內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特, 010080

隨著人們對工程材料“質(zhì)輕高強(qiáng)”的需求越來越迫切，多軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料以其高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞及耐沖擊等優(yōu)良性能，得到了人們的廣泛認(rèn)可，尤其是在風(fēng)力發(fā)電、車船制造、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-3]。目前，多軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片制造領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，這與其優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性密不可分。風(fēng)機(jī)葉片的葉尖到葉根所需的材料厚度、截面形狀，以及風(fēng)機(jī)葉片扭轉(zhuǎn)等特征參數(shù)，會(huì)隨著距葉根的距離變化而發(fā)生變化，而采用鋪層結(jié)構(gòu)的多軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料可在保證風(fēng)機(jī)葉片力學(xué)性能的同時(shí)，大大提高風(fēng)機(jī)葉片制造的靈活性和生產(chǎn)效率，顯著降低生產(chǎn)難度[4-6]。

目前，單軸向和雙軸向經(jīng)編復(fù)合材料由于應(yīng)用較廣，其相關(guān)性能研究較多，而對于多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的研究相對較少。張濤濤等[7]基于三點(diǎn)彎曲和層間剪切試驗(yàn)研究了單軸向經(jīng)編復(fù)合材料的力學(xué)性能，并利用有限元模型進(jìn)行模擬分析其層間裂紋擴(kuò)展和面內(nèi)損傷；金利民等[8]基于雙軸向經(jīng)編針織復(fù)合材料的彈道沖擊試驗(yàn)，研究了破壞模式與機(jī)理；SUN等[9]基于準(zhǔn)靜態(tài)和高速率應(yīng)變兩種情況下多軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮試驗(yàn)，研究了應(yīng)變速率對壓縮性能的影響；萬光鑒等[10]基于雙軸向經(jīng)編復(fù)合材料橫向準(zhǔn)靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)沖擊下的力學(xué)試驗(yàn)，對材料的破壞模式和能量變化進(jìn)行了分析。

本文以四軸向經(jīng)編織物(Quadriaxial Warp-Knitted Fabric，簡稱“QWKF”)為增強(qiáng)體，通過真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡稱“VARTM”)工藝注入基體環(huán)氧樹脂，制備玻璃纖維四軸向經(jīng)編織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(簡稱“四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料”)。分別沿0°、±45°和90°四個(gè)方向制備拉伸和彎曲試樣，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試，分析試樣破壞形貌，繪制相應(yīng)的力學(xué)性能曲線，計(jì)算力學(xué)性能參數(shù)，研究其破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

增強(qiáng)體選用QWKF，由0°、±45°和90°方向的紗線層及捆綁紗組成，主體紗線均為無捻E型玻璃纖維。QWKF的織物參數(shù)分別見圖1和表1。基體選用風(fēng)機(jī)葉片專用環(huán)氧樹脂(E-2511-1A)和固化劑(2511-1BT)，兩者質(zhì)量配比為100 ∶30。

(a) 正面

(b) 反面

(c) 方向示意

紗線材料線密度/tex密度/[根·(10cm)-1]分層的面密度/(g·m-2)0°方向E型玻璃纖維6002523645°方向E型玻璃纖維3005320090°方向E型玻璃纖維30022201-45°方向E型玻璃纖維30053200捆綁紗滌綸 83——

1.2 試樣成型與制備

基于QWKF增強(qiáng)體及VARTM工藝，制備四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料，并參照ASTM D3039/3039M-2014和ASTM D7264/D7264M-2015標(biāo)準(zhǔn)，沿0°、 ±45°和90°方向分別制備拉伸和彎曲試樣。拉伸試樣尺寸為250 mm(長)×25 mm(寬)，并在兩端固定50 mm(長)×25 mm(寬)的加強(qiáng)片，防止夾頭破壞試樣；彎曲試樣尺寸為120 mm(長)×13 mm(寬)。

1.3 試樣測試

在WDW-100KN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測試，夾頭移動(dòng)速率為2.0 mm/min；基于三點(diǎn)彎曲加載，選定測試跨距 ∶試樣厚度=32 ∶1，在WDW-30KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲性能測試，上壓頭移動(dòng)速率為1.0 mm/min。分別記錄拉伸和彎曲性能測試過程中試樣所受載荷和位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 拉伸斷裂

圖2為四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣拉伸斷口形貌。

(a) 0°方向

(b) 45°方向

(c) 90°方向

(d) -45°方向

由圖2可知，沿四種方向(0°、 45°、90°及-45°)拉伸的試樣的斷口都相似，均呈“炸裂”形式。只是試樣表層出現(xiàn)了不同的斷裂形式，紗線出現(xiàn)部分?jǐn)嗔鸭把夭煌较虬l(fā)生脫黏和抽拔，這與QWKF內(nèi)紗線層角度和成型過程中鋪層形式密切相關(guān)。同時(shí)，由于拉伸過程中均有與加載方向相同、垂直、呈45°和-45°的紗線層，故而導(dǎo)致四種試樣的拉伸斷口截面內(nèi)均存在拉伸斷裂、脫黏及抽拔的紗線，且以“炸裂”區(qū)域內(nèi)最為嚴(yán)重，環(huán)氧樹脂脫落明顯，部分紗線裸露出來，且排列雜亂無章，并伴有嚴(yán)重的分層。究其原因主要為不同紗線層失效形式不同：當(dāng)加載方向與紗線層相同時(shí)，紗線層主要以拉伸斷裂的形式失效；當(dāng)加載方向與紗線層呈±45°時(shí)，紗線層內(nèi)存在面內(nèi)剪切，主要以紗線脫黏、抽拔及分層的形式失效；當(dāng)加載方向與紗線層垂直時(shí)，受力部件主要為環(huán)氧樹脂和含量較少的捆綁紗，此時(shí)主要以環(huán)氧樹脂斷裂和纖維/環(huán)氧樹脂界面發(fā)生脫黏的形式失效。

2.1.2 拉伸性能分析

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到四種拉伸方向下四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)。

圖3 四種拉伸方向下四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，四種拉伸方向下，試樣斷裂前均呈近似線性變化，且曲線趨勢相似。結(jié)合測試過程中對試樣的觀察發(fā)現(xiàn)：拉伸開始階段，四條曲線均不平滑，有輕微彎曲，此時(shí)基體為承載主要部件；隨著夾頭的移動(dòng)，試樣受到的累積拉伸強(qiáng)力不斷增加，環(huán)氧樹脂出現(xiàn)斷裂并伴有清脆的開裂聲，同時(shí)部分纖維與環(huán)氧樹脂間出現(xiàn)界面失效，產(chǎn)生抽拔和脫黏現(xiàn)象；隨后，承載的應(yīng)力在基體和增強(qiáng)體間重新分配，QWKF成為主要承載部件；接著，載荷繼續(xù)積累，QWKF受到的拉伸應(yīng)力和面內(nèi)剪切應(yīng)力不斷增大，內(nèi)部紗線發(fā)生斷裂，且當(dāng)破壞積累到一定程度時(shí)，試樣即發(fā)生斷裂。

表2歸納了四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的拉伸性能。由表2可知，0°方向的拉伸斷裂強(qiáng)力、拉伸斷裂強(qiáng)度及拉伸模量均最大，原因在于平行該方向的紗線線密度(600 tex)最大，這有效增強(qiáng)了0°方向的拉伸性能；45°和-45°方向拉伸的紗線層參數(shù)相似，拉伸性能相似，且因紗線鋪放密度最大，對拉伸性能有一定程度的改善；90°方向的拉伸性能因紗線線密度和鋪放密度均最小，故三種拉伸性能均最低。

表2 四軸向經(jīng)編復(fù)合材料試樣拉伸性能參數(shù)

2.2 彎曲性能

2.2.1 彎曲失效

在三點(diǎn)彎曲加載形式下，只有處于中間的上壓頭移動(dòng)，故四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的損傷主要集中于該加載區(qū)。圖4為四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣彎曲失效的形貌。

(a) 0°方向

(b) 45°方向

(c) 90°方向

(d) -45°方向

由圖4可知，四種方向(0°、 45°、 90°及-45°)彎曲的試樣的正面和反面的失效形貌不同，主要原因與正反表層紗線的鋪層角度不同有關(guān)。彎曲失效試樣的表面均出現(xiàn)了紗線抽拔、脫黏及分層現(xiàn)象。由于上壓頭的移動(dòng)，被測試樣中性面上部和下部分別受到了壓縮破壞和拉伸破壞：上部與上壓頭直接接觸，紗線斷裂和基體損傷最為嚴(yán)重；下部與上壓頭垂直距離最遠(yuǎn)，受到的拉伸位移最大，分層現(xiàn)象較為嚴(yán)重，其中表層紗線鋪層與彎曲測試方向呈45°或-45°的被測試樣，表面分層紗線翹起更為嚴(yán)重。

2.2.2 彎曲性能分析

四種方向彎曲的四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣彎曲應(yīng)力-撓度曲線如圖5所示。

圖5 四種方向下四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣彎曲應(yīng)力-撓度曲線

由圖5可知，四條彎曲應(yīng)力-撓度曲線增長趨勢相似：開始呈線性增長，隨著撓度的不斷增加，被測試樣中基體開始遭到破壞，隨后部分纖維/環(huán)氧樹脂界面發(fā)生失效，曲線斜率逐漸變小；當(dāng)彎曲應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，曲線急劇下降，但此時(shí)由于被測試樣內(nèi)存在多層紗線，正反表層中紗線最先受到壓縮和拉伸破壞，但被測試樣并未直接失效，當(dāng)外層紗線層失效后，整體載荷重新分配，進(jìn)而由鄰近層紗線承擔(dān)主要載荷，因此曲線呈階段性下降，且由于相鄰層間紗線鋪放角度均不相同，受載形式不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致曲線下降時(shí)曲線斜率和下降幅度隨受載紗線層的不同而發(fā)生變化，受載紗線層逐層失效，最終整體彎曲失效。

表3為四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣彎曲性能參數(shù)。由表3可知，試樣三種彎曲性能(即彎曲失效強(qiáng)力、彎曲強(qiáng)度及彎曲模量)強(qiáng)弱與拉伸性能相同，由高到低均為0°方向、±45°方向、90°方向。由于四個(gè)方向紗線鋪層數(shù)相同，故提高增強(qiáng)體內(nèi)紗線線密度和鋪放密度有助于增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲失效強(qiáng)力、彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。

表3 四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣彎曲性能參數(shù)

3 結(jié)論

(1) 四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料試樣拉伸和彎曲力學(xué)性能由強(qiáng)到弱依次為0°方向、±45°方向、90°方向。其中，提高增強(qiáng)體內(nèi)紗線線密度和鋪放密度能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。

(2) 四個(gè)測試方向力學(xué)性能相差不大，四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)的拉伸和彎曲性能整體均勻性較好，近似呈各向同性，故QWKF適用于對面內(nèi)性能有均勻性要求的產(chǎn)品。

(3) 拉伸斷裂和彎曲失效試樣均存在大量纖維抽拔、脫黏現(xiàn)象，這是由纖維/環(huán)氧樹脂界面失效造成的，進(jìn)一步研究兩者的界面性能可為四軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能改善提供有效方法。

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