d）单向编织复合材料（左部）剪切载荷-位移曲线28 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能e）单向编织复合材料（中部）剪切载荷-位移曲线f）单向编织复合材料（右部）剪切载荷-位移曲线图4-4两种结构复合材料（左中右）的剪切载荷-位移曲线从上图可以看出，两种结构复合材料各个部分的剪切载荷-位移曲线在刚开29 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能始的一小段都是非线性变化的，然后曲线呈现线性特征上升，接着曲线的斜率明显变小，再蠕变至最大载荷，开始严重破坏直至试样两面出现失效。对剪切载荷-位移曲线的总体趋势进行详细分析特点如下。每种编织结构相同部分的剪切曲线在最大载荷出现前具有重合性，可以反映编织试样的稳定性，二维编织对称铺层复合材料的最大载荷值差异很小，单向编织对称铺层复合材料的最大载荷值差异稍大，体现二维编织结构试样的稳定性更加好。从曲线的起始段观察发现，刚开始时一小段曲线呈现非线性变化，这是因为加载头的速度比较缓慢且非均匀受力，造成压力传递有一定的延迟，所以这个阶段试样中并非所有的材料都参与承受了来自加载头的压力。随着加载头位移的增加和压力的传递，试样的各个部分开始承受压力，此时曲线呈现线性特征，载荷随着位移基本均匀增加。接着曲线的斜率明显减小，剪切破坏开始发生，此时的破坏是弹性的，在可恢复的范围内。虽然斜率减小，但试样的抗剪切能力还未达到最大载荷，随着位移的增加，试样发生蠕变，此时的损伤只可部分恢复，直至出现最大剪切载荷，试样严重破坏。与拉伸等的曲线不同的是，试样受到破坏以后先发生分层，再逐渐达到最大载荷。其中，二维编织结构试样在最大载荷附近，曲线先下降再上升到达到最大载荷，反映了铺层结构受到破坏分层的瞬间受力能力下降，由于分层破坏的不同时性使曲线又上升到最大载荷，而单向编织结构试样由于碳纤维基本处于伸直状态，试样受到外力时，没有二维编织结构试样的韧性大，所以曲线的起伏没有二维编织结构试样明显。曲线到达最大载荷后没有发生突变，可看出层间剪切受力是试样的主要破坏模式，剪切作用下试样的损伤形式主要是层间的分离以及纤维的断裂，造成复合材料整体力学性能下降。试样受到明显损伤后，剪切载荷缓慢下降是因为层间分离和纤维断裂都不是同时发生的，试样中纤维并没有完全断裂，但试样已失效。4.2.3剪切强度分析复合材料层合板的层间剪切强度是指材料抵抗层间在外载荷下相互移动的阻力对应的应力的大小，即层合板在层间剪切应力作用下的极限应力[48]。由于存在很多因素影响铺层复合材料的强度，一般需要直接试验来获得材料的强度特征[49]。层间剪切强度试验是用来研究铺层复合材料的层间特性的方法。对中心距和剪切强度取平均值，得到单向编织对称铺层和二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能参数如表4-2所示。30 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能表4-2剪切性能参数试样结构编织角/º中心距/mm强度/Mpa单向编织结构（左）43.67～50.002.80525.55单向编织结构（中）44.33～51.632.96624.59单向编织结构（右）42.67～50.502.77625.4二维编织结构（左）44.00～55.502.91727.05二维编织结构（中）45.25～55.753.08324.08二维编织结构（右）41.00～53.502.85527.19（1）从表4-2可以看出，两种结构的中心距都呈现出中间部分略大于两边的趋势，这是由于模具形状的原因，使模具边缘的纤维排列更加紧密，面密度较大；二维编织对称铺层复合材料的中心距又略大于单向编织对称铺层，分析是因为二维编织结构中，每个方向的纤维都要与另一个方向纤维相互交织，每根纤维在张力和摩擦的受力下会变细，纤维间缝隙变大，而单向编织结构中，碳纤维来自于尼龙热熔丝的交织摩擦力比较小，容易保持纱宽，但总体差异较小。（2）整体来看，虽然二维编织对称铺层复合材料的角度大于单向编织对称铺层，即受力主方向上纤维承载能力减弱，但前者的层间剪切强度大于后者，从这点体现了二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能优于单向编织对称铺层复合材料，但两者的强度差异程度并不大，二维编织对称铺层复合材料的左边部分剪切性能比单向编织对称铺层复合材料的左边高了5.87%，右边部分高了7.05%，而两种结构的中间部分剪切强度差异很小，单向编织结构试样比二维编织结构试样高了2.12%，不排除测量误差的影响。单独分析单向编织对称铺层和二维编织对称铺层复合材料的左边部分或者右边部分，在纤维间隙和纤维体积含量基本相同，但编织角较小的情况下，单向编织对称铺层复合材料的层间剪切强度小于二维编织对称铺层复合材料，说明单向编织对称铺层复合材料表现了较差的层间剪切性能。猜测是因为二维编织结构层与层之间由于纤维的交织起伏存在相互咬合和摩擦，反而使试样在剪切力下不易移动，阻碍了层与层之间的分离，而分层是剪切破坏的主要形式。说明对于层间剪切性能，二维编织对称铺层复合材料中的纤维的起伏屈曲是有利用抗剪切破坏的。（3）两种结构复合材料中间部分的剪切强度都低于左右两部分，这是因为左右两部分的编织角和纤维间隙都小于中间部分，即在受力主方向上纤维承载能力强。可以反映编织结构的规律性变化，在编织芯轴的表面从两边到中间编织角和纤维间隙呈现梯度性变化，对于一次性成型编织的织物，编织芯轴的表面左右31 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能两部分织物的剪切强度比中间高。二维编织对称铺层复合材料中，左右两侧剪切性能差异不大，但比中间部分明显提高，左边部分强度比中间高了12.33%，右边高了12.92%，而单向编织结构由于位置不同造成的剪切性能差异比二维编织结构略小，左边部分强度比中间高了3.9%，右边比中间高了3.3%。考虑到两种结构试样的中间部分和两边部分的角度和纤维间隙差异程度都接近，分析得到相比单向编织结构试样，编织角变化对二维编织结构试样的剪切性能影响更大。4.2.4剪切模量分析由于编织铺层复合材料的层间剪切模量计算困难，可对两种结构复合材料的层间剪切载荷-位移曲线初始段的斜率进行观察可以对其层间剪切模量进行比较，由于同种结构同一位置的剪切曲线达到最大载荷前的部分重合度较高，可分别选取一组最接近平均值的数据进行分析，如图4-5所示。a）二维编织复合材料（左中右）剪切载荷-位移曲线对比32 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能b）单向编织复合材料（左中右）剪切载荷-位移曲线对比图4-5两种结构复合材料的剪切载荷-位移曲线对比从图4-5a)可以看出二维编织对称铺层复合材料不同部位的剪切载荷-位移曲线起始段的斜率相同，即受到较小外力时承受力的能力是一样的，当位移达到约0.9mm以后，二维编织对称铺层复合材料中间部分的曲线斜率明显较低，说明此时编织结构中间部分的抗剪切性能比两侧差，而左右两侧的剪切性能差异不大。从图4-5b)可以看出类似的，单向编织对称铺层复合材料不同部位的剪切载荷-位移曲线起始段的斜率相同，不同的是单向结构中间部分与两侧的曲线斜率差异更小，这是因为单向编织结构试样的后八层左中右三部分的编织试样的编织角差异程度很小，大小基本相同，所以削弱了编织角对试样剪切性能的影响。但整体来看，任一编织结构的不同部位的层间剪切模量大小基本相同，因为编织实验状态一致，且编织一次性成型，编织角和纱线中心距较小的差异对层间剪切模量的影响力度较小。33 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能图4-6两种结构复合材料（中部）的剪切载荷-位移曲线对比如图4-6所示，选取单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的右边部分进行对比，可以发现曲线的起始部分是重合的，即在较小外力作用下，两种材料的受力情况类似。试验刚开始时，加载头以1mm/s的速度在试样中间部位施加压力，由于非均匀受力存在受力传递的滞后性，此时试样内部没有完全受力。随着位移和载荷的增加，二维编织对称铺层复合材料的曲线斜率大于单向编织对称铺层复合材料，但差异不大，且二维编织对称铺层复合材料能够承受的最大载荷比单向编织对称铺层复合材料大。两种结构的对称铺层复合材料在纤维体积分数基本相同、厚度尺寸一致的前提下，编织角偏大的二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能却优于单向编织对称铺层复合材料，这是由于前者结构中层间纤维交织起伏相咬合的原因，使试样受到剪切力时不易发生分层破坏。而单向编织对称铺层复合材料每层只有一个方向的碳纤维进行编织，另一个方向是较细的尼龙热熔丝，固化时易熔融，此结构中碳纤维的屈曲较小，层间较平整，受到剪切外力时易发生分层失效。观察两条曲线到达最大载荷后的下降情况，试样受到显著不可恢复破坏后，载荷并没有骤降到零，而曲线存在波动，其中二维编织结构试样更加明显，即随着位移增加曲线部分下降斜率有变化。这是因为两种试样都是铺层结构，在抵抗剪切力时，试样的分层破坏和纤维断裂不是同时发生的，在分层的瞬间，会影响试样的承载能力造成载荷的骤降，损伤严重，而载荷平缓下降部分是由于纤维的断裂是缓慢发生的，在这个过程中损伤也较缓慢，随着位移的增加，试样在不断34 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能地分层，虽然试样失效，但试样中纤维并没有完全断裂，所以曲线没有下降到零。根据图4-6还可以对比二维编织对称铺层复合材料和单向编织对称铺层复合材料失效后曲线的下降程度。结合图4-4，可以发现二维编织对称铺层复合材料失效后曲线下降缓慢，而单向编织对称铺层复合材料失效后曲线下降较快，可以得出二维编织对称铺层复合材料体现出比较好的韧性。分析可能是因为二维编织对称铺层复合材料中的纤维交织起伏处于屈曲状态，当受到外力作用时，弯曲的碳纤维先渐渐紧绷伸直，随着外力的进一步增加再出现断裂，所以二维编织对称铺层复合材料韧性较好，而单向编织对称铺层复合材料中的碳纤维基本处于伸直状态，在外力作用下直接伸长变形导致断裂，表现出较差的韧性。通过对比分析二维编织对称铺层复合材料和单向编织对称铺层复合材料的剪切强度和模量，从试样尺寸厚度、编织角、纤维中心距、纤维体积分数等因素综合考虑，得到二维编织对称铺层复合材料的剪切性能更好，可能是因为二维编织结构中层间纤维交织起伏相咬合的原因，使试样受到剪切力时不易发生分层破坏，而单向编织对称铺层复合材料中的纤维基本处于伸直状态，在外力作用下更易分层。4.2.5试样剪切现象分析停止试验时试样已失效，所以材料存在大面积的损坏裂纹。试验中可观察到的试样最终破坏结果有两种情况，小部分试样完全剪开，发生分层开裂；大部分试样只发生内部分层，裂纹延伸较浅，两端没有开裂，如图4-7所示。加载力施加在试样中间，但小部分试样的破坏是非对称发生的，存在试样其中一侧开裂严重，另一侧损伤较小，大量的试样会发生加载点的两侧同时出现裂缝的现象，两种破坏结果的发生并无规律性，分析可能和纤维的排列密度和树脂的分布有关系。纤维排列紧密区域，纤维间缝隙小，树脂区域小；纤维缝隙比较大的位置，树脂区域大，若相邻两层间纤维缝隙连在一起，会出现明显面积的填充树脂。树脂的力学性能远小于碳纤维，易发生破裂分离，裂缝容易沿周围纤维延伸。树脂和纤维的分布情况复杂，但两种破坏结果都在可接受的层间破坏模式内。（a）分层开裂（b）内部分层图4-7试样破坏模式实物图35 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能观察试样的剪切破坏过程和裂纹分布情况，以分析这两种试样的破坏规律和失效机理。为了更清楚的观察破坏裂纹，将试样侧面沿轴向抛光打磨，得到比较清晰的裂纹分布，用体式显微镜放大观察能看到明显的分层和纤维断裂损伤，如图4-8和4-9所示，图中侧面的上表面为剪切后试样的受压面，下表面为剪切后试样的受拉面。图4-8和图4-9分别展示了二维编织对称铺层复合材料和单向编织对称铺层复合材料在剪切力破坏下的微观裂纹状态。（a）二维编织对称铺层复合材料（左）侧面损伤图（b）二维编织对称铺层复合材料（中）侧面损伤图36 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能（c）二维编织对称铺层复合材料（右）侧面损伤图图4-8二维编织对称铺层复合材料侧面损伤图（a）单向编织对称铺层复合材料（左）侧面损伤图37 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能（b）单向编织对称铺层复合材料（中）侧面损伤图（c）单向编织对称铺层复合材料（右）侧面损伤图图4-9单向编织对称铺层复合材料侧面损伤图采用短梁三点弯曲法测试编织复合材料的层间剪切性能时，材料中性面以上部分可能存在压缩，中性面以下部分可能存在拉伸，中性面附近的层间剪切应力最大，但是一般复合材料的拉伸刚度大于压缩刚度，所以层间剪切试验时，材料的剪切中性面存在于几何中面偏下。为避免试验结果出现较大的离散性，全部试样遵循编织时靠近模具的首层表面为受压面，远离模具的最后一层表面为受拉面的原则。观察试样破坏过程发现，大多数情况下，试样是从几何中性面稍偏下部位首38 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能先开始发生分层，出现较明显裂缝，裂缝延伸也会产生新的分层，成为破坏最严重的的部位，即试样的几何中面偏下处存在最大层间剪切应力，因为试样的拉伸刚度大于压缩刚度，随着加载头位移增加，试样出现更多的裂缝。但存在小部分试样的开裂程度最大的位置出现在几何中面偏上部位，猜测分析是因为几何中面以上层数中纤维的编织角较小，受压缩时在轴向的承载能力增强，压缩刚度增加；几何中面以下层数中纤维的编织角较大，受拉伸时在轴向的承载能力减弱，拉伸刚度减小，及编织角的差异影响了剪切中性面位置，同时存在试样先发生拉伸或者压缩引起分层的可能原因。体式显微镜放大后，两种复合材料的侧面损伤情况清晰可见。观察侧面损伤情况，两种结构的分层破坏非常明显，在加载过程中观察试样，发现大多数试样会先从中性面以下部分首先出现分层，裂缝逐渐在层间延伸，同时也扩展到邻近层。观察图4-8和图4-9可以发现，在发生分层时，裂纹不仅以纤维劈裂或者纤维间树脂破碎的形式在层内延伸，也会从一层扩展到另一层，然后另一层继续产生破坏，引起分层，相邻层之间的裂纹清晰可见，层内层间都发生严重破坏。同时观察试样破坏和剪切-位移曲线的变化过程，发现当试样中出现较明显的与铺层平行的裂缝时，相对应曲线的斜率开始减小，分析得到层间产生裂缝时，即相邻层间相互分离，试样在加载力作用下发生破坏时纤维不同时受力，使材料的层间剪切强度和刚度减小。观察试样的受压和受拉表面，发现部分试样的表层纤维头端翘起，出现分层脱离，结合试验破坏过程，主要存在于试样受到严重破坏阶段，即试验后期阶段。利用砂轮切割试样侧面后，处于试样侧表面的纤维被切断，暴露的碳纤维头端遗留在空气中，形成自由端，这种状态下的纤维极易发生应力集中。当加载头位移较大，试样损伤严重时，侧表面的纤维首先受到破坏，影响纤维周围的树脂发生断裂，产生裂缝，形成纤维翘起。二维编织对称铺层复合材料中，两个方向的碳纤维进行交织形成编织结构，虽然也有纱线头端处于边界位置，但纱线的交织作用减少了表层纤维脱离表面的现象。对于单向编织对称铺层复合材料，每层只有一个方向的碳纤维进行编织，纤维头端翘起的情况会比二维编织结构严重。且由于加载压头处应力的集中，试样的受压面损伤较为严重，受到的压缩力破坏最大。单独分析单向编织对称铺层复合材料的侧面损伤图，由于尼龙热熔丝已不可见，很难观察尼龙热熔丝所在部位的裂纹走势，但观察裂纹分布没有发现规律性的沿尼龙热熔丝方向的分布特点，所以分析可得尼龙热熔丝融化后与树脂亲和性较好，与树脂的界面良好，对试样的力学性能不产生影响。对比两种结构复合材料的层间剪切破坏的裂纹分布规律，可得到以下特点:1)单向编织对称铺层复合材料中每一层的铺层都是单向的，尼龙丝已经融化，没有39 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能固定纱线的作用，因此容易造成层内单向纱线之间的分离；2）单向编织对称铺层复合材料中分层破坏后，裂纹容易沿层间树脂方向延伸和扩展，较多的产生平行于铺层的延伸性缝隙；二维编织对称铺层复合材料中产生破坏时，裂纹容易沿附近纤维进行层间扩展，不同方向裂纹传递的速度和程度有区别，裂纹分布显现出复杂和多层间有裂纹分支的特点。总体来看，单向编织对称铺层复合材料的侧面破坏裂纹更加复杂和严重，这是因为裂纹更容易延伸的原因。试样内部的破坏情况还需要做进一步分析，但受到试样尺寸的限制，本试验不再做中心截面分析，只结合层间剪切载荷-位移曲线可以推测，虽然单向编织对称铺层复合材料侧面裂纹较不明显，但内部应该产生了较为严重的剪切破坏。4.3本章小结本章采用三点弯试验法研究了单向结构和二维结构编织对称铺层复合材料的层间剪切性能，从材料的层间剪切强度、剪切刚度和侧面破坏情况进行了对比分析，且讨论了编织结构参数和试样尺寸等因素对试样层间剪切性能的影响，有以下结论。（1）通过分析剪切载荷-位移曲线，得到每种编织结构相同部分的剪切曲线在最大载荷出现前具有重合性，最大载荷值差异很小，可以反映编织试样的稳定性。且两种结构复合材料各个部分的剪切载荷-位移曲线在刚开始都是非线性变化的，这个阶段试样中并非所有的材料都参与承受了来自加载头的压力，然后曲线呈现线性特征上升，接着曲线的斜率明显变小，剪切破坏开始发生，此时的破坏是弹性可恢复的，再蠕变至最大载荷，试样开始严重但缓慢破坏。观察曲线到达最大载荷后的下降情况，发现随着位移增加载荷没有骤降，这是因为两种试样的分层破坏和纤维断裂不是同时发生的。（2）整体来看，虽然二维编织对称铺层复合材料的角度大于单向编织对称铺层，即受力主方向上纤维承载能力减弱，但前者的层间剪切强度大于后者，从这点体现了二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能优于单向编织对称铺层复合材料，但两者的强度差异程度并不大。猜测是因为二维编织结构层与层之间由于纤维的交织起伏存在相互咬合和摩擦，反而使试样在剪切力下不易移动，阻碍了层与层之间的分离，而分层是剪切破坏的主要形式。说明对于层间剪切性能，二维编织对称铺层复合材料中的纤维的起伏屈曲是有利用抗剪切破坏的。（3）两种结构复合材料中间部分的剪切强度都低于左右两部分，这是因为左右两部分的编织角和纤维间隙都小于中间部分，即在受力主方向上纤维承载能力强。可以反映编织结构的规律性变化，在编织芯轴的表面从两边到中间编织角和纤维间隙呈现梯度性变化，对于一次性成型编织的织物，编织芯轴的表面左右40 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能两部分织物的剪切强度比中间高。且分析得到相比单向编织结构试样，编织角变化对二维编织结构试样的剪切性能影响更大。（4）整体分析两种结构的剪切模量时，两种结构的不同位置剪切载荷-位移曲线起始段的斜率分别相同，即受到较小外力时承受力的能力是一样的。对于二维编织对称铺层复合材料，位移增加后中间部分的模量明显低于两侧，左右两侧差异不大；对于单向编织对称铺层复合材料，中间部分与两侧的曲线斜率差异更小。（5）选取单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的右边部分进行模量对比，两种结构起始模量相同，即在较小外力作用下，两种材料的受力情况类似。随着位移和载荷的增加，二维编织对称铺层复合材料的曲线斜率大于单向编织对称铺层复合材料，但差异不大。总体二维结构试样的剪切性能更好。（6）对比二维编织对称铺层复合材料和单向编织对称铺层复合材料达到最大载荷后的曲线下降情况，可以看出二维编织对称铺层复合材料破坏较缓慢。分析可能是因为二维编织对称铺层复合材料中的纤维交织起伏处于屈曲状态，当受到外力作用时，弯曲的碳纤维先渐渐紧绷伸直，随着外力的进一步增加再出现断裂，所以二维编织对称铺层复合材料韧性较好，而单向编织对称铺层复合材料中的碳纤维基本处于伸直状态，在外力作用下直接伸长变形导致断裂，表现出较差的韧性。（7）通过观察分析两种结构复合材料的侧面破坏图，发现试样分层和开裂现象很明显，单向结构试样的裂纹更多平行于铺层结构，且单向结构试样的裂纹分布更加复杂多样，分析是因为裂纹在层间更容易延伸造成的。但试样内部的破坏情况需要做进一步的分析。41 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能5结论与展望5.1结论本文主要采用编织的方式制备单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料，通过设计纤维体积含量、编织角和纤维中心距等参数控制试样的精准度和两种结构的可比性，并对每种结构处于不同编织芯模部位的试样记录试验数据，根据芯轴横向，分别分为左中右三个独立试验片个体；然后对各个结构试样进行三点弯式短梁法层间剪切试验来研究单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的剪切性能，并在体式显微镜下观察不同结构的层间剪切损伤机理；单向编织对称铺层复合材料作为一种新型材料，虽然克服了编织结构中纤维屈曲造成试样面内力学性能减弱的问题，但层间剪切性能还需要采用试验方法进行研究，对这一问题，在考虑纤维体积分数、编织角和纤维中心距的基础上，通过对比单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的剪切强度和剪切模量，进行了剪切性能研究。本论文主要研究内容及结论归纳如下：（1）编织结构设计时，依据层间剪切试验标准和对称结构要求，确定编织物的厚度和铺层数。同时应满足纤维体积分数一致，单向编织对称铺层结构设计为16层，二维编织对称铺层结构设计为8层；（2）编织过程中纤维的编织角和覆盖率是影响复合材料力学性能的主要因素。先以控制每层纤维间隙为主进行二维编织对称铺层试样的编织，随着编织层数增加，芯轴尺寸增大，通过减小芯轴移动速度保证每层织物的纤维间隙一致，但编织角会呈现出随着层数增加而增大的规律。进行单向编织对称铺层结构试样编织时，以二维编织结构每层的编织角变化和纤维间隙大小为参考进行编织，二维编织物的每一层试样对应单向编织物的每两层。为了使单向结构编织物的前两层的编织角和纤维间隙与二维结构编织物的第一层一致，单向结构编织物编织前，调整编织芯轴的周长到合适的尺寸。编织结束后根据测量数据发现，单向结构编织物的前8层编织角与二维结构编织物基本一致，但后8层明显小于二维结构编织物，两种结构在进行层间剪切性能对比分析时，需要考虑角度的影响。（3）通过分析试样剪切载荷-位移曲线，发现曲线刚开始是非线性变化的，然后曲线呈现线性特征上升，接着曲线的斜率明显变小，剪切破坏开始发生，此时的破坏是弹性可恢复的，再蠕变至最大载荷，开始严重破坏直至试样两面出现失效。（4）整体来看，虽然二维编织对称铺层复合材料的角度大于单向编织对称42 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能铺层，但前者的层间剪切强度大于后者，从这点体现了二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能优于单向编织对称铺层复合材料，但两者的强度差异程度并不大。猜测是因为二维编织结构层与层之间由于纤维的交织起伏存在相互咬合和摩擦，反而使试样在剪切力下不易移动，阻碍了层与层之间的分离，而分层是剪切破坏的主要形式。说明对于层间剪切性能，二维编织对称铺层复合材料中的纤维的起伏屈曲是有利用抗剪切破坏的。（5）分析得到编织结构的规律性变化，在编织芯轴的表面从两边到中间编织角和纤维间隙呈现梯度性变化，对于一次性成型编织的织物，编织芯轴的表面左右两部分织物的剪切强度比中间高。且分析得到相比单向编织结构试样，编织角变化对二维编织结构试样的剪切性能影响更大。（6）选取单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的右边部分进行模量对比，在较小外力作用下，两种材料的受力情况类似。随着位移和载荷的增加，二维编织对称铺层复合材料的曲线斜率大于单向编织对称铺层复合材料，但差异不大。总体二维结构试样的剪切性能更好。然后对比两种结构材料达到最大载荷后的曲线下降情况，可以看出二维编织对称铺层复合材料破坏较缓慢。分析可能是因为二维编织对称铺层复合材料中的纤维交织起伏处于屈曲状态，当受到外力作用时，弯曲的碳纤维先渐渐紧绷伸直，随着外力的进一步增加再出现断裂，所以二维编织对称铺层复合材料韧性较好，而单向编织对称铺层复合材料中的碳纤维基本处于伸直状态，在外力作用下直接伸长变形导致断裂，表现出较差的韧性。（7）通过观察分析两种结构复合材料的侧面破坏图，发现试样分层和开裂现象很明显，单向结构试样的裂纹更多平行于铺层结构，而二维结构试样的裂纹分布更加复杂多样，分析是因为裂纹沿两个方向纤维进行延伸造成的。但试样内部的破坏情况需要做进一步的分析。5.2展望对于二维编织对称铺层复合材料中纤维相互交织屈曲，减弱了面内力学性能的缺陷，单向编织对称铺层复合材料进行了结构上的改进，减少了织物中纤维的屈曲程度。但单向编织对称铺层复合材料减少了层与层间阻碍纤维受力移动的摩擦力，因此与二维编织对称铺层复合材料相比，抗层间剪切能力没有得到提高。但试验数据显示，两种结构复合材料的层间剪切性能差异较小，若在编织工艺上进行更大的改进，例如减小编织试件中纤维的弯曲程度和数量，更加精准的控制模具和锭子的速度配合等，相信单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能会得到进一步的提高。43 东华大学硕士学位论文单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能本论文仅对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的层间剪切性能进行了研究，主要对两种结构进行对比分析，采用短梁法得出的是材料的表观剪切强度，更精确量化的剪切性能研究需要更加合理的试验方法，且由于试样尺寸的限制，难以分析剪切破坏裂纹在宽度方向的变化规律，只进行了侧表面的裂纹特点分析，还需要深入探讨。单向编织对称铺层复合材料作为一种应用价值高的新结构材料，有很大的研究空间，本论文的试验还不够完备，有待进行拉伸、压缩、弯曲等进一步的探讨。44 东华大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]沈强军.纺织材料与纺织设计发展探索[J].产业与科技论坛，2014(5):123-124.[2]徐倩.二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究[D].东华大学,2017.[3]MiddendorfP,VandenBrouckeB.MaterialCharacterizationofNon-CrimpBraidedCFRPforAeronauticApplications[J].RcentAdvancesInTextileComposites,2008:114-120.[4]EarleIiiGA,KruesiAH,StocktonJE,etal.Asymmetricbraidingofimprovedfiberreinforcedproducts:US,US5419231[P].1995.[5]GeßlerDI,MaidlF.VerfahrenzumHerstellenvonFaserverbund-HalbzeugenmittelsRundflechttechnik:EP,DE102004017311[P].2005.[6]Middendorf,P,VandenBroucke,B.MaterialCharacterizationofNon-CrimpBraidedCFRPforAeronauticApplications.2008.[7]BaucomJN,ZikryMA.EvolutionofFailureMechanismsin2Dand3DWovenCompositeSystemsUnderQuasi-StaticPerforation[J].JournalofCompositeMaterials,2004,38(6):535-535.[8]KantT,SwaminathanK.Estimationoftransverse/interlaminarstressesinlaminatedcomposites–aselectivereviewandsurveyofcurrentdevelopments[J].CompositeStructures,2000,49(1):65-75.[9]CheesemanBA,BogettiTA.Ballisticimpactintofabricandcompliantcompositelaminates[J].CompositeStructures,2003,61(1):161-173.[10]MouritzAP,BannisterMK,FalzonPJ,etal.Reviewofapplicationsforadvancedthree-dimensionalfibretextilecomposites[J].CompositesPartAAppliedScience&Manufacturing,1999,30(12):1445-1461.[11]李媛媛.三维编织复合材料冲击剪切响应及其失效机理研究[D].东华大学,2017.[12]李潘,王波,甄文强,矫桂琼.二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能[J].机械强度,2014,36(05):691-693.[13]CamusG.Modellingofthemechanicalbehavioranddamageprocessoffibrousceramicmatrixcomposites:applicationtoa2-DSiC/SiC[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2000,37(6):919-942．[14]吴琦,张程煜,乔生儒,何续斌,李玫,韩栋.二维C/(BC_x–SiC)_n复合材料的高温层间剪切性能[J].硅酸盐学报,2009,37(05):867-870.[15]FalzonPJ,HerzbergI.Mechanicalperformanceof2-Dbraidedcarbon/epoxycomposites[J].Compositesscienceandtechnology,1998,58(2):253-265.[16]张增光.2D-C/SiC复合材料的弹性常数预测及失效模式研究[D].西北工业大学,2005.[17]管国阳,矫桂琼,张增光.平纹编织C/SiC复合材料的剪切性能[J].机械科学与技术,2005,24(5):515-517.[18]李俊,矫桂琼,王波.平纹编织C/SiC复合材料层合板面内力学性能的可设计性研究[J].机械强度,2012,34(02):229-233.45 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东华大学硕士学位论文参考文献Manufacturing,2005:1645-1656.[41]封金鹏,倪文,陈德平等.纤维增强纳米SiO2复合隔热材料的力学性能材料导报2011,25(8):40-43.[42]GoyalD.Analysisof2x2braidedcomposites[J].2004.[43]石宝,张林彦.玻璃纤维复合材料纤维体积含量的测定方法[J].上海纺织科技,2012,40(09):61-62.[44]张浩.纤维增强复合材料剪切试验方法综述[J].科技创新导报,2015,12(21):65-66.[45]ISO14130:1997,纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度[46]ASTMD2344/D2344M-2000(2006),StandardTestMethodforShort-BeamStrengthofPolymerMatrixCompositeMaterialsandTheirLaminates[47]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西北工业大学出版社,1999.[48]陈海霞.层合板复合材料层间剪切强度评价方法的研究[D].天津工业大学,2002.[49]罗祖道,王震鸣.复合材料力学进展[J].北京大学出版社,1992.47 东华大学硕士学位论文致谢致谢临近毕业之际，回首研究生两年，犹记得开学初入东华见新舍友时的满怀期待和憧憬，犹记得双选会时签订导师时的喜悦和自豪，犹记得初见课题组师兄师姐时的激动和紧张，犹记得初识辅导员和同班同学时的新奇和开心，如今似乎还刚开始熟悉感知到这里的可爱就要迫不及待离开了。这两年经历了太多值得珍惜的事情，课题组同学之间革命般的友谊，宿舍舍友之间家人般的感情，以及最重要的是在科研和学习上导师给与的及时引导和帮助，这些是我收获颇多又快乐难忘的两年研究生生涯最重要的部分，相信以后在我的整个人生道路上都将受益匪浅。很庆幸的是，在刚进入课题组一无所知的时候，就得到了阎建华老师周全的指导和建议，从专业书籍和参考文献很快就理解了复合材料编织领域的基础概念和内容，随后跟随同门师兄师姐一起试验，对自己所要深刻研究的东西有了具体的认识，特别感谢能参与到师兄师姐的试验中，不仅掌握了相当复杂的复合材料编织技术和固化经验，而且见证了试验过程中各种问题和干扰的发现以及解决，这些都是我能够顺利完成我的试验必不可少的经验。其中少不了阎老师严谨科研态度的坚持和丰富的科研经验的指导，少不了刘东杭师兄、秦楠和施丽师姐一起热心的寻找解决试验难题的帮助，少不了同届同学赵青青和怀栖铭一起探讨试验方案和计划的同心协力。其中，从课题的选取和探究、试验方案的设计和改进、试验过程中问题的分析和解决，到最后论文的撰写和定稿，阎老师始终一丝不苟的给予指导和帮助，阎老师尊重科学事实，有着对科研纯粹的热爱和理解，还有诲人不倦的高尚师德和平易近人的人格魅力，都让我深受感动和尊敬，刘东杭师兄也传授了很多有用的专业知识和宝贵的试验经验，给予了很大的支持。非常感谢阎老师和这一群可爱的同伴们给与了极大的帮助。除此之外，车间的两位老师丁延庆老师和顾海麟老师，根据他们多年工程实践和编织经验的积累，对我们在编织过程中遇到的新问题提供了很多有效的意见，有了两位老师的帮助和支持，让没有经验的我们少走了很多弯路，深刻的体会到了实践出真知的道理，特别感谢两位老师的悉心指导和帮助！当然，也很感激其他课题组老师和同学在我试验过程中的友情支援，因为他们的每一小步都是我的一大步！两年的研究生生涯不仅只有课题组的充实和忙碌，还通过研会认识了一群有趣妄言的小伙伴们，带来了很多的欢乐，遇到一个尽心尽职又不失可爱的辅导员，满满的正能量和温暖。收获最大的是拥有相互陪伴相互成长的室友，见证彼此更加的成熟和努力。两年时光，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达潜力和广阔视野。很庆幸这两年来我遇到48 东华大学硕士学位论文致谢了如此多的良师益友，在学习和生活上，都给予了我无私的帮忙和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过两年的大学生活。感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。非常感恩两年来遇到的所有人，才成就了今天的我，即将步入社会之际，将开始新的起点，但愿我们都能感恩母校不负期待！49