T字型三維機(jī)織物設(shè)計(jì)及其復(fù)合材料彎曲性能

呂麗華, 張雪飛, 閆淑娟, 錢永芳, 葉 方， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué)， 遼寧 大連 116034)

T字型三維機(jī)織物設(shè)計(jì)及其復(fù)合材料彎曲性能

呂麗華, 張雪飛, 閆淑娟, 錢永芳, 葉 方， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué)， 遼寧 大連 116034)

為探究不同梁高的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)合理設(shè)計(jì)，使用玄武巖長(zhǎng)絲束在普通小樣織機(jī)上，低成本織造3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織物，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，制備T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料。用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，得到相應(yīng)的載荷-位移曲線和吸收能量-位移曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，梁越高的T型三維整體機(jī)織復(fù)合材料所承受的載荷和吸收的能量也越高，且不同梁高的T型三維整體機(jī)織復(fù)合材料也表現(xiàn)出不同的彎曲破壞模式。該研究結(jié)果表明，梁高對(duì)T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的彎曲載荷、吸能和破壞模式影響顯著。

三維機(jī)織結(jié)構(gòu)； T字型復(fù)合材料； 彎曲性能； 玄武巖長(zhǎng)絲束； 梁高

金屬T字梁由于比強(qiáng)度小，限制了其在航空航天領(lǐng)域方面的應(yīng)用。目前，鋪層的T字梁，由于厚度方向沒有纖維束，易引起分層現(xiàn)象。Shahaway等[1]研究了碳纖維鋪層增強(qiáng)復(fù)合材料T型梁的彎曲性能。Gendron等[2]研究了鋼筋混凝土里加入纖維制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料T型梁的剪切性。Pye等[3]研究了玻璃纖維復(fù)合材料T型梁在建筑中使用的可行性。Hulatt等[4]分析了T型梁的截面對(duì)復(fù)合材料性能的影響。Wang等[5]論證了碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料T型梁的應(yīng)用。此外，為解決鋪層T字型紡織復(fù)合材料的分層缺陷，有學(xué)者研究了正交結(jié)構(gòu)、三明治結(jié)構(gòu)、針織及編織T字型復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)，如Lopez等[6]研究了一種正交結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料T型梁的翹曲性能,提出了解決方案。GU等[7]研究了三明治結(jié)構(gòu)T型梁的強(qiáng)度。張明星等[8]比較三維雙軸向間隔緯編復(fù)合材料T型梁在不同筋高下的橫向準(zhǔn)靜態(tài)彎曲性能和動(dòng)態(tài)沖擊性能，并進(jìn)行了模擬。張中偉等[9]采用四步法三維編織以及真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)技術(shù)制得三維編織復(fù)合材料T型梁，并對(duì)材料的彎曲疲勞性能進(jìn)行研究，得出導(dǎo)致材料最終失效的主要破壞模式是筋高處纖維的斷裂。徐艷華等[10]選用不同線密度的高強(qiáng)高模玄武巖纖維作為增強(qiáng)體，乙烯樹脂作為基體，制備玄武巖纖維/乙烯復(fù)合材料，研究其彎曲性能，其彎曲破壞為韌性破壞。李嘉祿等[11]研究了三維編織復(fù)合材料T型梁的抗彎性能并進(jìn)行了模擬分析，但關(guān)于T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能的研究較少，其力學(xué)性能、破壞損傷機(jī)制及模式需進(jìn)一步探究。

在T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件的織造方面，楊彩云[12]介紹了T形、工字形異形件的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是織機(jī)需要3個(gè)經(jīng)軸，至少2把梭子，操作復(fù)雜繁瑣。Chen等[13]介紹了3種不同組織結(jié)構(gòu)，研究了織物組織及緯紗層數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響。王元昌等[14]介紹了在多臂多梭箱織機(jī)上制織工字型，經(jīng)、緯向 T型異形件的可行性，但是采用的是正交分層接結(jié)的組織結(jié)構(gòu)。劉淑萍等[15]介紹了幾種異形預(yù)制件的機(jī)織工藝，但操作較繁瑣。顧平等[16]分析了T形結(jié)構(gòu)件及其衍生異型件的組織結(jié)構(gòu)及特征。陳思霞等[17]嘗試了采用角連鎖組織結(jié)構(gòu)對(duì) T型、工字型及緯向回型3種典型的三維異形件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而對(duì)能否在普通織機(jī)上制織沒有詳細(xì)描述。呂麗華等[18]簡(jiǎn)介了利用普通小樣織機(jī)織制蜂窩狀及T字形三維機(jī)織物的織造方法。本文探究在普通小樣織機(jī)上經(jīng)過合理設(shè)計(jì)開發(fā)T字型三維整體機(jī)織物，通過VARTM成型工藝制備復(fù)合材料，并研究其彎曲性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 T字型三維整體機(jī)織物的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)是緯向T字型三維整體機(jī)織物，緯向截面如圖1所示。圖中尺寸為：W1=W3≠W2、H1≠H2(W表示織物所具有的寬度，H則為其高度，A表示區(qū)域)。在織造的時(shí)候，織機(jī)幅寬會(huì)影響A的尺寸；H1、H2的大小即織物的厚度受綜框數(shù)限制，因而應(yīng)根據(jù)綜框的頁數(shù)確定緯紗的層數(shù)。

圖1中的3種T字型結(jié)構(gòu)，A1、A3區(qū)均采用3層，A2區(qū)分別為14層、7層和0層，(分別表示H1的高度即梁高，0層時(shí)則H1=0，織物為平板狀)。以A2區(qū)為14層的為例，設(shè)計(jì)其經(jīng)向截面圖和紋板圖。A2區(qū)為14層的T字型織物組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)向截面圖如圖2所示。

1)共使用16頁綜框，A1區(qū)穿入1～4頁綜框中，采用順穿，以方便邊經(jīng)穿在前綜；A2區(qū)借用1～3頁綜框采用照?qǐng)D穿法；A3區(qū)穿綜順序依次為4,3,2,1。

2)穿筘：筘號(hào)45根/10 cm，A1、A3區(qū)每筘3入，A2區(qū)每筘14入。

3)紋板圖：通過觀察經(jīng)緯紗的交織情況最終可得到紋板圖，如圖3所示。

1.2 T字型三維整體機(jī)織物的織造

1.2.1 紗線和織機(jī)

為降低成本，選用600 tex的玻璃長(zhǎng)絲束作為經(jīng)紗,2 000 tex的玄武巖長(zhǎng)絲束作為緯紗。織機(jī)為普通小樣織機(jī)(Y100S，南通三思機(jī)電有限公司)，操作簡(jiǎn)單方便，便于調(diào)整。

1.2.2 T字型三維整體機(jī)織物的上機(jī)織造

3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織物的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 T字型三維整體機(jī)織物參數(shù)Tab.1 Parameters of T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics

注：循環(huán)根數(shù)是指一個(gè)結(jié)構(gòu)單元所需要的經(jīng)紗根數(shù)。

1.3 T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的制備

VARTM成型工藝操作簡(jiǎn)單、方便、安全、成本低，室溫條件下即可固化[19]。樹脂選用雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂(EPOVIA?RF-1001)，固化劑為過氧化甲乙酮，促進(jìn)劑為辛酸鈷，三者的體積比為100∶4∶2(采用燃燒法,測(cè)試梁高為0的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)為46.7%;梁高6 mm的為48.2%;梁高12 mm的為50.4%)。

1.4 彎曲性能測(cè)試

參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行材料彎曲性能測(cè)試，試樣規(guī)格為長(zhǎng)110 mm，寬15 mm，梁高分別取0，6，12 mm。每組測(cè)試3個(gè)試樣得其最優(yōu)載荷-位移曲線，跨距選用60 mm。每個(gè)同樣的試樣測(cè)試3條載荷-位移曲線。每組最大載荷值、平均值及方差如表2所示，得其最優(yōu)載荷-位移曲線，跨距選用60 mm。用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(RG Y-5)加載速度為2 mm/min，測(cè)試載荷-位移曲線，圖4示出彎曲裝置示意圖。

表2 每組最大載荷值、平均值及方差Tab.2 Each group of maximum load value

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 載荷與位移曲線

3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的載荷與位移曲線如圖5所示。從圖可看出，初始階段載荷與位移曲線呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，在位移達(dá)到一定值后，表現(xiàn)為非線性特點(diǎn)。探究其原因可能為：1)在載荷-位移曲線的初始階段，表現(xiàn)為線性，此時(shí)T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的增強(qiáng)材料和雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂黏結(jié)良好，是一個(gè)整體，二者一起發(fā)生變形。且三維整體機(jī)織復(fù)合材料與錐頭接觸面區(qū)域試樣受到擠壓，而其背面區(qū)域受到拉伸，初始階段表現(xiàn)較好的線性趨勢(shì)。2)隨著位移的增大，T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料與錐頭接觸面區(qū)域增大，試樣承受的壓應(yīng)力逐漸增大。此時(shí)，由于T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的增強(qiáng)材料和雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂變形變量不同，T字型三維整體機(jī)織物的紗線發(fā)生滑移，從而使得T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯間的界面發(fā)生破壞。載荷與位移曲線表現(xiàn)為非線性階段。3)當(dāng)載荷與位移曲線達(dá)到最大值時(shí)，T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料發(fā)生彎曲破壞現(xiàn)象，如纖維斷裂、樹脂開裂。此時(shí)，載荷主要由纖維來承擔(dān)，曲線曾現(xiàn)微小波動(dòng)。隨著應(yīng)力集中導(dǎo)致材料中結(jié)構(gòu)薄弱位置的纖維陸續(xù)發(fā)生斷裂。由于材料結(jié)構(gòu)內(nèi)層間剪切應(yīng)力的存在，纖維與樹脂還可能發(fā)生脫黏和剝離現(xiàn)象，由于試樣中的經(jīng)紗、緯紗都處于不同程度的屈曲狀態(tài)，在承受最大載荷時(shí)，延緩了對(duì)試樣的破壞，曲線未表現(xiàn)出急劇下降。可看到，隨著位移的增加，載荷逐漸增大，材料在承受最大載荷點(diǎn)的附近，曲線未表現(xiàn)出急劇下降，而是表現(xiàn)出較小波動(dòng)后再逐漸下降，這主要是因?yàn)樽鳛閺?fù)合材料增強(qiáng)體的T字型三維整體機(jī)織物，其組織是疏松正交角連鎖結(jié)構(gòu)，具有較好的彈性形變，延緩了外部載荷對(duì)材料的破壞。

從圖5可明顯看出，梁高為12 mm的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料可承受的載荷最大，其次是梁高為6 mm，梁高為0的T字型三維整體機(jī)織物可承受的最大載荷最小。

2.2 吸收能量曲線

3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料的吸收能量-位移曲線如圖6所示。由圖可見：在施加載荷的初始階段，能量吸收量較少，曲線表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)，試樣整體共同承擔(dān)載荷；隨著位移的增加，纖維逐漸斷裂，基體發(fā)生破碎，纖維與樹脂脫黏和剝離，材料逐漸被破壞，其吸收的能量越多。梁高越大，材料吸收能量越多。

2.3 破壞模式

2.3.1 彎曲后試樣的表面形態(tài)

圖7示出3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料在微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得的最終彎曲破壞實(shí)際圖。3種不同梁高的試樣承載能力不同，彎曲變形的程度也不同，可是均沒有發(fā)生完全的彎曲破壞。

實(shí)驗(yàn)過程中，壓頭首先與材料的背面接觸，破壞狀態(tài)并不顯著，但隨位移的增加，材料的表面出現(xiàn)樹脂開裂和清脆的斷裂聲，載荷通過界面向增強(qiáng)體內(nèi)部和附近傳遞，直至在應(yīng)力集中處發(fā)生開裂現(xiàn)象，通過觀察彎曲破壞的位置和形貌，復(fù)合材料的梁高越大，被破壞情況越嚴(yán)重，由于受到人為因素的限制和組織結(jié)構(gòu)的原因，使得梁和底板接結(jié)處比較薄弱，有稍許撕裂現(xiàn)象，但并未產(chǎn)生分層。

2.3.2 彎曲破壞損傷機(jī)制

在加載過程中可看出，試樣在受到彎曲作用時(shí)，梁高為0的試樣并沒有發(fā)生整體破壞，只是在受拉面和受壓面產(chǎn)生了基體的開裂，受拉面基體開裂顯著，頂端有少許纖維斷裂但在受壓面未發(fā)現(xiàn)纖維斷裂，顯然受拉面損傷較嚴(yán)重。破壞模式的不同造成了試樣兩面破壞的不同，受拉面為拉伸破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂和纖維的斷裂；受壓面為壓縮破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂等破壞。

梁高為6 mm和12 mm的試樣破壞位置主要是在A2區(qū)和A1、A3區(qū)接結(jié)處，受拉面發(fā)生基體的開裂，未看到纖維的斷裂，受壓面纖維束和基體有稍許剝離現(xiàn)象，造成這種情況的原因是在施加載荷過程中，層間基體所受的剪切應(yīng)力先達(dá)到極值，當(dāng)層間的應(yīng)力大于纖維和樹脂黏著層強(qiáng)度的極值時(shí)，便會(huì)發(fā)生纖維與樹脂脫黏和層間剝離現(xiàn)象，即受拉面為拉伸破壞，主要體現(xiàn)在基體的開裂和纖維的斷裂；受壓面為剪切破壞，主要體現(xiàn)在纖維束和基體界面的分離和在剪切應(yīng)力下纖維的斷裂等等。

3 結(jié) 論

1)合理設(shè)計(jì)緯向T字型三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖、上機(jī)參數(shù)、上機(jī)圖設(shè)計(jì)和織造步驟等，在普通小樣織機(jī)上，成功試織了不同梁高的T字型三維整體機(jī)織物。通過VARTM成型工藝將3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織物預(yù)制件制備成復(fù)合材料。

2)測(cè)試了3種不同梁高的T字型三維整體機(jī)織復(fù)合材料，在加載速度為2 mm/min下的準(zhǔn)靜態(tài)彎曲性能，分析得到載荷-位移曲線、能量吸收曲線、材料破壞模式及機(jī)制。從實(shí)驗(yàn)所得的載荷-位移曲線和吸收能量-位移曲線關(guān)系圖來看，隨著位移的增加，梁越高的T型復(fù)合材料所能承受的載荷和吸收的能量也都越高，表現(xiàn)為梁高為12 mm的材料所能承載的載荷和吸收的能量最大，梁高為6 mm的材料次之，梁高為0的材料最小。從材料最終破壞形態(tài)來看，梁高為0的材料為平板狀，其破壞表現(xiàn)為典型的彎曲破壞模式，正面受壓縮破壞，背面受拉伸破壞；而梁高為6 mm和12 mm的材料則正面表現(xiàn)為壓縮破壞，背面為剪切破壞。其中基體開裂、纖維與樹脂脫黏和纖維斷裂等破壞是材料彎曲破壞時(shí)主要的吸收能量方式。

FZXB

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Design of T-shaped three-dimensional woven fabric and bending properties of composites

Lü Lihua, ZHANG Xuefei, YAN Shujuan, QIAN Yongfang, YE Fang, ZHAO Yuping

(DalianPolytechnicUniversity,Liaoning,Dalian116034,China)

For exploring the bending properties of T-shaped three-dimensional integrated woven composites with different beam depths, by reasonable design, three kinds of T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics with different high beam depths are woven from basalt fiber filaments on a common loom with low cost. The T-shaped three-dimensional integrated woven composites with different beam depths were produced by vacuum assisted resin transfer molding. Then, the composites were tested by an electronic universal testing machine, and the load-displacement curves and absorption energy-displacement curves were obtained. Results showed that the higher the beam depth, the greater the values of the load and absorbed energy on the composites. The T-shaped three-dimensional integrated woven fabrics with different high beam depths showed different bending failure patterns. The results indicated that the bending load, energy absorption and failure pattern of the T-shaped three-dimensional integrated woven composites were significantly affected by the beam depth.

three-dimensional woven structure; T-shaped composite; bending properties; basalt fiber filament; beam depth

10.13475/j.fzxb.20160101706

2016-01-12

2016-07-22

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201602051)

呂麗華(1978—)，女，副教授，博士。研究方向?yàn)槿S紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能。E-mail: lvlh@dlpu.edu.cn。

TS 101.2

A