三维编织复合材料的结构参数对其力学性能的影响.doc

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三维编织复合材料的结构参数对其力学性能的影响
三维编织复合材料的结构参数对其力学性能的影响

关键词：三维编织 复合材料 力学性能 测试 结构参数

层合复合材料因层的存在而带来力学性能的弱点：如易分层、开裂敏感和损伤扩展快、沿厚度方向的刚度和强度低、冲击韧性和损伤容限水平较低、抗面内剪切强度低等〔1〕。编织结构复合材料是三维编织技术和现代复合材料技术相结合的产物，它与传统复合材料具有较大的区别。它的增强体是具有多轴纤维取向的高度整体化的连续纤维集合体。第一，三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；第二，与传统层合复合材料不同，三维编织复合材料由于具有多向纱线构成空间互锁网状结构（高度的整体性），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。第三，三维编织复合材料能够直接成型许多具有复杂形状的结构，为设计和制造净尺寸复合材料部件提供了可能，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。由此引起了工程界和学术界的极大关注，并逐渐在航空航天、交通、军工、建筑、医疗和体育器材等领域得到广泛应用。
对纺织结构创建几何模型始于20世纪三四十年代Peirce开创性的工作，之后Hearle,Grosberg, Backer,Hamburger和Platt〔1〕等人在纺织结构力学方面的工作为纺织材料在工程结构上的应用奠定了基础。C.M.Pastore和F.K.Ko〔1〕认为对纺织结构复合材料力学性能的分析取决于对织物性能的分析，这种性能分析需要对纱线的性能、结构、取向以及纤维体积含量等进行量化分析。
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。Ma等〔2〕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〔3〕建立了“纤维倾斜模型”，利用修正的层合理论，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。Li,Hammad和EI-Shiekh〔4〕实验研究了预成型的细观结构。Du等〔5〕研究了胞体的几何特征和挤压条件。Wu〔6〕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〔7〕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〔8〕进一步发展了该模型，并进行了试验验证。李嘉禄〔9〕和孙慧玉〔10〕〔11〕等也对三维编织复合材料进行了试验研究。
拉伸和压缩性能是复合材料常规性能的试验。由于三维编织复合材料力学性能受多种因素的影响。对于编织结构复合材料来说，决定其性能的主要是其结构参数，而哪些参数的影响显著，还需要进行大量的研究工作。本工作对1×1四步法方型三维编织复合材料进行了拉伸和压缩等项目的测试，在三维编织复合材料结构参数对其力学性能的影响方面作了一些工作。为该材料的理论和破坏行为的研究奠定了一定的基础。
1 试 验
1.1 试样准备
纤维束：1200Tex无捻玻璃纤维（南方玻璃纤维制造公司生产），密度2.54g/cm3。
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：100：100：1。固化剂选用70#酸酐，学名为四氢化邻苯二甲酸酐（PA），其分子量为146，固化温度150～180°c，固化时间约4～24小时；采用的催化剂为苯胺；本实验的予型件采用四向1×1四步法三维编织结构，采用RTM（树脂传递模塑）工艺复合固化成型。ＲＴＭ的固化工艺参数为：抽真空达到１bar；树脂注入模具的压力为4bar；固化周期：130ºC/2小时—150ºC/1小时—160ºC/8小时—180ºC/3小时；
模具的预热温度为100ºC。三维编织复合材料试件的测试数据均为三至五片试件的平均值（测试中发生在非工作区内的破坏数据弃用）。
1.2 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，予型件在温度、相对湿度45%～55%的环境条件下至少放置24h。测试机采用日本岛津AG-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。
2 测试及结果分析
编织结构复合材料的结构参数主要有纤维体积分数、编织角、编织节长以及纱线填充系数等。纤维体积分数可以通过对材料的结构细观结构分析而计算出，也可以通过试验方法得到；编织角定义为内部编织纱与材料纵轴的空间夹角(<90º)，为便于实际测量，一般以表面纱与材料纵轴的倾角代替；编织节长受编织角的影响；纱线填充系数一般取固定值0.785。
图1和图2分别表示不同结构参数的编织复合材料的拉伸和典型的压缩应力－应变关系图。从图1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。
图3显示弹性模量随编织角的变化情况。图4表示拉伸模量随纤维体积百分含量的变化趋势。表明拉伸模量随着纤维体积含量的增加而变大。但是，纤维体积含量会有个极点，因此拉伸模量和拉伸强度也有个上限值。理论分析表明，三维编织结构复合材料的最大纤维体积含量与编织角以及纱线填充系数等因素有关。

图1 拉伸应力－应变曲线

图2 纵向压缩应力-应变曲线

图3 弹性模量随编织角的变化关系

图4 拉伸模量随纤维体积含量的变化图
1×1四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：
（1）
式中，εc、εf和εm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。

图5 拉伸断裂应变随编织角的变化
3 材料破坏原因及破坏模式分析
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。编织角的增加是有限的。可见，编织复合材料的模量和强度受其结构参数的影响很大。
如果控制纤维体积含量保持在不大的范围内变化时，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，三类典型的压缩破坏(松散型破坏、鼓状破坏和45°角的断裂破坏)区域如图6所示。这说明编织复合材料的破坏模式与其结构参数的关系密切。

图6 编织复合材料纵向压缩破坏的三个区域
在拉伸过程中，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。另外，纤维束从树脂基体中拔出后仍保持圆柱状，断口处纤维束之间的树脂出现粉碎性破坏。三维编织复合材料纵向压缩破坏的断面与编织轴向大约成45°角，与铸铁的压缩破坏形式相类似。总之，在拉伸和压缩这两种变形过程当中，都会出现纤维束之间的树脂粉碎并破坏，而纤维束基本上保持着圆柱状，说明纤维束之间的基体存在着较大的变形。从两种类型的破坏应力－应变曲线图上可以看出，均存在一段或多段缓冲区域，说明破坏不是一次性发生的，具有逐“层”失效的特征。在细观上，三维编织复合材料内部的应变场表现为非均匀性。需要进一步研究局部的非均匀应变对编织复合材料性能产生的影响。
4 结 论
（1）无论破坏形式如何，编织复合材料的模量和强度主要受编织角和纤维体积含量的影响；
（2）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；
（3）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；
（4）编织角越小，拉伸应力－应变曲线越接近于线性；而编织角越大，其应力－应变越表现出非线性；
（5）编织复合材料的破坏模式与其结构参数的关系密切，并主要受纤维体积含量和编织角的影响；
（6）三维编织复合材料内部的应变场在细观上表现为非均匀性。
参考文献
〔1〕 F. K. Ko. Three-Dimensional Fabrics for Composites—An Introduction to the Magnaweave Structure. Proc. ICCM-4, Japan Soc. Composite Materials, Tokyo, Japan, 1982: 1609.
〔2〕 Ma C L, Yang J M, Chou T W. Elastic stiffness of three-dimensional braided textile structural composites〔A〕.In:Whitney J M, ed.Composite Materials: Testing and Design. ASTM STP 893〔C〕. Philadephia: American Society for Testing and Materials,1986.404~421.
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〔5〕 Du G W , Ko F K . Unite cell geometry of 3-D braided structures〔J〕 . Journal of Reinforced Plastics and Composites, 1993,12(7):752~768.
〔6〕 Wu D L . Three-cell model and 5-d braided structural composites〔J〕. Composites Science and Technology, 1996,56(3):225~233.
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〔8〕 Mohajerjasbi S. Fiber architecture of three-dimensional braided composites〔J〕 . AIAA Journal,1998,36(4):613~617
〔9〕 李嘉禄，肖丽华，董孚允. 立体多向编织结构对复合材料性能的影响〔J〕. 复合材料学报，1996，13（3）：71～75
〔10〕 Sun H Y, Qiao X. Prediction of mechanical properties of three –dimensional braided composites〔J〕.Composites Science and Tecjnology,1997,57(6):623~629.
〔11〕 孙慧玉,吴长春. 纺织结构复合材料力学性能的试验研究.试验力学,1997,12(3):335~341
〔12〕 杨朝坤. 三维编织复合材料力学性能的试验研究. 材料工程〔J〕.2002,7:33~35
作者简介 杨朝坤（1968.12~），四川省简阳人，博士，讲师，主要从事纺织工程、纤维增强复合材料细观力学、工艺以及成型等领域的研究. 通讯地址：新疆大学纺织系. 邮编：830008 联系电话：[phone] E－mail ：yck327@