z向紗對三維正交復合材料層間剪切性能影響①

孫 緋，陳 利，孫 穎，張倩倩，張典堂，黃 健

(1.天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.襄陽市科技館，襄陽 441003)

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z向紗對三維正交復合材料層間剪切性能影響①

孫 緋1，陳 利1，孫 穎1，張倩倩1，張典堂1，黃 健2

(1.天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.襄陽市科技館，襄陽 441003)

采用置換法增強體成形工藝和樹脂傳遞模塑(RTM)固化工藝制備炭纖維三維正交復合材料。對比研究了不同z向紗體積含量的三維正交復合材料的細觀結構、層間剪切性能和破壞形貌。結果表明，基于置換法成形工藝制備的三維正交預制體其3個方向的紗線具有優異的伸直性；z向紗的體積含量在1%～5%時，對材料的層間剪切強度及模量的增強作用明顯；同時，隨著固化成型壓力的增加，材料的層間剪切強度呈上升趨勢，但當壓力增大到一定程度，纖維屈曲現象明顯，從而降低層間剪切強度的增加幅度；在層間剪切載荷的作用下，材料的主要破壞模式包括纖維的斷裂、抽拔以及z向紗與樹脂的脫粘，但相應增加z向紗的細度，使z向紗與基體之間的孔隙尺寸減小，可防止材料分層現象的產生。

三維正交復合材料；細觀結構；層間剪切強度

0 引言

三維紡織結構相具有整體的空間網狀交織結構，以其為增強體的復合材料具有較高的抗沖擊損傷容限、出眾的面內性能和靈活的可設計性，從而替代層合復合材料，成為航空航天領域的理想候選材料。采用不同的紡織技術制造的三維紡織復合材料已廣泛用于各種復合材料結構件中，如采用三維機織技術制造的星際飛船的機翼接頭和火箭鼻錐，采用縫合連接技術制造的三維復合材料機翼增強板和加強筋以及采用z-pin增強技術制造的三維增強復合材料機械連接件。三維正交結構作為一種典型的三維紡織結構增強相，由3組呈正交取向的紗線系統相互交叉排列形成，其中貫穿厚度方向的紗線統稱為z向紗。研究表明，相比于層合復合材料，z向紗的引入，可在很大程度上提高復合材料的損傷容限[1]，材料的分層韌性增加了近10倍，層間斷裂韌性提高了25%[2]。由此可見，z向紗對三維正交復合材料的性能起著至關重要的作用，但同時z向紗在引入過程中會造成材料內部的微結構缺陷，從而導致面內性能和厚度方向性能的下降。因此，優化z向紗的引入方式及結構參數，可有效地提高三維正交復合材料的力學性能。

國內外很多學者在z向紗的引入方式和結構參數對材料力學性能的影響方面進行了實驗研究。Lee[3]研究發現，紗線的拉伸強度在機織階段結束后減少了30%。Leong[4]指出z向紗的正弦曲線狀捆綁路徑和準矩形路徑相比，會顯著地降低材料的拉伸強度和失效應變。Rudov-Clark[5]發現z向捆綁紗體積含量的增加，會引起三維正交復合材料的疲勞壽命和剩余疲勞強度下降。而Billaut[6]總結歸納出三維正交復合材料中z向紗體積含量為1%～4%為宜。郭興峰[7-8]指出，z向紗的體積含量只決定于經緯紗密度和z向紗的細度，與經緯紗細度無關。王國軍[9]進一步的研究結果表明，z向捆綁紗線密度的增加會導致材料厚度方向壓縮性能的下降。針對以上原因，設計改進傳統的紡織技術，通過調整z向紗的捆綁路徑和體積含量的變化，研究其對面內性能和厚度方向性能的影響，是三維正交復合材料在大規模應用前景中所面臨的重要課題。

本文設計并改進了置換法增強體成形工藝設備，采用樹脂傳遞模塑(RTM)固化工藝制備了碳/環氧樹脂三維正交復合材料。對不同z向紗的線密度和捆綁浮長及復合成型壓力制備的三維正交復合材料進行了層間剪切實驗研究。利用掃描電鏡對試樣細觀結構和斷裂損傷形貌進行了觀測，探討了z向紗體積含量和成型壓力對三維正交復合材料層間剪切性能的影響，進而分析其斷裂損傷形貌，為三維正交復合材料的結構選擇、設計和應用等提供一定的理論依據。

1 試樣制備

增強材料采用日本東麗公司(Toray)生產的T300-6K和T700-12K炭纖維。基體材料為ET86環氧樹脂，密度為1.26 g/cm3。

1.1 置換法增強體的制備

本實驗所需三維正交預制體均在天津工業大學復合材料研究所自行改進的置換法織造設備上完成。圖1所示為置換法制備三維正交矩形織物的工藝簡圖。其工作原理：(1)在方形定位板上按設計的經緯紗間距將空心鋼管排列成矩形陣列；(2)引導x方向紗線在空心鋼管陣列間橫向穿過，形成一組紗線鋪層；(3)引導y方向紗線在空心鋼管陣列間縱向穿過，形成與前一組紗線垂直的紗線鋪層；(4)x、y方向紗線交錯反復進行，當達到規定的織物厚度后，用一組z向紗線將空心鋼管陣列置換，形成圖2所示的三維正交矩形織物，試樣的具體結構參數如表1所示。

(a)置換法步驟(1)

(c)置換法步驟(4)

圖2 三維正交織物示意圖Fig.2 Surface photographs of reinforcements

1.2 復合固化

復合材料成型采用樹脂傳遞模塑法(RTM)固化成型。固化溫度為80 ℃，復合成型壓力分別選取0.02、0.08、0.15 MPa。

表1 試樣結構參數Table 1 Geometric data of the reinforcement

2 實驗

2.1 細觀結構觀察

5組試樣分別經打磨拋光后，在LEICA DMI3000M光學顯微鏡下，分別觀察其3個不同截面的紗線形態。

2.2 層間剪切性能

試樣的層間剪切實驗參照標準BSEN ISO14130—1998進行，在日本島津(SHIMADZU)萬能材料實驗機上進行，加載速度為1 mm/min，最大載荷為20 kN，上壓頭直徑為5 mm，跨厚比為5，跨距L=5h(h為試件厚度)。試樣層間剪切強度公式如下：

(1)

式中F為最大破壞載荷，N；B為試樣寬度，mm；I為試樣厚度，mm。

同時，采用掃描電鏡觀察試樣的斷口形貌。

3 結果與分析

3.1 細觀結構

圖3為5組試樣在x、y、z3個方向的截面示意圖。表2為試樣橫截面的結構參數，主要包括z向紗的偏移角α，z向紗捆綁路徑表層橢圓弧的長半軸a和短半軸b，z向紗的體積含量Vz和增強體的總體積含量Vf。

表2 試樣截面結構參數Table 2 Geometric data of the specimens

由圖3可見：

(1)在成型壓力一致的情況下(試樣S-1、S-2、S-3)，增加z向紗的線密度，x向紗依然保持良好的伸直情況，但各層y向紗出現了不同程度的屈曲，屈曲程度從內層至表層逐漸加重，這是由于同等成型壓力下，z向紗線密度增加導致在與y向紗交織時對其產生的較大作用力引起的，同時，y向紗的屈曲也造成x向紗準矩形截面出現了偏差。加大z向紗的捆綁浮長，沒有造成其他系統紗線的屈曲，但樹脂含量高，尤其在z向紗與表層y向紗交織點處，有較大的富樹脂區。

圖3 試樣橫截面示意圖Fig.3 SEM images of cross-sections of specimens

(2)在增強體結構參數一致的情況下(試樣S-1、S-4、S-5)，增加材料的成型壓力，z向紗在織物內部的出現不同程度的傾斜，壓力越大，傾斜角越大，當復合成型壓力達到0.08 MPa時，試樣中x、y向紗出現比較嚴重的屈曲，尤其是y向紗；繼續增大壓力至0.15 MPa，試樣中x、y向紗反而又回歸到良好的伸直狀態。

3.2 層間剪切性能及破壞形貌

三維正交復合材料的力學性能與其組分材料的性能和細觀結構密切相關。其中，環氧樹脂基體在加載過程中起著承載和傳遞載荷的作用，而所采用制備預制體的z向紗的線密度、z向紗體積含量和編織結構等對三維正交復合材料的力學性能影響明顯。圖4給出了S-1、S-2、S-3試樣的層間剪切強度和模量。從圖4可看出，試樣S-2的剪切強度最大，較試樣S-3提高6.29%，較試樣S-1提高4.73%，由于3組試樣的復合成型壓力相同，材料的剪切強度及其斷裂行為取決于z向紗的線密度和體積含量。

圖4 層間剪切性能測試結果Fig.4 Experimental results of different z-binder volume fractions

圖5為3組材料的應力應變曲線。由圖5可看出，3組曲線的趨勢基本相同，3組曲線的初始階段均呈現線性增加，且剛度一致，S-3最先屈服，而S-2表現出最大的面內剛度。這主要是由于試樣S-2的z向紗細度的增加，整個織物表面較其他2組致密，z向紗的體積含量達到11.2%，基體在纖維束內和束間的填充十分緊密(圖6(b))，z向加載時，載荷在2種組分材料之間較好的傳遞。層間剪切破壞后，纖維束斷口仍然排列整齊、光滑(圖6(b))。然而，試樣S-1的z向紗的體積含量較試樣S-2降低了50%，但剪切強度卻沒有大幅降低，說明提高z向紗的體積含量并不會對剪切強度有大幅的促進作用。但試樣S-1的z向紗細度的減小，使得z向纖維束與基體之間的孔隙尺寸加大，削弱了z向紗的增強作用，材料在剪切力的作用下出現了分層現象(圖6(a))。試樣S-3的捆綁浮長增加，體積含量相對于S-1降低了49%、S-2降低了74%，但剪切強度并沒有大幅的降低，這一結果與Mouritz、Billaut等[1,6]得出的結論并不矛盾，即z向紗的體積含量在1%～5%時，足以在很大程度上提高復合材料的損傷阻抗，防止分層，達到較大的強度，之后繼續增大z向紗的纖維體積含量意義并不明顯。但樹脂基體在材料中所占的體積含量提高，使得試樣S-3的斷口表面出現較大裂紋(圖6(c))。

圖5 不同體積含量試樣的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of different z-binder volume fractions

圖7為3組試樣S-1、S-4和S-5的層間剪切強度和模量的對比數據。從圖7可看出，增加復合成型壓力，試樣的剪切強度也呈上升趨勢，雖然較高的復合成型壓力造成z向紗在織物內部的傾斜，使x、y向紗出現不同程度的屈曲，但高壓下試樣內部的孔隙率減小，紗線層間區域變小，出現纖維搭橋現象，材料的剪切強度還是隨壓力的增大呈現出一定程度的增大，表明壓力對試樣的面內剛度有一定的積極影響。

圖8為3組試樣的應力-應變曲線。從圖8可看出，試樣S-4最先屈服，因為材料內部較高的紗線屈曲影響了其承載能力，但經過一段時間的屈服，載荷得到重新分配，試樣S-4表現出的剪切強度還是高于試樣S-1；試樣S-5在受力發生破壞后，出現了一段持續時間相當長的、波動比較平緩的平臺，載荷維持在一個相對穩定的狀態，沒有發生災難性的斷裂，表現出很好的斷裂韌性。

(a)S-1

(b)S-2

(c)S-3

圖7 層間剪切性能測試結果Fig.7 Experimental results of different consolidation pressures

層間剪切破壞后，試樣S-4和S-5中纖維的抽拔量明顯減少，試樣S-4出現了較嚴重的分層現象(圖9(a))，而且隨壓力增大，試樣裂紋不再局限于層間，一些層間裂紋進入了層內(圖9(b))。這是由于紗線層間的纖維搭橋現象，干涉了樹脂基體的斷裂機制，增加了材料的層間剪切強度。

圖8 不同成型壓力的試樣應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of different z-binder consolidation pressures

(a)S-4

(b)S-5

4 結論

(1)設計和改進了置換法增強體成形工藝和設備，使用該方法可有效減小z向紗在引入過程中產生的磨損和斷裂。制備的三維正交預制體，其3個系統的紗線具有優異的伸直性。

(2)z向紗的纖維體積含量和復合成型壓力對三維正交復合材料的層間剪切強度和模量具有顯著影響。結果表明，z向紗的纖維體積含量在1%～5%時，材料的層間剪切強度明顯提高，而提高復合成型壓力，材料的層間剪切強度也出現上升趨勢，但在高壓下(0.15 MPa)產生的纖維屈曲現象，則會降低材料層間剪切強度的增加幅度。

(3)三維正交復合材料的破壞方式主要表現為纖維的抽拔、斷裂及z向紗與樹脂的脫粘。同時，增加z向紗的線密度，可減小z向紗與基體之間的孔隙尺寸，降低材料的分層現象。增大復合成型壓力，造成試樣內部的孔隙率減小，紗線層間區域變小，出現纖維搭橋現象，促進了裂紋的產生和擴展。

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(編輯：劉紅利)

Effects of thez-binder on interlaminar shearing properties of 3D orthogonal composites

SUN Fei1，CHEN Li1，SUN Ying1，ZHANG Qian-qian1，ZHANG Dian-tang1，HUANG Jian2

(1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University；Tianjin 300387，China；2.Xiangyang Science and Technology Museum，Xiangyang 441003，China)

Three-dimensional orthogonal composites were fabricated by a modified method and consolidated through the resin transfer molding(RTM) processing. The microstructure characteristic,interlaminar shearing properties and breakage configurations of three-dimensional orthogonal composites with differentz-binder fractions were comparatively studied. The results indicate that yarns show excellent straightness based on the modified method. Thez-binder fractions of 1%～5% are usually sufficient to greatly enhance the interlaminar strength and modulus. With the consolidation pressure increasing,the interlaminar strength is improved. However the growth rate of interlaminar shearing strength and modulus are decreased due to the distortion of yarns. Additionally,the predominant failure modes of composites under loading are identified to be fiber breakage,fiber pulling out and the separation betweenz-binder and resin. Furthermore,the pore size betweenz-binders and matrix is decreased with increasing thez-binder size to prevent delamination.

3D orthogonal composite;microstructure characteristic;interlaminar shearing property

2014-03-14；

：2014-05-26。

國家自然基金青年項目(11102133)；國家質量監督檢驗檢疫總局項目(201210260)。

孫緋(1984—)，女，博士，主要從事紡織復合材料的制備及力學性能研究。E-mail:sunxiaofei0212@163.com

孫穎(1974—)，女，教授，研究方向為三維紡織結構材料設計開發及其復合材料力學性能研究。E-mail:sunying@tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)01-0111-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.022