焦亞男，仇普霞，紀高寧，徐雪偉

（1.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

經(jīng)緯向纖維體積比例對2.5D機織復合材料力學性能的影響

焦亞男1，仇普霞1，紀高寧2，徐雪偉1

（1.天津工業(yè)大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

以T800碳纖維為原材料，制備5種不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機織結(jié)構(gòu)預制件，并以其為增強材料制備了T800碳/環(huán)氧2.5D機織復合材料.通過進行拉伸、彎曲、壓縮3種實驗，分析比較經(jīng)緯向纖維體積比例對力學性能的影響.實驗結(jié)果表明：2.5D機織復合材料的經(jīng)、緯向力學性能與該方向的纖維體積含量相關(guān)；當經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5時，復合材料表現(xiàn)出經(jīng)、緯向均衡的力學性能；此外，還表明指數(shù)函數(shù)可以較好地擬合不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機織復合材料的力學性能.

T800碳纖維；2.5D機織復合材料；力學性能；經(jīng)緯向纖維體積比例；指數(shù)函數(shù)擬合

2.5D機織復合材料是三維紡織復合材料領(lǐng)域的一個重要分支，具有優(yōu)異的整體受力性能以及材料結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活等優(yōu)點，廣泛應用在航空航天等領(lǐng)域，如運輸火箭的箭體、固體火箭發(fā)動機殼體等結(jié)構(gòu)中，蘊藏著巨大的應用潛力[1-2].目前，眾多學者考慮了預制件結(jié)構(gòu)、混編原料或測試方式等因素，對2.5D機織復合材料的力學性能開展了實驗研究[3-11]，楊彩云等[7-10]評價了4種不同結(jié)構(gòu)2.5D機織復合材料沿經(jīng)、緯向的拉伸性能，并測試了沿0°、30°、45°、60°、90°方向拉伸、壓縮、彎曲強度和模量，分析了2.5D機織復合材料結(jié)構(gòu)與力學性能的關(guān)系.但是實際應用領(lǐng)域中比較關(guān)注經(jīng)緯兩向纖維體積比例對材料力學性能的影響，對此文獻鮮見述及.本文通過研究經(jīng)緯向纖維體積比例對T800碳纖維增強2.5D機織復合材料力學性能的影響，期待為2.5D機織復合材料性能的精確設(shè)計提供理論依據(jù)和設(shè)計方法，同時對T800碳纖維的編織工藝性進行驗證.本文采用日本東麗T800碳纖維，在工藝允許范圍內(nèi)制備了5種常用經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機織結(jié)構(gòu)預制件，并以其為增強材料，采用RTM工藝制備了T800碳/環(huán)氧2.5D機織復合材料，沿經(jīng)、緯紗方向進行拉伸、壓縮、彎曲力學性能測試，研究了2.5D機織復合材料的力學性能與經(jīng)緯向體積比例的關(guān)系，并對典型試樣拉伸斷裂后的斷面形貌進行宏觀照片和SEM觀察，探討其破壞機理.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1.1.1 織物組織結(jié)構(gòu)

本實驗增強體為2.5D機織預制件，由經(jīng)紗和緯紗2個系統(tǒng)紗線相互垂直交織而成，經(jīng)紗不僅在平面內(nèi)沿縱向配置，還沿厚度方向以一定深度與角度同緯紗交織，織物結(jié)構(gòu)不易分層，呈整體性.在理想狀態(tài)下，經(jīng)紗呈屈曲狀態(tài)，緯紗呈伸直狀態(tài).其三維示意圖如圖1所示[9].

圖1 2.5D機織預制件的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of 2.5D performs

1.1.2 經(jīng)/緯紗密度

經(jīng)/緯紗密度指沿預制件緯/經(jīng)紗方向單位長度內(nèi)的經(jīng)/緯紗根數(shù).本文通過調(diào)整經(jīng)/緯紗密度與經(jīng)/緯紗的合股數(shù)來實現(xiàn)經(jīng)緯向纖維體積比例的變化.2.5D機織結(jié)構(gòu)單元示意圖如圖2所示[12].

圖2 結(jié)構(gòu)單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of 2.5D performs unit

圖2中：a為織物厚度方向一個單元體的厚度（mm）；b為相鄰兩單元體交織狀態(tài)相同的兩根經(jīng)紗間的距離（mm）；c為相鄰兩單元體交織狀態(tài)相同的兩根緯紗間的距離（mm）；h為同一單元體中相鄰兩根緯紗間的距離（mm）.

根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系可知：

式中：Pj、Pw分別為預制件的經(jīng)、緯紗密度（根/cm）.

1.1.3 纖維體積含量

在2.5D機織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗呈正弦分布，將經(jīng)紗置于圖3所示的平面直角坐標系內(nèi).

圖3 經(jīng)紗形態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of warp

圖3所示經(jīng)紗正弦曲線的方程：

則經(jīng)紗長度為：

1.1.4 預制件的織造

本試驗預制件均是在天津工業(yè)大學復合材料研究所自行研制的立式織機上進行織造.根據(jù)經(jīng)緯向密度的設(shè)計，共織造5種不同經(jīng)緯向纖維比例參數(shù)的預制件，如表1所示.

表1 預制件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of performs

1.1.5 復合固化

復合固化由航天材料及工藝研究所承擔，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM），選用基體材料為TDE-85環(huán)氧樹脂（4，5-環(huán)氧環(huán)乙烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯），固化劑為甲基四氫苯酐（MTHDA），促進劑為N，N-二甲基芐胺（BDMH）.

1.2 試驗設(shè)備及試驗標準

對2.5D機織復合材料分別進行拉伸、壓縮、彎曲性能測試，測試儀器為日本AG-250KNE型萬能材料試驗機.試驗速率設(shè)定為2 mm/min.

目前，尚無適用2.5D機織復合材料力學性能的國家標準，拉伸性能試驗標準以航天材料及工藝研究所標準DqES77-98《塑料及纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》為依據(jù)；壓縮性能試驗以航天材料及工藝研究所標準QJ1403A-2004《纖維增強塑料薄板壓縮性能試驗方法》為依據(jù)；彎曲性能試驗參考國標GB/T1449-2005，采用三點彎曲測定.試樣尺寸見表2，形狀見圖4、圖5.為保證試樣測試時端部不首先破壞，在試樣兩端粘貼鋁制加強片，采用機械加工法進行制備.

表2 試樣尺寸Tab.2 Size of samples mm

圖4 拉伸、壓縮試樣形狀Fig.4 Shape of tensile and compressive sample

圖5 彎曲試樣形狀Fig.5 Shape of bending sample

2 結(jié)果與分析

2.1 力學性能測試結(jié)果

表3—表5為不同經(jīng)緯向纖維體積比例T800碳/環(huán)氧2.5D機織復合材料沿經(jīng)、緯紗方向的力學性能測試結(jié)果.隨著緯向纖維體積比例的增加，經(jīng)向拉伸、壓縮、彎曲強度及模量降低，緯向則呈相應增加的趨勢.此外，拉伸、壓縮、彎曲強度及模量對經(jīng)緯向纖維體積含量變化的敏感程度不同，例如，對于經(jīng)向強度而言，經(jīng)向拉伸強度差異可達3.7倍左右，經(jīng)向壓縮強度差異約1.9倍，經(jīng)向彎曲強度差異僅約1.5倍.經(jīng)向或緯向的最大強度和模量均出現(xiàn)在同種復合材料中.

表3 拉伸強度及拉伸模量Tab.3 Tensile strength and tensile modulus

表4 壓縮強度及壓縮模量Tab.4 Compression strength and compression modulus

表5 彎曲強度及彎曲模量Tab.5 Flexure strength and flexure modulus

2.2 試驗數(shù)據(jù)的擬合處理

通過試驗數(shù)據(jù)分析，最終選擇指數(shù)函數(shù)對力學性能數(shù)據(jù)進行了擬合，結(jié)果表明R2值接近1，說明指數(shù)函數(shù)是2.5D機織復合材料力學性能較好的擬合形式，與實驗值符合較好.圖6為典型的利用指數(shù)函數(shù)沿經(jīng)、緯紗方向拉伸強度的擬合曲線圖，R2值分別為0.980 7和0.977 5，表6為對不同經(jīng)緯向纖維體積比例的2.5D機織復合材料的拉伸、壓縮、彎曲強度和模量的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果.

2.3 纖維體積比例對力學性能的影響

由表2-表4數(shù)據(jù)結(jié)合表6擬合結(jié)果可知，在纖維體積含量基本相同的情況下，隨著緯向纖維體積比例的增加，緯向的拉伸、壓縮、彎曲強度以及彈性模量均呈正比例增加的趨勢，這是由于受力方向的纖維增多，強度增大的緣故；而經(jīng)向拉伸、壓縮、彎曲強度及彈性模量則隨著緯向纖維體積比例的增加而減小，這是由于緯向纖維體積比例的增加使得經(jīng)紗彎曲程度隨之增大的緣故，從而導致力學性能的降低.這說明在2.5D機織復合材料中，在可變的經(jīng)緯向纖維體積比例范圍內(nèi)，隨著某一方向體積比例的增多，2.5D機織復合材料沿該方向的力學性能隨之增大.

圖6 典型拉伸強度指數(shù)函數(shù)擬合曲線圖Fig.6 Exponential function fit curve of tensile properties

表6 指數(shù)函數(shù)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.6 Exponential function fit results

同時，N1試樣具有經(jīng)緯向最均衡的拉伸、壓縮和彎曲性能.這說明當經(jīng)緯向纖維體積比例為1∶0.5時，2.5D機織復合材料經(jīng)、緯向力學性能大致相同，表現(xiàn)出各向同性的特征.當經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5而不是1∶1時，即經(jīng)、緯紗線細度相同，經(jīng)緯紗線排列密度分別為8根/cm和4根/cm，經(jīng)紗密度是緯紗密度的2倍，而復合材料的經(jīng)、緯向強度和模量卻相對均衡.這是因為在2.5D機織結(jié)構(gòu)中，所有的緯紗均趨于伸直狀，對緯向性能的貢獻大，而所有的經(jīng)紗在結(jié)構(gòu)中呈正弦曲線狀彎曲，相應削弱了經(jīng)紗對經(jīng)向性能的貢獻，可見，在力學性能試驗中，呈直線狀態(tài)的紗線比彎曲狀態(tài)的紗線貢獻大.

由此可見，2.5D機織復合材料的拉伸、壓縮和彎曲力學性能具有可設(shè)計性，設(shè)計者可通過適當調(diào)整經(jīng)緯向體積比例的相互配置，從而獲得所需指定方向的力學性能.

2.4 宏觀斷口形貌及破壞機理

以典型試樣拉伸斷裂為例，對試樣破壞機理進行分析.圖7為典型試樣宏觀斷口形貌，可知，2.5D機織復合材料試樣斷口較規(guī)則，均呈現(xiàn)細短齒狀平斷口，纖維束呈明顯的正應力拉斷特征.

圖7 2.5D機織復合材料拉伸斷口宏觀照片F(xiàn)ig.7 Photos of fracture surface of 2.5D woven composites

通過SEM微觀照片進一步分析復合材料拉伸破壞機理，圖8是2.5D機織復合材料拉伸斷裂后斷口SEM照片.

圖8 2.5D機織復合材料拉伸斷口SEM照片F(xiàn)ig.8 SEMs of fracture surface of 2.5D woven composites

由圖8（a）可以看出，經(jīng)向纖維呈一定角度交叉狀，經(jīng)向纖維束主要是纖維拉剪斷裂破壞，在纖維與基體的界面上開裂嚴重，成束的纖維從斷口的界面處拔出.由圖8（b）可以看出，緯向纖維束幾乎完全被分開，主要是沿經(jīng)向纖維束方向的分束破壞，同時還有緯向纖維自身的斷裂破壞.由圖8（c）可以看出，纖維與基體粘結(jié)較好，存在纖維拔出的痕跡.由圖8（d）可以看出，樹脂基體呈現(xiàn)明顯的塑性變形特征，具有清晰的剪切帶，這是由于基體的拉伸應變大于纖維，在拉剪應力作用下，首先在纖維間的基體中產(chǎn)生了剪切變形，表現(xiàn)為基體的塑性變形.

3 結(jié)論

通過本試驗的研究，分析了不同經(jīng)緯向纖維體積比例對2.5D機織復合材料的經(jīng)、緯向拉伸、壓縮、彎曲性能的影響.試驗數(shù)據(jù)分析表明：

（1）2.5D機織復合材料中，在工藝允許的經(jīng)緯向纖維體積比例范圍內(nèi)，隨著某一方向體積比例的增多，2.5D機織復合材料沿該方向的力學性能隨之增大.

（2）在2.5D機織復合材料力學性能試驗中，呈直線狀態(tài)的紗線比彎曲狀態(tài)的紗線貢獻大.當經(jīng)緯向體積比例為1∶0.5時，復合材料表現(xiàn)出經(jīng)緯向均衡的力學性能.

（3）指數(shù)函數(shù)可以較好地擬合不同經(jīng)緯向纖維體積比例與2.5D機織復合材料的力學性能之間的定量關(guān)系.

（4）通過觀察拉伸試樣的宏觀斷口照片和SEM照片，探討了2.5D機織復合材料拉伸破壞機理.試樣斷口較規(guī)則，纖維束呈明顯的正應力拉斷特征，纖維間的基體呈現(xiàn)明顯的塑性變形.

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Mechanical properties of 2.5D woven composites with different volume rates in warp and weft directions

JIAO Ya-nan1，QIU Pu-xia1，JI Gao-ning2，XU Xue-wei1
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology，Beijing 100076，China）

T800 carbon fibers were made into 2.5D woven fabric with five volume rates in warp and weft directions.Then they were used as the reinforcing materials to produce 2.5D woven composites.By tensile，bending，and compression，the influence of volume rates in warp and weft directions on 2.5D woven composites were analyzed. The experimental results show that the warp and weft mechanical properties of 2.5D woven composites are positively related to the fiber content in that direction.When volume rates reach 1∶0.5，the composites show a balanced mechanical properties.Moreover，it also shows that the exponential function can be used to fit mechanical properties of 2.5D woven composites with different volume rates in warp and weft directions.

T800 carbon fiber；2.5D woven composites；mechanical properties；volume rates in warp and weft directions；exponential function fit

TB332；TS101.923

A

1671－024X（2015）03－0001－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.001

2015-01-15

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2012AA03A201）；天津市自然科學基金資助項目（13JCYBJC16800）

焦亞男（1971—），女，教授，研究方向為三維紡織復合材料.E-mail：jiaoyn@tjpu.edu.cn