龐傘傘,閻建華,俞建勇

(1.東華大學，上海 201620)( 2.東華大學研究院，上海 201620)

增強體結構對縫合編織復合材料剪切性能影響的實驗研究

龐傘傘1,閻建華2,俞建勇1

(1.東華大學，上海 201620)( 2.東華大學研究院，上海 201620)

本文主要研究增強體結構對縫合編織復合材料剪切性能的影響。通過對奇數(shù)層薄片縫合、偶數(shù)層薄片縫合、偶數(shù)層厚片縫合3種試樣進行實驗研究，分析了不同編織物層數(shù)、不同編織物厚度對縫合編織復合材料剪切強度、試樣破壞時吸收能量的影響。結果表明：偶數(shù)層厚片縫合試樣不僅剪切強度大于其他兩種試樣，而且單位厚度所吸收的能量也比其他兩種試樣多。通過觀察3種試樣內(nèi)部的破壞情況可知，偶數(shù)層厚片縫合試樣發(fā)生分層破壞，但在其他兩種試樣中并無此現(xiàn)象發(fā)生。

縫合編織復合材料；編織物層數(shù)；編織物厚度；剪切性能

1 引 言

自20世紀80年代中期以來,利用厚度方向的縫合來增強纖維增強復合材料性能引起了人們的興趣。它之所以能引起人們的重視是因為傳統(tǒng)的二維鋪層復合材料具有層間力學性能差的弱點[1]，而三維整體結構復合材料具有成本高的缺點[2]?？p合復合材料的發(fā)展將擴大復合材料的應用范圍。

A．P．Mouritz等[1]關于縫合對纖維增強復合材料面內(nèi)力學性能的影響做了綜述，指出，復合材料類型、縫合參數(shù)及固化工藝等因素都會影響復合材料的力學性能。Du 等[3]在1986年開始通過縫合碳纖維預浸料來研究縫合碳纖維增強復合材料的剪切性能，發(fā)現(xiàn)縫合方向會影響復合材料的剪切性能。Cholarakara 等[4]通過實驗測試縫合密度對芳綸環(huán)氧層合板剪切性能的增強作用,結果顯示，縫合復合材料的剪切強度會隨著縫合密度的增大而降低。但之后大量實驗表明，合適的縫合密度可以提高復合材料的剪切性能，縫合密度過低或過高反而會使其剪切性能降低。[3-14]A.Ogale and P.Mitschang[15]對各種縫合線跡做了綜合分析。在已報道的學術研究中關于縫合層合板力學性能的研究很多，但關于縫合編織復合材料的研究還很有限。

焦亞男等[16]研究了多種縫合方向、搭接長度和縫合密度對縫合連接三維編織復合材料拉伸性能的影響，并與三維整體編織復合材料的拉伸性能進行對比。李嘉祿等[17]研究了縫合密度、搭接長度和編織角對縫合連接三維編織復合材料彎曲性能的影響。但關于縫合編織復合材料的剪切性能研究還未見報道。本文主要研究縫合編織復合材料的剪切性能，從增強體的厚度和堆疊編織物的層數(shù)兩個角度闡述增強體結構對其剪切性能的影響。

2 實 驗

2.1 試樣準備

實驗所用的主要原材料見表1。

表1 實驗所用的主要原材料

試樣制備步驟如下：

第一步：將碳纖維利用四步法編織成三維編織物，分薄片和厚片2種。具體規(guī)格如表2。

第二步：規(guī)定試樣長度方向為0°方向。將薄片編織物分別按3片和4片疊放在一起，將厚片編織物2片疊放在一起，用Kevlar 49 縫紉線按改進后的鎖式線跡(圖1)分別沿90°方向縫合?？p合密度為6×6 mm(針距×行距)。

表2 編織物規(guī)格

第三步：將縫合后的織物利用真空輔助樹脂模傳遞 (VARTM)工藝固化。

經(jīng)過以上3個步驟制成的試樣表面如圖2所示，試樣的尺寸見表3。

圖1 改進后的鎖式線跡Fig.1 The modified lock

圖2 試樣Fig.2 Specimen

試樣名稱長度寬度厚度奇數(shù)層薄片縫合試樣(3薄片縫)61.8329.675.20偶數(shù)層薄片縫合試樣(4薄片縫)61.9431.706.08偶數(shù)層厚片縫合試樣(2厚片縫)61.5229.207.00

2.2 剪切試驗

本試驗所用的材料測試儀MTS 810，該儀器的最大量程為100 kN。試驗方法為短梁法，參考的測試標準為BS EN ISO14,130。試驗中，跨厚比為5，上夾頭的下降速度為1 mm/min。

3 試驗結果及分析

在試驗過程中，隨著外載荷的增加，偶爾可以聽到啪啪的聲音，同時計算機顯示曲線波動。這說明試樣開始發(fā)生小面積樹脂破壞。在偶數(shù)層厚片縫合試樣試驗過程中，外載荷達到最大值后，聽到“嘭”的一聲，同時試樣中2厚片的交界面出現(xiàn)裂紋(如圖3)，且載荷曲線突然下降。

圖3 2片縫試樣的側面Fig.3 The side of stitched two thick braided specimen

3.1 增強體結構對剪切強度的影響

3種試樣測試中得到的載荷-位移關系如圖4所示，3種試樣所承受的最大載荷見表3。

圖4 3種試樣的載荷—位移曲線Fig.4 The load-displacement curves of the three kinds of specimen

試樣名稱最大載荷N最大剪應力MPa單位厚度吸收的能量/(J·mm-1)3薄片縫13497.765.612.44薄片縫12290.047.822.02厚片縫19370.271.074.0

圖4中可以看出，起始階段，2厚片縫試樣曲線的上升速度略高于其他兩種試樣。從圖4中可以看出，偶數(shù)層厚片縫合試樣所承受的載荷遠遠高于奇數(shù)層薄片縫合和偶數(shù)層薄片縫合試樣。但是由于試樣尺寸不同并不能直接比較載荷的大小。需將最大載荷通過公式(1)換算成試樣所受的剪切應力。換算結果見表3。

(1)

式中：P為試樣所受的最大載荷；b為試樣的寬度；h為試樣的厚度。

比較表3中得到的最大剪應力可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣所受的剪切應力比偶數(shù)層薄片縫合試樣大37.2%。根據(jù)經(jīng)典梁理論，三點彎曲載荷下短梁剪應力在厚度方向上呈拋物線分布。剪應力在中間面上最大，上下面最小。[18]偶數(shù)層試樣的中間面為樹脂層，因此，在受到三點彎曲載荷時，中間面樹脂層受剪切應力最大。而奇數(shù)層薄片縫合試樣的中間面為纖維增強體，在受到三點彎曲載荷作用時，纖維增強體所受的剪切應力最大。樹脂層的強度遠遠小于纖維增強體。因此偶數(shù)層薄片縫合試樣更容易發(fā)生剪切破壞。另外，偶數(shù)層厚片縫合試樣所受的最大剪切應力比偶數(shù)層薄片縫合試樣大48.6%，比奇數(shù)層薄片縫合試樣所受的最大剪切應力大8.3%。說明偶數(shù)層厚片縫合試樣的剪切強度比奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣大。這主要是因為偶數(shù)層厚片縫合試樣的整體性要比其他兩種試樣好，層間弱點少。但是偶數(shù)層厚片縫合試樣曲線在載荷達到最大之后突然下降，說明其內(nèi)部發(fā)生嚴重破壞，而其他兩種試樣曲線并沒有此現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 對剪切破壞時吸收能量的影響

利用OriginPro軟件對圖4中的3條曲線進行積分，得到試樣達到破壞狀態(tài)時吸收的能量。由于試樣尺寸不同，將所吸收的能量通過公式(2)折算成試樣單位厚度所吸收的能量。折算結果見表3。

(2)

其中：QS為試樣所吸收的總能量；h為試樣厚度。

比較這3種試樣單位厚度所吸收的能量可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣單位厚度吸收的能量比偶數(shù)層薄片縫合試樣大20%。偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度吸收的能量比奇數(shù)層薄片縫合試樣大68.3%，比偶數(shù)層薄片縫合試樣大102%。該結果說明，在相同條件下，受到剪切破壞時，偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度所吸收的能量要遠遠大于奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣。

3.3 內(nèi)部破壞情況

用切割機從試樣中間將試樣縱向切開，在體視顯微鏡下觀察3種試樣中間縱向截面(圖5-圖7)上的裂紋情況。

圖5 3薄片縫試樣縱向截面Fig.5 The longitudinal section of odd thin layer stitched laminated braided specimen

從圖5中可以看出，奇數(shù)層薄片縫合試樣中剪切破壞主要發(fā)生在第一層編織物上，層與層之間沒有發(fā)生分層破壞。試樣中裂紋數(shù)量很少，且沿試樣長度方向擴展。圖6為偶數(shù)層薄片縫合試樣的縱向截面，該截面上裂紋數(shù)量多。其中剪切破壞主要發(fā)生在中間樹脂層和上表面之間，裂紋沿試樣長度方向或纖維方向。說明試樣中有樹脂破壞也有纖維被破壞。但層與層之間的樹脂層上的裂紋并沒有沿試樣長度方向擴展，說明試樣中沒有發(fā)生分層破壞。觀察圖7可知，在偶數(shù)層厚片縫合試樣中，第一層編織物的上半部分有破壞發(fā)生，主要是由于加載點直接接觸造成的。偶數(shù)層厚片縫合試樣的主要破壞發(fā)生在兩厚片之間，裂紋沿試樣長度方向從加載點延伸到試樣兩端。這說明兩厚片之間發(fā)生了分層破壞。

圖6 4薄片縫試樣縱向截面Fig.6 The longitudinal section of even thin layer stitched laminated braided specimen

圖7 2厚片縫試樣縱向截面Fig.7 The longitudinal section of two thick layers stitched laminated braided specimen

對比圖5-7可知，奇數(shù)層薄片縫合試樣中的裂紋數(shù)量最少，且沒有發(fā)生層間破壞。偶數(shù)層薄片縫合試樣中裂紋數(shù)量最多，也沒有發(fā)生分層破壞。而偶數(shù)層厚片縫合試樣雖然能承受較大的剪切應力和吸收較多的能量，但卻發(fā)生了分層破壞。提高厚片縫合試樣的縫合密度是否能改善分層現(xiàn)象還有待進一步研究。

4 結 語

通過對不同編織物層數(shù)、不同編織物厚度的3種試樣進行剪切試驗研究，得到以下幾方面結論：

(1)在本實驗條件下，奇數(shù)層薄片縫合試樣較偶數(shù)層薄片縫合試樣能承受較大的剪切應力。主要是因為奇數(shù)層試樣的中間層為纖維增強體，其所能承受的剪切應力遠遠大于偶數(shù)層試樣的中間層，即樹脂層。比較偶數(shù)層薄片縫合試樣與偶數(shù)層厚片縫合試樣可知，編織物的厚度越大其整體性越好，越不容易被破壞。

(2)在相同條件下，受到剪切破壞時，偶數(shù)層厚片縫合試樣單位厚度所吸收的能量要遠遠大于奇數(shù)層薄片縫合試樣和偶數(shù)層薄片縫合試樣。編織物厚度對縫合編織復合材料剪切性能的影響大于編織物層數(shù)對其剪切性能的影響。

(3)通過試驗可知，偶數(shù)層厚片縫合試樣的剪切強度比奇數(shù)層薄片縫合試樣僅大8.3%，但奇數(shù)層薄片縫合試樣中并沒有發(fā)生分層破壞。因此，在實際應用中，應對2種材料折中選擇，盡量選擇整體性好，堆疊層數(shù)為奇數(shù)的縫合編織復合材料。

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Experimental Study of the Effect of the Structure of Reinforcement on Shear Property of Stitched Laminated Braided Composites

PANG Sansan1,YAN Jianhua2,YU Jianyong1

(1.Donghua University,Shanghai,201620)(2.Research Institute of Donghua University,Shanghai,201620)

In this paper,the effect of the structure of reinforcement on shear property of stitched laminated braided composites was studied.The shear property of three kinds of specimens (stitched odd layer laminated braided specimen,stitched even layer laminated braided specimen and stitched two thick layer laminated braided specimen) were studied.Experiment shown that the shear stress support by stitched two thick layer laminated braided specimen is bigger than that by stitched odd thin layer laminated braided specimen and by stitched even thin layer laminated braided specimen,and the energy absorbed by the former is more than that by the latter two.Microscopic observation revealed that the delamination occurred between two layers of stitched two thick layer laminated braided specimen,but it didn’t occur in odd and even layer stitched laminated braided specimen.

the thickness of braid；stitched laminated braided composites；the number of braid layers；shear property

上海市科委《上海市科技成果轉化與產(chǎn)業(yè)化項目》中“新能源汽車典型結構件先進立體編織工藝與 設備的開發(fā)”(項目編號：12521102400)

2013-11-27)

龐傘傘(1989-)，女，河北人，碩士，研究方向：縫合編織復合材料研究。E-mail:pangzhishan@126.com.

閻建華(1956-)，男，研究員，研究方向：三維編織復合材料研究。