含變異結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料的軸向拉伸性能

劉俊嶺， 孫 穎， 陳 利

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料天津市和教育部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

三維機(jī)織復(fù)合材料具有抗沖擊損傷、分層、裂紋擴(kuò)展可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。對(duì)于異型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，通過(guò)改變織造工藝過(guò)程，可直接制備各種凈尺寸預(yù)制件，復(fù)合成型后無(wú)需二次加工，保證結(jié)構(gòu)的整體性與力學(xué)性能的穩(wěn)定性。采用三維機(jī)織技術(shù)制備近凈尺寸異型預(yù)制件時(shí)，通常使用加、減紗工藝調(diào)整紗線數(shù)量(線密度)和排列規(guī)則等工藝參數(shù)[3]，以獲得不同形狀編織截面。常用的加、減紗方法包括改變紗線線密度以及逐單元、整行或整列(整組)[4]加減紗，根據(jù)實(shí)際構(gòu)件截面變化規(guī)律，選擇1種或多種方法相結(jié)合。

在使用加、減紗方法制備變截面預(yù)制件時(shí)，會(huì)引入一定程度的局部結(jié)構(gòu)變異，例如貫穿孔洞、紗線編織角改變、局部交織紋路變化等[5]。減小纖維束線密度不會(huì)改變纖維束運(yùn)動(dòng)軌跡，但會(huì)使減紗過(guò)渡區(qū)域紗線傾斜角減小和表面花節(jié)變長(zhǎng)[6]。逐單元減紗后，相鄰紗線依次平移填充，截面均勻變化，減紗區(qū)紗線編織角變大，花節(jié)變長(zhǎng)，若干循環(huán)后恢復(fù)至減紗前狀態(tài)[3,6]。整組加紗[7]、減紗后移紗合并[8]保證了加(減)紗區(qū)交織紋路，但造成了經(jīng)紗一定程度的偏移。焦亞男等[6]分析了逐點(diǎn)減紗(減紗數(shù)量、截面分布不同)、減線密度對(duì)三維編織變截面復(fù)合材料拉伸性能影響發(fā)現(xiàn)，截面的減紗數(shù)量控制在紗線總數(shù)10.0%以下時(shí)，能保證復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，若截面尺寸變化較快，應(yīng)使減紗點(diǎn)分散分布，沿編織方向減紗點(diǎn)間距應(yīng)大于纖維臨界長(zhǎng)度。劉兆麟等[3]對(duì)比了減紗變截面、切削變截面和等截面三維編織復(fù)合材料彎曲性能發(fā)現(xiàn)，影響彎曲強(qiáng)度和模量大小的順序依次為：等截面、減紗變截面、切削變截面，等截面和減紗變截面以紗線斷裂為主要失效模式，切削變截面以基體開(kāi)裂和纖維抽拔為主要失效模式。田瑞娜[7]采用有限元法模擬非加紗、加紗三維機(jī)織結(jié)構(gòu)變截面單胞壓縮載荷下的損傷演化發(fā)現(xiàn)，基體損傷沿著緯紗方向擴(kuò)展，經(jīng)、緯紗初始損傷發(fā)生在交織點(diǎn)處，逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，在加紗單胞中偏移經(jīng)紗局部區(qū)域出現(xiàn)拉伸應(yīng)變。也有文獻(xiàn)[8]報(bào)道采用減紗后移紗合并的方法制備了變截面試樣，表征了經(jīng)紗細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，減紗區(qū)域無(wú)貫穿性孔洞，拉伸強(qiáng)度、縱向應(yīng)變分別減少9.0%、8.0%。

單獨(dú)采用加紗或者減紗方法引入變異結(jié)構(gòu)制備變截面試樣，試驗(yàn)中試樣斷裂部位大都出現(xiàn)在加紗或減紗所在的較小截面處[3,6,8]。試樣的截面變化會(huì)引起試樣橫截面較小處產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。本文為消除試樣截面變化的影響，采用正向加紗和反向減紗(或正向減紗和反向加紗)相結(jié)合的方法，制備了4種帶有變異結(jié)構(gòu)的等截面復(fù)合材料試樣，分別為層層正交角聯(lián)鎖、襯經(jīng)層層正交角聯(lián)鎖、層層斜交角聯(lián)鎖、襯經(jīng)層層斜交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，采用圖像觀測(cè)和拓?fù)浞治鱿嘟Y(jié)合表征了材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)變異對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響及其拉伸破壞模式的異同。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

選用石英纖維(湖北菲利華石英纖維有限公司)織造4種結(jié)構(gòu)三維機(jī)織織物，4種未引入加減紗試樣的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。加、減紗設(shè)計(jì)遵循以下原則[4,9]：1)加紗或減紗后織造的連續(xù)性；2)加、減紗“點(diǎn)”盡可能均勻分布；3)同一位置不重復(fù)加紗或減紗。規(guī)定：X為織造方向(經(jīng)紗方向)，Y為緯紗方向，Z為厚度方向。經(jīng)紗在YOZ面分布如圖1所示。加、減紗區(qū)域位于試樣L/2(L為試樣長(zhǎng)度)處，減去第 8列、加上第16列經(jīng)紗，間隔1緯，減去第9列、加上第17列經(jīng)紗。試樣橫向總經(jīng)紗列數(shù)不變，引入變異結(jié)構(gòu)的同時(shí)保證了試樣截面尺寸不變。

表1 試樣結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of samples

預(yù)制件在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料所完成織造，后續(xù)采用樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)固化成型，基體選用TDE 86#型環(huán)氧樹(shù)脂體系[10](天津晶東化學(xué)復(fù)合材料有限公司)。

1.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

加紗可以認(rèn)為是反向的減紗，反之亦然，加、減紗點(diǎn)均勻分布，所以4種結(jié)構(gòu)試樣的截面尺寸不變、結(jié)構(gòu)平衡?？椩熘猎嚇覮/2時(shí)，進(jìn)行加、減紗操作，即移除被減紗線和引入被加紗線，同時(shí)涉及紗線平移填充。紗線結(jié)構(gòu)在加、減紗截面處發(fā)生變異，形成特殊的加、減紗結(jié)構(gòu)，其他部位紗線結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變。圖2示出預(yù)制件表面形貌及結(jié)構(gòu)示意圖。試樣編號(hào)中“J”表示對(duì)本文制備的4種試樣進(jìn)行加、減紗處理。可以看出，預(yù)制體表面除加、減紗處外，

圖1 經(jīng)紗排列Fig.1 Arrangements of warp yarns

未見(jiàn)其他形式紗線斷頭和通透性孔洞。加、減紗前后，紗線形成規(guī)則均勻的交織紋路，加、減紗“點(diǎn)”附近的紗線交織規(guī)律發(fā)生改變。對(duì)于A4、A4T試樣，1個(gè)單包含有運(yùn)動(dòng)規(guī)律相反的2列經(jīng)紗，在加上第 16列、減去第8列經(jīng)紗時(shí)，出現(xiàn)2對(duì)相鄰經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，間隔1緯后，加上第17列、減去第9列經(jīng)紗，紗線交織紋路恢復(fù)正常。A4P、A4PT試樣由A4、A4T分別引入襯經(jīng)紗形成，1個(gè)單胞由間隔分布的 2列襯經(jīng)紗和運(yùn)動(dòng)規(guī)律相反的2列經(jīng)紗組成，為保證試樣加(第16、17列)、減(第8、9列)紗“點(diǎn)”位置和大小相同，A4P、A4PT加入和減去的經(jīng)紗數(shù)量不是1個(gè)完整循環(huán)，出現(xiàn)2對(duì)相鄰經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。

注：試樣編號(hào)中J表示“加、減紗”。圖2 預(yù)制件表面形貌及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Surface morphology and structure of performs

一般情況下，經(jīng)、緯紗在XOY面投影夾角為90°，而在進(jìn)行加、減紗操作時(shí)，8～16列之間的經(jīng)紗會(huì)向減紗“點(diǎn)”處平移，導(dǎo)致經(jīng)、緯紗投影不垂直，但隨著織造的繼續(xù)，經(jīng)紗偏移角逐漸趨于0°。表2示出編織后試樣的經(jīng)紗偏移角?？芍?、減紗經(jīng)紗偏移角接近，間接證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。因?yàn)榻?jīng)紗向減紗“點(diǎn)”平移，減紗“點(diǎn)”左側(cè)和加紗“點(diǎn)”右側(cè)經(jīng)紗不移動(dòng)，所以減紗“點(diǎn)”右側(cè)偏移角大于左側(cè)、加紗點(diǎn)左側(cè)偏移角大于右側(cè)。

表2 經(jīng)紗偏移角Tab.2 Offset angle of warp

在實(shí)際織造過(guò)程中為提高效率，經(jīng)紗只平移 1次，發(fā)生在第1次加、減紗過(guò)程中，第2次只相應(yīng)加、減紗，不再平移經(jīng)紗，所以第1次加、減紗后經(jīng)紗偏移角大于第2次。A4T-J、A4PT-J中引入了襯緯紗，經(jīng)紗浮長(zhǎng)線長(zhǎng)度大于A4-J、A4P-J經(jīng)紗浮長(zhǎng)線，較長(zhǎng)的浮長(zhǎng)線減弱了經(jīng)紗偏移作用，造成A4-J、A4P-J經(jīng)紗偏移角普遍偏大。

圖4 8種試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of 8 specimens.(a)Without adding or cutting yarn；(b)With adding or cutting yarn

1.3 軸向拉伸測(cè)試

根據(jù)GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，在AG-250KNE型材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(日本島津公司)上完成拉伸實(shí)驗(yàn)，十字頭速率為 2.0 mm/min，聯(lián)合ARAMIS 5 M型數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(DIC，德國(guó)GOM 3D Ltd.)[11]獲得試樣拉伸過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變信息，采集頻率為1 Hz。為使DIC能夠有效記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣表面的圖像信息，需將試樣表面制成灰斑，如圖3所示。

圖3 DIC系統(tǒng)聯(lián)合拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.3 DIC combination of tensile test device

2 結(jié)果與討論

8種試樣拉伸測(cè)試結(jié)果如表3所示，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。圖5示出8種試樣在應(yīng)變約為1.0%、2.0%和斷裂前的應(yīng)變分布云圖。

表3 8種試樣拉伸測(cè)試結(jié)果Tab.3 Tensile test results of 8 specimens

由表3可知，未加、減紗試樣模量計(jì)算對(duì)應(yīng)應(yīng)變范圍為0.05%～0.25%，纖維體積含量[12]為(54±3)%。4種試樣拉伸強(qiáng)度由大到小順序?yàn)锳4PT > A4T > A4P > A4，拉伸模量由大到小順序?yàn)锳4T > A4PT > A4P > A4。A4T、A4P和A4PT在A4基礎(chǔ)上分別加入襯緯紗、襯經(jīng)紗、襯經(jīng)和襯緯紗，交織規(guī)律不變； A4T中經(jīng)紗屈曲[13]減??；A4P中經(jīng)紗屈曲不變，且1/2經(jīng)紗被伸直的襯經(jīng)紗替換；A4PT經(jīng)紗不僅屈曲減小，而且 1/2 經(jīng)紗被伸直的襯經(jīng)紗替換。加、減紗的試樣擁有相同規(guī)律，引入的加、減紗“點(diǎn)”并沒(méi)有影響4種試樣試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律。引入加、減紗后，經(jīng)向紗線(包括經(jīng)紗和襯經(jīng)紗)變異比例為16.0%，A4-J、A4T-J、A4P-J和A4PT-J拉伸強(qiáng)度保留率分別為93.5%、96.2%、94.7%、94.4%，拉伸模量保留率分別為95.2%、88.3%、91.5%、91.1%。4種結(jié)構(gòu)試樣都具有較高的強(qiáng)度和模量保留率，分別大于93.0%和88.0%，說(shuō)明采用的加、減紗方案具有通用性，在實(shí)現(xiàn)凈尺寸織造的基礎(chǔ)上，能較大程度的保證結(jié)構(gòu)的完整性和減少力學(xué)性能損失。

由圖4可以看出，加載初期8種試樣表現(xiàn)為線性行為，斷裂失效前又呈現(xiàn)為非線性。除A4和A4-J外，其他6種試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近線性，失效前試樣的變形一致。引入加、減紗的試樣(A4-J、A4T-J、A4P-J和A4PT-J)分別與未引入加、減紗的試樣(A4、A4T、A4P和A4PT)在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，加、減紗的引入一定程度上沒(méi)有破壞結(jié)構(gòu)的完整性。除A4和A4-J外的其他6種試樣的斷裂伸長(zhǎng)率在2.5%左右，A4和A4-J斷裂伸長(zhǎng)率在3.0%左右，且呈現(xiàn)雙線性或偽塑性行為。在外加載荷作用下屈曲的經(jīng)紗趨于伸直，將應(yīng)變傳遞給周圍的基體，相較于另外6種試樣，A4和A4-J經(jīng)紗屈曲較多，軟化響應(yīng)[14]現(xiàn)象較明顯。

由圖5可以看出，縱向應(yīng)變?cè)茍D局部上呈現(xiàn)周期性，整體上呈現(xiàn)均勻性[10,15]，且應(yīng)變?cè)茍D分布受紗線交織模式影響較大[13-14]，局部高應(yīng)變區(qū)發(fā)生在交織點(diǎn)附近，呈“點(diǎn)狀”均勻分布，交織點(diǎn)處經(jīng)紗方向發(fā)生改變。隨著外加載荷的增加，經(jīng)紗趨向伸直，伴隨著基體的開(kāi)裂，“點(diǎn)狀”高應(yīng)變區(qū)沿緯紗方向串聯(lián)成“波浪線”。引入加、減紗的試樣其高應(yīng)變集中在加、減紗“點(diǎn)”處，同時(shí)存在低應(yīng)變區(qū)域與之對(duì)應(yīng)，經(jīng)向紗線(包括經(jīng)紗、襯經(jīng)紗)局部不連續(xù)，附近存在富樹(shù)脂區(qū)。拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不連續(xù)經(jīng)向紗線只有一端被夾持，另一端依賴與緯向紗線(包括緯紗、襯緯紗)的交織束縛，交織束縛不足以限制經(jīng)向紗線的形變導(dǎo)致高應(yīng)變區(qū)，依賴于應(yīng)變傳遞的富樹(shù)脂區(qū)形成了低應(yīng)變區(qū)。

8種試樣斷裂形貌如圖6所示?？芍嚇舆吘壗?jīng)向紗線(包括經(jīng)紗、襯經(jīng)紗)脫粘開(kāi)裂，可能是基體與經(jīng)向紗線之間泊松比失調(diào)導(dǎo)致[16]。A4、A4T、A4-J 和A4T-J無(wú)襯經(jīng)紗存在，斷口較為平齊。經(jīng)紗在交織點(diǎn)處發(fā)生斷裂，襯經(jīng)紗呈現(xiàn)斷裂/抽拔失效模式，斷裂路徑沿緯紗方向。試樣表面也可以看到基體開(kāi)裂，裂紋平行緯紗方向。加、減紗的引入在一定程度上并未改變材料斷裂模式，加或減紗處經(jīng)向紗線(包括經(jīng)紗、襯經(jīng)紗)以抽拔為主要失效模式。

圖6 8種試樣的斷裂形貌Fig.6 Fracture morphologie of 8 specimens

3 結(jié) 論

1) 采用正向加紗和反向減紗(或正向減紗和反向加紗)相結(jié)合，制備了等截面試樣，合理地把變異結(jié)構(gòu)引入4種角聯(lián)鎖織物，同時(shí)避免了試樣截面變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2) 從拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，引入加、減紗試樣的經(jīng)向紗線變異比例為16.0%，相較于未加減紗試樣，其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的保留率分別大于93.0%和88.0%。

3) 引入加減紗的試樣與未引入加減紗的試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律、斷裂失效模式基本一致。