梁雙強(qiáng)， 陳 革，2， 周其洪

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830000)

三維(3-D)編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料厚度方向剛度強(qiáng)度性能差且易分層等弱點(diǎn)，具有損傷容限大、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，在樹脂基、金屬基、陶瓷基、碳基等復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

GAUSE等[2]最先對(duì)三維編織復(fù)合材料損傷容限進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的損傷容限特性。Ko[3]對(duì)三維編織復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了研究，提出通過 織物幾何模型對(duì)三維編織復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。部分學(xué)者對(duì)三維編織復(fù)合材料的疲勞和抗沖擊性能進(jìn)行研究[4]。張迪等[5]對(duì)三維編織復(fù)合材料損傷容限性能進(jìn)行了測(cè)試，認(rèn)為其整體性較好，剩余壓縮強(qiáng)度較高，損傷容限性能優(yōu)于層合復(fù)合材料。相關(guān)研究針對(duì)三維四向編織復(fù)合材料的彎曲和壓縮性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出三維編織復(fù)合材料表現(xiàn)出脆性特征，同時(shí)發(fā)現(xiàn)編織角對(duì)復(fù)合材料性能有較大的影響[6-7]。有學(xué)者對(duì)三維六向編織復(fù)合材料的拉伸壓縮及沖擊后壓縮性能進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)界面性能對(duì)材料壓縮和剪切性能影響顯著[8-9]。相關(guān)研究通過探討編織角對(duì)三維四向無缺陷編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能的影響，得出其縱向壓縮失效與橫向壓縮失效差異很大，還對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊及彎曲疲勞等力學(xué)性能分析[10-12]。曹海建等[13]對(duì)三維全五向編織復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)全五向結(jié)構(gòu)壓縮性能優(yōu)于五向結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料開孔后的壓縮響應(yīng)是評(píng)判復(fù)合材料對(duì)缺陷及厚度方向缺陷敏感度的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工程應(yīng)用中，不可避免要引入缺陷(切割、鉆孔等)。由于三維編織復(fù)合材料的制備耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，目前的實(shí)驗(yàn)研究還不充分，需要通過大量試驗(yàn)來研究其抗破壞和變形性能，尤其是關(guān)于含缺陷三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。本文主要研究機(jī)械開孔對(duì)三維編織復(fù)合材料壓縮性能的影響，為三維編織復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供參考。

1 三維編織復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件材料

試驗(yàn)件的增強(qiáng)材料為AS4-6 K 碳纖維、基體為WEST SYSTEM 105系列環(huán)氧樹脂、209型固化劑(HEXCEL公司)。纖維和樹脂性能參數(shù)如表1所示。

表1 纖維和基體材料性能參數(shù)Tab.1 Properties of matrix and carbon fiber

1.2 預(yù)制件

設(shè)計(jì)并準(zhǔn)備了2種預(yù)制件，分別為Style I織物(三維五向結(jié)構(gòu)，42%軸向紗和58%編織紗，4層129根紗)和Style II織物(三維四向結(jié)構(gòu)，100%編織結(jié)構(gòu)，5層124根紗)。預(yù)制件在4步法(1×1)三維編織機(jī)上完成，設(shè)計(jì)編織角為±(12±1)°。不含軸向紗預(yù)制件的紗線數(shù)量見式(1)，含有軸向紗預(yù)制件的紗線數(shù)量見式(2)。

N=(m+1)(n+1)-1

(1)

N=mn+(m+1)(n+1)-1

(2)

式中：N為紗線總數(shù)量，根數(shù)；m為橫向紗線數(shù)量，根數(shù)；n為縱向紗線數(shù)量，根數(shù)。

1.3 試驗(yàn)件制備

三維編織復(fù)合材料的制備采用樹脂傳遞成型工藝(RTM)。首先將預(yù)制件放置在預(yù)成型的真空模具中，將樹脂與固化劑按照質(zhì)量比為3.68∶1進(jìn)行混合，并在真空箱中抽真空以去除樹脂中的氣體；設(shè)置注塑速率、注塑壓力等工藝參數(shù)，將樹脂壓入模具浸潤(rùn)預(yù)制件，完畢后切斷樹脂流動(dòng)管道，密封模具注塑口，最后在室溫下放置24 h進(jìn)行完全固化；打開模具，取出固化好的三維編織復(fù)合材料。

根據(jù)ASTM D6484/D6484 M-14 《開孔復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)》和ASTM D3410/D3410 M-16《樹脂基復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)》分別制備試驗(yàn)件。試驗(yàn)件尺寸和幾何形狀見圖1，對(duì)于開孔壓縮試驗(yàn)件，為避免實(shí)驗(yàn)過程中加持端因應(yīng)力集中造成樣品斷裂的情況，須在樣品兩端貼保護(hù)片，該保護(hù)片為玻璃纖維板，如圖1(a)所示。采用機(jī)械加工方法在試驗(yàn)件上開孔，孔直徑為5 mm，如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)件尺寸和幾何形狀Fig.1 Geometry and dimensions of specimen.(a) Un-notched coupon; (b) Open-hole coupon

1.4 試驗(yàn)件的纖維體積分?jǐn)?shù)計(jì)算

試驗(yàn)采用稱量法計(jì)算試驗(yàn)件的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf。固化前稱出預(yù)制件的干態(tài)質(zhì)量Mf，固化后測(cè)量復(fù)合材料的質(zhì)量M，則基體質(zhì)量Mm=M-Mf。已知碳纖維和基體的密度分別為1.78和1.16 g/cm3，則可知纖維和基體的體積。考慮孔隙率對(duì)纖維體積比的影響，通過密度法測(cè)得復(fù)合材料密度ρc，通過式 (3)計(jì)算出每件試樣的孔隙體積Vv。再由式(4)計(jì)算試驗(yàn)件的纖維體積比。試驗(yàn)件種類Style I 和Style II 的孔隙率分別為4%和5%，纖維體積比分別為59%和62%。

(3)

(4)

式中：Mf為纖維質(zhì)量，g；Mm為基體質(zhì)量, g；ρf為纖維密度, g/cm3；ρm為基體密度, g/cm3；ρc為復(fù)合材料密度, g/cm3。

三維編織復(fù)合材料截面圖如圖2所示，為無增強(qiáng)紗時(shí)紗線截面形態(tài)。由圖2(a)可看出，在復(fù)合過程中不可避免的引入了氣泡，紗線在復(fù)合材料中的截面形狀主要為橢圓形。圖2(b)中的富脂區(qū)域主要是由于三維編織預(yù)制體紗線交織造成的。

圖2 三維編織復(fù)合材料截面圖Fig.2 Photographs of cross-sectional areas of 3-D braided composite. (a) Section of test piece 1(×10); (b) Section of test piece 2(×50)

1.5 壓縮試驗(yàn)

開孔和無開孔三維編織復(fù)合材料試驗(yàn)件的壓縮試驗(yàn)步驟分別參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6484/D6484 M-14 和ASTM D3410/D3410 M-16進(jìn)行，試驗(yàn)過程中的壓縮速率為1.5 mm/min。開孔試驗(yàn)件支撐夾具如圖3所示。無開孔試驗(yàn)件測(cè)試所用夾具為IITRI夾具，IITRI試驗(yàn)裝置如圖4所示，為純剪切載荷加載方式。用 INSTRON 5682型萬能材料測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)件，每組試驗(yàn)件須選取5個(gè)有效測(cè)試值并取平均值。

圖3 開孔試驗(yàn)件支撐夾具Fig.3 Support fixture for open-hole test.(a) Fixture assembly; (b) Fixture installation for notched compression testing

圖4 IITRI試驗(yàn)裝置Fig.4 IITRI test equipment.(a) Fixture installation for un-notched compression testing; (b) Un-notched specimen assembly

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮試驗(yàn)結(jié)果

在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，含開孔和不含開孔的截面計(jì)算均為樣品總面積w×t，不減去孔的面積強(qiáng)度。試驗(yàn)件強(qiáng)度見式(5)。

(5)

式中：σ為試驗(yàn)件強(qiáng)度，MPa；P為失效載荷，N；w為樣品寬度(不考慮孔的影響)，mm；t為樣品厚度，mm。

無缺陷試驗(yàn)件準(zhǔn)靜態(tài)下的壓縮載荷-位移曲線如圖5所示。含開孔試驗(yàn)件準(zhǔn)靜態(tài)下的壓縮載荷-位移曲線如圖6所示?？煽闯觯鹗级尉鶠榉蔷€性，主要是由于測(cè)試起始預(yù)緊力不足造成樣品滑移，因此在計(jì)算模量時(shí)須將滑移段去除；由2組曲線可以看出，2種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的軸向方向模量較為接近。對(duì)比圖5、6可知，開孔后試驗(yàn)件的失效位移小于無開孔試驗(yàn)件，說明壓縮載荷下開孔試驗(yàn)件失效更快。

圖5 無缺陷試驗(yàn)件準(zhǔn)靜態(tài)下壓縮載荷-位移曲線Fig.5 Load-Displacement curves of un-notched 3-D braided composites under quasi-static compressive

圖6 含開孔試驗(yàn)件準(zhǔn)靜態(tài)下壓縮載荷-位移曲線Fig.6 Quasi-static compression tests of 3D braided composite with open hole: Load vs. Displacement curves

2種三維編織復(fù)合材料各組試驗(yàn)件壓縮性能數(shù)據(jù)如表2所示。每組試驗(yàn)取3～5組有效值。壓縮性能數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。引入缺陷后試驗(yàn)件強(qiáng)度均低于無開孔試驗(yàn)件。無開孔時(shí)，2種試驗(yàn)件壓縮強(qiáng)度較為接近，Style I壓縮強(qiáng)度為589 MPa，彈性模量約為55 GPa； Style II壓縮強(qiáng)度為596 MPa, 彈性模量約為49 GPa?？紤]到Style I 具有42%軸向紗，說明軸向紗的引入雖然提高了材料的彈性模量，但是并未提高材料的壓縮強(qiáng)度。含開孔Style I(含42%增強(qiáng)紗)平均壓縮強(qiáng)度為368 MPa，保留該試驗(yàn)件約62.5%的無開孔壓縮強(qiáng)度；含開孔Style II(100%編織結(jié)構(gòu))平均壓縮強(qiáng)度約為406 MPa，略高于含增強(qiáng)紗的試驗(yàn)件強(qiáng)度，保留該試驗(yàn)件約68%的無缺陷壓縮強(qiáng)度。說明在該編織角下，增強(qiáng)紗未提高三維編織復(fù)合材料的損傷容限能力。

表2 各組試驗(yàn)件壓縮性能數(shù)據(jù)Tab.2 Compressive properties

表3 壓縮性能數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of compressive properties

2種三維編織復(fù)合材料與層合板壓縮性能對(duì)比如圖7所示。16-ply(0±45)°層合板無缺陷強(qiáng)度為646 MPa, 引入開孔后強(qiáng)度降為363 MPa，保留56%的強(qiáng)度[2]；18-ply(0±20)°層合板無缺陷強(qiáng)度為665 MPa，引入開孔后強(qiáng)度降為 398 MPa，保留60%的強(qiáng)度[14]?？砂l(fā)現(xiàn)，雖然無開孔層合板初始強(qiáng)度雖略高于2種編織復(fù)合材料，但在引入開孔缺陷后，2種編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料均能保留更高比例的壓縮強(qiáng)度，最終強(qiáng)度均接近于甚至高于層合板，主要得益于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性，再次說明了三維編織復(fù)合材料具有優(yōu)異的損傷容限性能。

圖7 2種三維編織復(fù)合材料與層合板壓縮性能對(duì)比Fig.7 Comparison of compression properties of two type 3-D braided composites with laminates

2.2 失效形態(tài)分析

2種有開孔和無開孔的編織復(fù)合材料試驗(yàn)件在壓縮試驗(yàn)過程均無明顯的變形和聲響，直到試驗(yàn)件破壞瞬間產(chǎn)生劇烈聲響，表現(xiàn)出明顯脆性材料的破壞特性。

2種無開孔三維編織復(fù)合材料試驗(yàn)件壓縮失效模式如圖8所示?？砂l(fā)現(xiàn)2類試驗(yàn)件的宏觀壓縮失效形式較為相似，均為橫向斷裂，幾乎所有試驗(yàn)件均斷裂在靠近夾頭和保護(hù)片位置處。微觀上的失效模式主要是由于纖維“褶皺”和“壓屈失穩(wěn)”造成的。

圖8 無開孔壓縮失效形式Fig.8 Photographs of un-notched specimens after compression test

2種三維編織復(fù)合材料試驗(yàn)件無開孔壓縮失效形式如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，2類試驗(yàn)件的宏觀壓縮失效形式也較為相似，均為沿孔周邊橫向斷裂。

圖9 含缺陷壓縮失效形式Fig.9 Photographs of Notched specimens after compression tests

開孔試驗(yàn)件斷裂裂紋如圖10所示。2種結(jié)構(gòu)三維編織復(fù)合材料試驗(yàn)件斷裂截面如圖11所示?？梢钥闯?，無缺陷時(shí)，材料壓縮失效斷口雖然也為橫向斷裂，但是斷口截面具有一定傾斜角，而有缺陷時(shí)斷口雖不平整，但是無明顯傾角。

圖11 復(fù)合材料試驗(yàn)件斷裂截面Fig.11 Fracture surface of specimen after compression tests. (a) Open hole; (b) Without hole

Style II無缺陷試驗(yàn)件電鏡下斷裂如圖12所示。可以看出，在壓縮載荷下，纖維束整束剪切斷裂，三維編織復(fù)合材料壓縮失效主要是由于剪切斷裂所致，伴隨局部區(qū)域纖維“扭折”失效。層合板的壓縮失效往往伴隨著分層以及分層導(dǎo)致的“褶皺”失效，而三維編織復(fù)合材料壓縮失效不存在分層問題，該特性有利于減緩試驗(yàn)件的失效。

圖12 Style II無缺陷試驗(yàn)件斷裂面電鏡照片F(xiàn)ig.12 SEM images of fracture surface of Style II

3 結(jié) 論

本文對(duì)2種紗線結(jié)構(gòu)的三維編織復(fù)合材料在含缺陷時(shí)和無缺陷時(shí)的壓縮性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)于±12°編織角的2種三維編織復(fù)合材料，無論有無開孔，其壓縮強(qiáng)度值均較為接近，說明增強(qiáng)紗的引入并未提高三維編織復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度和損傷容限。

2)相對(duì)于傳統(tǒng)層合板，2種纖維走向的三維編織復(fù)合材料，在開孔后均能保留更高比例的壓縮強(qiáng)度，說明三維編織復(fù)合材料比傳統(tǒng)層合板具有更優(yōu)異的損傷容限性能。

3)在失效形式上，2種纖維走向的三維編織復(fù)合材料，無開孔時(shí)的壓縮失效形式較為相似，均為橫向斷裂；開孔后均為沿孔橫向斷裂；無開孔的斷口截面具有傾斜角。相對(duì)于層合板失效模式，三維編織復(fù)合材料失效模式主要為剪切失效且無分層現(xiàn)象，伴隨局部區(qū)域纖維“褶皺折斷”和 “扭折”失效。