宽度方向切削的三维编织碳_碳复合材料拉伸试验研究.pdf

第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.008江苏科技大学学报（自然科学版）Vol.37No.3Jun.2023宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究杨兴林,刘晓倩，陈（1.江苏科技大学能源与动力学院，镇江2 12 10 0）（2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京2 10 0 16)摘要：对完整的三维编织碳/碳复合材料宽度方向的两边进行切削加工，开展了试验段宽度分别为8、13、16、2 1、2 5mm，以及试验段长度分别为2.9、4.7、10.7、15.6、2 5.6 mm试验件的拉伸试验，研究切削后试验段宽度、长度对三维编织碳/碳复合材料弹性模量和拉伸强度的影响.结果表明：弹性模量及拉伸强度随试验段宽度的增大而减小，拉伸强度会趋于切削强度极限；当宽度为8 和2 5mm时，切削后试验件的拉伸强度分别为未切削的2 3.33%和8 4.96%，弹性模量分别为未切削的6 7.0 4%和8 7.96%；随着试验段长度的增加，拉伸强度和弹性模量逐渐降低；当试验段长度为2.9和2 5.6 mm时，切削后试验件拉伸强度为未切削的91.17%和58.2 5%弹性模量为未切削的94.14%和7 6.99%；采用指数函数对试验结果进行拟合，得到了切削后试件拉伸强度随试件宽度和长度的数值关系和演化规律.关键词：三维编织；碳/碳复合材料；切削加工；拉伸试验；力学行为中图分类号：TB33Tensile test of three-dimensional braided carbon/carbonYANG Xinglin,LIU Xiaoqian,CHEN Bo,WEN Weidong?(1.School of Energy and Power,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)(2.College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:Cutting was carried out on both sides of the width direction of the complete 3D braided carbon/carboncomposites.The tensile tests were carried out on the specimens with the test section widths of 8,13,16,21 and25 mm,and the test section lengths of 2.9,4.7,10.7,15.6 and 25.6 mm,respectively.The effects of differ-ent test section widths and different test section lengths after cutting on the elastic modulus and tensile strength of3D braided carbon/carbon composites were explored.The results show that the elastic modulus and tensilestrength decrease with the increase of the test section width,and the tensile strength tends to the cutting strengthlimit.When the widths are 8 and 25 mm,the tensile strength of the cutting specimen is 23.33%and 84.96%of that of the uncut specimen,and the elastic modulus is 67.04%and 87.96%of that of the uncut specimen.With the increase of test section length,the tensile strength and elastic modulus decrease gradually.When thelength of the test section is 2.9 and 25.6 mm,the tensile strength of the test piece after cutting is 91.17%and58.25%of that without cutting,and the elastic modulus is 94.14%and 76.99%of that without cutting.Theexperimental results were fitted by exponential function,and the numerical relationship and evolution of tensilestrength with the width and length of the specimen after cutting were obtained.Key words:3D braiding,carbon/carbon composite,cutting process,tensile test,mechanical behavior波，温卫东?文献标志码：A文章编号：16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-0 48-0 6composites cut in width direction收稿日期：2 0 2 1-12-10基金项目：江苏科技大学博士科研启动基金（1142 93190 5）作者简介：杨兴林（196 4一），男，博士，教授，研究方向为船舶先进制造技术研究和内燃机系统设计.E-mail:引文格式：杨兴林，刘晓倩，陈波，等.宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 2 3，37(3):48-53.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.008.第3期由于具备复合材料基本特性,且在空间上呈纤维相互缠绕的多向分布，因而比复合材料层合板具备更好的横向性能，因此，在受力十分复杂的情况下，三维编织复合材料会有着相对更好的断裂韧性以及冲击损伤容限，因三维编织复合材料在预制体纵向为整体编织工艺，沿预制体纵向进行机械加工极易造成纤维大面积断裂，使得加工后的三维编织复合材料力学性能大幅度降低,从而造成三维编织复合材料构件的安全性不可预估，严重降低了三维编织复合材料的实用性.研究表明 ，三维编织复合材料在切削后,其力学性能与尺寸有关.目前，有关三维编织复合材料的研究主要集中在未被机械加工的标准试验件方面.文献2 对三维编织复合材料进行拉伸试验，发现编织角度、结构周期性会影响其应力应变场增大，进而改变材料破坏形式；文献3 经力学试验比较发现，由于掺入第五种纱线，三维五向编织SiO2r/SiO2复合材料的抗拉强度在原有基础上提高了24%;文献4 开展了三维编织SiC/SiC复合材料的拉伸和弯曲试验，明确了原生孔洞和微裂纹会引起应力集中.此外，学者们也开展了对三维编织复合材料的压缩5、剪切6-7 、动态冲击8 以及温度效应9-10 1的力学试验研究分析.针对切削加工后三维编织复合材料的力学性能演变，文献11-12 通过相关试验研究发现切割后材料的刚度和强度均大幅下降.文献13-14分别对不同编织角度的三维编织复合材料，利用试验分析不同方向切割与未加工试件间的力学性能变化,结果表明,切边导致纤维空间结构受到破坏，试件力学性能下降；且切边在厚度方向时下降幅度最大，同时试件尺寸增大后切边的影响变小.以上文献重点研究与分析没有考虑机械加工的三维编织复合材料有关参数会对其力学性能带来的影响，鲜有探索机械加工后试件的力学性能及其演化规律，同时也缺乏必要的失效分析.为揭示三维编织碳/碳复合材料在切削后尺寸对其力学性能的作用机理和规律,文中针对宽度方向切削后的（以下简称切削后）三维编织碳/碳复合材料，开展了不同试验段宽度和不同试验段长度板型试验件在室温下的拉伸试验.建立了切削后三维编织碳/碳复合材料尺寸与拉伸强度的数学关系，从而能够较高精度的描述切削后三维编织碳/碳复合材料的拉伸强度随宽度、长度的演化规律，为三维编织复合材料在实际应用中提供必要的试杨兴林，等：宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究carbon/carbon composites纤维体积分数体积密度/V/%(g/cm3)501.87针对不同宽度与长度试验段的复合材料实施拉伸试验分析.未切削试验件的试验件尺寸按照国标GB/T3354-1999确定，切削后尺寸则按照宽度方向削减单胞个数确定,采用立式铣床完成切削加工，宽度方向切削加工形式如图1.具体试验件尺寸见表2,作为对照组，同时对未切削的三维编织碳/碳复合材料试验件进行了拉伸试验，其试验件尺寸15 为2 40 mm25 mm3.5mm.图2(a)给出了试验段尺寸为4.7 mm16mm3.5mm的试验件实物，图2(b)为未切削的三维编织碳/碳复合材料试验件实物.采用SDS-50测试系统开展拉伸试验,试验机夹紧力为4.14MPa,加载方式为位移加载，加载速率为1mm/min.图3为试验件拉伸破坏后的原位.试验段宽度方向切削前夹持端！图1宽度方向切削加工示意图Fig.1 Width direction cutting schematic49验数据和理论方法.1试验碳/碳复合材料中纤维选用日本东丽的T3003K碳纤维,其中纤维束中单丝含量为30 0 0 根，单丝直径为7 m,纤维密度为1.7 6 g/cm.三维编织碳/碳复合材料试验件的制作过程主要有：（1）选择使用11、4步法完成对碳纤维束的加工操作，使其成为预制体编织件.其中内部的编织角是2 2.（2）借助于树脂传递模塑成型（resintransfermolding,RTM)对树脂实施罐冲处理以后,再完成高温预处理操作，并且分别在常压与高压条件下实施碳化处理等，在此基础上实现对材料的成型处理.在实际操作中，高温预处理的温度保持在2200，碳化周期选定为4周期.具体材料结构参数见表1.表1三维编织碳/碳复合材料结构参数Table 1Structural parameters of 3D braidedJm/%7.8816.96试验段1宽度方向切削后夹持端孔隙率基体孔隙率f/%50表2 三维编织碳/碳复合材料试验件试验段尺寸Table 2Dimensions of 3D braided carbon/carboncompositetestpieces试验段宽度厚度/（mmmm）8x3.5133.5163.521x3.5253.5*注：带*试验件为未切削试验件.(a)切削后尺寸为4.7 mm16mm3.5mm的试验件实物(b)未切削的三维编织碳/碳复合材料试验件实物图2 切削加工前后试验件实物Fig.2 Test pieces before and after cutting图3试验件拉伸破坏后的原位图Fig.3 In-situ pictures of test pieces after tensile failure2试验结果及讨论2.17不同试验段宽度对力学性能的影响对于表2 中试验段长度为2 5.6 mm的5种试验段宽度的试验件5次拉伸试验结果取均值，见表3.由表3可知，三维编织碳/碳复合材料在切削后，拉伸强度和弹性模量显著降低,且随着试验段宽度的增加逐渐增强.当宽度为8 和2 5mm时，拉伸强度分别为未切削三维编织碳/碳复合材料的23.33%和8 4.9 6%，弹性模量分别为6 7.0 4%和87.96%.可见，切削后三维编织碳/碳复合材料的拉伸强度对宽度更敏感.究其根本原因，在对复合材料实施横向切削后，纤维束的完整性遭到破坏，江苏科技大学学报（自然科学版）在切削部位周围的纤维发生断裂.但是，三维四向复合材料中大量纱线的走向会流经边界，这就会切断大量的纤维，使得试验件整体强度的大幅度下试验段长度/mm降.图4和图5分别为切削前后三维编织复合材料25.6预制体单胞投影示意图.由图4和图5可知，经切2.94.710.715.625.625.625.624.02023年削后的三维编织复合材料缺失了弹性模量更大的表面单胞和角胞，造成了弹性模量的整体下降.图6为切削后5种不同宽度试验件的应力/应变曲线，由图6 可知，切削后三维编织碳/碳复合材料的应力/应变曲线在开始时呈线性关系，当接近破坏时，应力/应变关系转变为非线性.对比应变可知，随着宽度的增加，试验件拉断前的应变逐渐增大.图7 给出了未切削、切削后2 5mm三维编织碳/碳复合材料应力/应变曲线对比，相比未切削试件，切削后试件的拉伸弹性模量降低、强度降低、断裂程度加剧,因此强度达到峰值后,应力骤降,应变不再增加,而未切削试件应力达到峰值后，以一定速度逐渐降低,应变依然随之增加.记切削后试验件强度为aw，极限强度为qwmax，。为完整试验件强度.由于切削后试验件力学性能降低，且切削后极限强度大于切削后的一般情况，因此可知gwawmax.对表3中的试验数据进行拟合,建立了切削后三维四向复合材料材料宽度和拉伸强度的关系式：qw=a,+d2 a3wa式中:1v2v为试验参数;w。为切削后的试验件宽度.其中,a=330.17,z=-1 085.25,a3=0.83.拟合后的结果如图8.表3试验件纵向拉伸试验结果Table 3 Longitudinal tensile test results of test pieces试验段截面尺寸/平均弹性模量/(mmXmm)强度/MPa8x3.585.7113x3.5213.99163.5296.25213.5308.98253.5312.14253.5*367.38注：带*号为非切边试验件.表面单胞图4三维编织复合材料预制体单胞水平投影Fig.4Horizontal projection of three-dimensionalbraided composite preform(1)平均拉伸GPa63.4372.4874.7781.0683.2294.61一内部单胞角胞第3期图5切削后三维编织复合材料预制体单胞水平投影Fig.5Horizontal projection of three-dimensionalbraided composite preform after cutting4008.mmi3mm350i6mm2imm30025mm250200150100500图6 切削后5种不同试验段宽度试验件的应力/应变曲线Fig.6Stress/strain curves of test pieces with fivedifferent test section widths after cutting500r450-切削后2 5mm一未切边2 5mm400350300250200150100500.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007图7未切削与切削后2 5mm三维编织碳/碳复合材料应力/应变曲线对比Fig.7Comparison of stress/strain curves betweenuncut and 25 mm three-dimensional braidedcarbon/carbon composites350试验数据300F一拟合曲线，250F2015010050L81012141618,20222426试验段宽度/mm图8 切削后三维四向复合材料试验段宽度和拉伸强度的关系拟合曲线Fig.8Fitting curve of relationship between widthand tensile strength of three-dimensionalfour-way composite test section after cutting2.2切削后不同试验段长度对力学性能的影响不同试验段长度试验件的拉伸试验数据见表4.由表4可知,随着试验段长度的增加,切削后三维编织碳/碳复合材料拉伸强度和弹性模量逐渐降杨兴林，等：宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究of different test sections平均拉伸试验段长度/mm强度/MPa2.9334.954.7302.5410.7280.380.0010.0020.003应变应变51低.记切削后试验件强度为Q,极限强度为almx，。为完整试验件强度，试验件因切削导致力学性能降低,且切削后试验件极限强度大于切削后的一般情况,则有qlmax。.其中,当试验段长度为2.9和2 5.6 mm时，切削后试验件拉伸强度分别为未切削的9 1.17%和58.2 5%，弹性模量分别为未切削的9 4.14%和7 6.9 9%.表4不同试验段长度试验件纵向拉伸试验结果Table 4Longitudinal tensile test results平均弹性模量/GPa89.0787.2382.280.0040.00515.625.6图9给出了未切削与切削后三维编织碳/碳复合材料试验件破坏后的宏观断口形貌.由图9（a)可见，复合材料有着十分平整的宏观断口，会有一少部分的纤维被拔出.试验件的破坏形式以纤维拉伸断裂为主,考虑纤维与加载方向存在一定偏角，因而破坏形式中包含剪切失效，又由于碳/碳复合材料属弱界面强度材料,因而材料在拉伸过程中易发生纤维和基体的脱粘，从而有纤维拔出现象发生.由图9(b)可知,由于切削加工破坏了三维编织碳/碳复合材料的完整性，试验件在加载过程中，裂纹最先由切削位置发生，并随着载荷的增加逐步扩展至整个断面.相比于未切削试验件，切削后试验件的拉伸破坏断口中纤维拔出现象更为明显.(a)未切削试验段宽度2 5mm(b)切削后试验段宽度2 5mm图9未切削与切削后三维编织碳/碳复合材料试验件破坏后的宏观断口形貌Fig.9Macroscopic fracture morphology ofthree-dimensional braided carbon/carbon compositespecimens after failure without cutting and after cutting图10 给出了5种切削后不同试验段长度试验件的应力/应变曲线.由图10 可知，随着切削后试验段长度的增加，三维编织碳/碳复合材料的拉伸强度逐渐降低，应变逐渐增加.对表4拉伸强度数据点进行拟合，得到了图11的拟合曲线，其中，264.23213.9979.1272.4852a,=7.46,az=335.30,a,=0.98.200150F100500图10 切削后5种不同试验段长度试验件的应力/应变曲线Fig.10Stress/strain curves of test pieces with fivedifferent test section lengths after cutting350r32530027525022520052468101214161820222426试验段长度/mm图11切削后三维四向复合材料试验段长度和拉伸强度的关系拟合曲线Fig.11Fitting curve of relationship betweenlength and tensile strength of three-dimensionalfour-way composite test section after cutting3结论（1）开展了切削后三维编织碳/碳复合材料5种试验段宽度试验件的拉伸试验.试验结果表明，弹性模量以及拉伸强度会伴随试验段宽度的增大而慢慢减小.除此以外，拉伸强度会慢慢地趋近于切削强度极限.采用指数函数能够较好的拟合拉伸强度随试验段宽度的变化规律.切削造成三维编织碳/碳复合材料产生较多的纤维初始断裂，使得切削后三维编织碳/碳复合材料断口出现较多的纤维拔出破坏.（2）开展了切削后三维编织碳/碳复合材料5种试验段长度试验件的拉伸试验.基于对结果的分析发现,在试验段长度不断增大的情况下,拉伸强度和弹性模量逐渐降低,采用指数函数能够较好的拟合拉伸强度随试验段长度的变化规律.参考文献(References)1 3王明强，纪飞飞，王国良，等.微切削测力平台的弹性体结构拓扑优化设计和模态实验研究J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 18,32（1）：6 2-6 6.WANG Mingqiang,JI Feifei,WANG Guoliang,et al.Topology optimization design and experimental study 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