形狀記憶四枚緞紋編織復合材料拉伸力學性能試驗研究

康雄建,房光強,張大旭,陳務軍,曹爭利,彭福軍

(1.上海交通大學 空間結(jié)構(gòu)研究中心,上海 200240; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

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形狀記憶四枚緞紋編織復合材料拉伸力學性能試驗研究

康雄建1,房光強2,張大旭1,陳務軍1,曹爭利2,彭福軍2

(1.上海交通大學 空間結(jié)構(gòu)研究中心,上海 200240; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

為研究形狀記憶四枚緞紋碳纖維編織復合材料的力學性能，對其進行了單軸拉伸強度試驗和低周循環(huán)拉伸試驗，得到了材料的拉斷強力、應力-應變曲線、彈性模量和滯回環(huán)面積及力學行為特征。針對具有波紋狀表面的編織材料，提出了用每根紗線能承受的拉斷強力表征材料強度。分析結(jié)果表明：編織密度4.5+4.0，5.5+5.0的兩種材料經(jīng)向紗線拉斷強力分別為412.3，403.1牛/根，穩(wěn)定彈性模量分別為43.9，31.6 GPa；緯向紗線拉斷強力分別為434.6，539.9牛/根，穩(wěn)定彈性模量分別為53.1，30.4 GPa；材料的拉伸強度、彈性模量與編織密度(即紗線束的卷曲度)有關(guān)，同時也與復合材料的成型工藝有關(guān)；試驗結(jié)果具有一定的離散性，對此類有大尺寸結(jié)構(gòu)單胞的編織復合材料，試件制作和試驗方法等需與傳統(tǒng)層合復合材料有所差異。研究對大尺寸結(jié)構(gòu)單胞編織復合材料的力學性能研究及航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)工程應用有一定的參考價值。

形狀記憶四枚緞紋編織復合材料； 拉伸強度； 拉伸模量； 單軸拉伸強度試驗； 低周循環(huán)試驗； 徑向紗線； 緯向紗線； 編織密度

0 引言

編織纖維增強形狀記憶材料是一種重要的智能材料，具有折疊大變形能力，在空間可展開天線、可展開鉸鏈、可展開桁架等領(lǐng)域有重要的實用價值和廣闊的應用前景[1-2]。形狀記憶聚合物可通過外界激勵作用產(chǎn)生顯著的可回復變形，具質(zhì)量輕、形變量大和重復形變量好等優(yōu)點，但其剛度、強度等力學性能不高[3]。為此，需采用纖維對其進行增強，以獲得纖維增強形狀記憶樹脂復合材料[4-7]。增強纖維通常包括鋪層纖維和編織物兩種方式。鋪層纖維采用預浸料鋪層實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)化特征，工藝簡單，但折疊收攏過程易導致纖維屈曲、彎折、分層，以及纖維與基體界面剝離等損傷和失效現(xiàn)象。編織纖維增強形狀記憶復合材料被認為具大彎形結(jié)構(gòu)特征，且有優(yōu)異的整體性、強度、韌性和高損傷容限。

按紗線重復編織形式單元的不同，可將編織復合材料分為平紋、2×2斜紋、四枚緞紋編織復合材料等[8]。文獻[9-10]用鑲嵌、卷曲和橋接三種模型研究二維編織復合材料；文獻[11-12]針對二維平紋織物結(jié)構(gòu)提出了一種褶皺模型，考慮了紗線波狀長度、粗度、橫截面形狀、經(jīng)緯方向上的連續(xù)性等參數(shù)對材料彈性性能的影響；文獻[13]基于單胞分析，提出了一種預測1×1編織復合材料面內(nèi)性能的分析方法，考慮了編織纖維束的間隙對材料彈性性能的影響；文獻[14]基于纖維束截面透鏡型的假設(shè)，建立了1×1編織復合材料的有限元模型，預測了結(jié)構(gòu)的剛度、強度及剪切性能，但該模型未考慮纖維束的擠壓；文獻[15]假設(shè)纖維束截面為透鏡型和扁平型，分別建立了二維2×2編織復合材料單胞有限元模型，討論了編織角、波紋率、材料特性和截面形狀等參數(shù)對彈性常數(shù)的影響；文獻[16]對二維三軸編織復合材料的力學性能進行了試驗研究；文獻[17]用電子顯微鏡觀察到了纖維束的橫截面幾何形狀和編織軌跡，并據(jù)此建立有限元單胞模型，與試驗結(jié)果對比表明：在低應力水平下，兩者能很好吻合。文獻[18-19]用共節(jié)點方法處理模型中纖維域與基體域的連接，實現(xiàn)了不同編織工藝參數(shù)下模型的快速建立，并分析了編織角、纖維體積含量和纖維束截面形狀對彈性常數(shù)的影響；文獻[20]建立了表征編織復合材料代表單元形態(tài)的數(shù)學模型，考慮了實際編織結(jié)構(gòu)中纖維束的屈曲；文獻[21]研究了編織復合材料成型工藝對結(jié)構(gòu)性能的影響。

綜述分析可知：國內(nèi)外對形狀記憶編織復合材料力學性能的研究，對編織增強體的研究一般基于對周期性單胞的分析表征整個結(jié)構(gòu)的力學性能，研究方向主要集中在細觀結(jié)構(gòu)層面，研究對象主要為平紋編織復合材料和2×2斜紋編織復合材料。對增強體為緞紋等具更大單胞結(jié)構(gòu)尺寸的形狀記憶編織復合材料的研究鮮有報道，且較詳細的試驗研究也較少。在新型精密智能空間展開結(jié)構(gòu)機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，編織形狀記憶復合材料被用于新一代空間可展開鉸鏈、固面天線、桁架等，其相關(guān)制備技術(shù)與基礎(chǔ)理論成為當前重要研究內(nèi)容。本文針對形狀記憶四枚緞紋碳纖維編織復合材料進行了單軸拉伸試驗，得到了有效剛度和強度的表征方式，并討論了成型工藝、材料不均勻性等對具有大尺寸單胞結(jié)構(gòu)的形狀記憶編織復合材料力學性能的影響。

1 四枚緞紋碳纖維編織復合材料結(jié)構(gòu)特點

四枚緞紋織物結(jié)構(gòu)的經(jīng)、緯紗線束按三上一下的交疊形式進行編織，如圖1所示。與平紋、斜紋等織物結(jié)構(gòu)相比，其單胞結(jié)構(gòu)尺寸更大，同時由于四枚緞紋織物的經(jīng)、緯紗線束的交疊次數(shù)更少，具更小的卷曲度，能更好地發(fā)揮紗線的性能。本文研究了兩種編織密度的四枚緞紋碳纖維編織復合材料，見表1。其中：碳纖維為T800-12K；基體為形狀記憶樹脂，纖維和樹脂的體積分數(shù)分別為45%，55%。

圖1 不同纖維編織結(jié)構(gòu)Fig.1 Various weave structure

表1 織物結(jié)構(gòu)紗線束

1.1 成型工藝

本文的研究對象采用真空輔助RTM成型工藝，將樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料，同時從閉合模具的出口處抽真空。碳纖維紗線束在編織機上按三上一下的交疊形式編織。編織過程中，經(jīng)向紗線被拉緊，緯向紗線依次穿過經(jīng)向紗線，經(jīng)向紗線束因受到張拉而有較好的直線度。然后將編織好的碳纖維布從編織機轉(zhuǎn)移到模具中，將預熱的形狀記憶樹脂注入模具，同時從模具的出口處抽真空。

1.2 非均勻性

緞紋織物編織是基于平紋、斜紋等，編織工藝技術(shù)成熟度略低，易導致織物結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非均勻性。緞紋單胞線束交叉點間距較大、線束間約束弱而活動性大，緞紋織物成型性較平紋差，且緞紋單胞具有非對稱的重復結(jié)構(gòu)特征，在樹脂注入模具的過程中，由于樹脂具有一定的黏性，會一定程度地帶動經(jīng)、緯向紗線束跟隨樹脂流動。這是一個復雜、隨機的過程，最終導致了織物結(jié)構(gòu)的非均勻性。

1.3 卷曲

二維編織復合材料在成型過程中，經(jīng)、緯向紗線束相互交疊和擠壓，由于編織紗線束張力作用，纖維束的走向不再是直線型，而是一種類似于拱橋形，且呈周期性變化，如圖2所示。

圖2 不同編織密度下經(jīng)、緯紗線走向Fig.2 Cross-section track of warp and weft

2 單軸拉伸強度試驗

按ASTM D3039標準進行單軸拉伸試驗。采用UTM4503型試驗機，變形由試驗機夾具兩端頭位移表征，拉伸速度2 mm/min，預拉力5 N。

2.1 試件

試件寬30 mm，兩端50 mm的部分粘貼鋁片，為試件的夾持區(qū)域，中間80 mm為有效測試區(qū)域，如圖3所示。試件制作應挑選編織纖維規(guī)整平直區(qū)域裁切，裁切過程中，應盡量保證試件寬度方向上包含整數(shù)個單胞結(jié)構(gòu)，試件邊緣盡可能平整無缺口。試件在強度試驗前先進行低周循環(huán)試驗。

圖3 試件尺寸Fig.3 Specimen dimension

針對兩種不同的編織密度，制作經(jīng)、緯向試件各4個。

2.2 單軸拉伸試驗結(jié)果與分析

編織復合材料的表面為波紋狀，測量試件的橫截面積的波動性較大，故分別用每根紗線能承受的拉斷強力和單位寬度的拉斷強力表征材料的強度。強度試驗后，分別統(tǒng)計每個試件受拉方向的紗線根數(shù)，所得每組的4個試件的平均值見表2。

表2 試件紗線束根數(shù)

由表2可知：試件的紗線根數(shù)具有一定的波動性，這是因為編織結(jié)構(gòu)具非均勻性。同時，編織密度2的緯向試件包含的紗線束多于經(jīng)向試件的紗線束，這與廠家提供的編織密度不符。本文提出用每根紗線能承受的拉斷強力表征材料的強度，可避免經(jīng)、緯紗線密度與實際不符對試驗的影響。考慮此類有大尺度單胞結(jié)構(gòu)的緞紋材料的生產(chǎn)處于起步階段，生產(chǎn)工藝和相關(guān)技術(shù)借鑒于平紋織物等因素，該現(xiàn)象的出現(xiàn)也是可能的。兩種編織密度典型的力-位移曲線如圖4所示。兩種編織密度的紗線拉斷強力和單位寬度的拉斷強力分別見表3、4。

圖4 兩種編織密度典型的力-位移曲線Fig.4 Classic force displacement curves of tested specimen

表3 兩種編織密度紗線拉斷強力

表4 兩種編織密度單位寬度的拉斷強力

由表3可知：編織材料的經(jīng)向紗線拉斷強力均低于緯向紗線，在編織過程中，經(jīng)向紗線在張力的作用下張緊，緯向紗線依次交疊穿越經(jīng)向紗線，由于紗線間的摩擦，導致經(jīng)向紗線受損較緯向紗線嚴重，會使紗線拉斷強力降低。編織密度2的緯向紗線的拉斷強力明顯高于其經(jīng)向，除經(jīng)向紗線受損更嚴重外，由表2可知：編織密度2的經(jīng)向?qū)嶋H紗線密度低于緯向，故緯向紗線的卷曲度小于經(jīng)向紗線，能更好地發(fā)揮紗線的性能。綜合表3、4：隨著紗線束密度增加，其拉斷強力會降低，但復合材料單位寬度的拉斷強力仍會增加。

3 低周單軸循環(huán)拉伸力學性能

與單軸拉伸強度試驗相同，采用UTM4503型試驗機加載。緞紋編織結(jié)構(gòu)的應變場具非均勻性，本文主要關(guān)注宏觀力學性能，故選用標距50 mm的引伸儀采集應變。

3.1 試驗方案

按復合材料抗拉強力的40%作為單軸循環(huán)拉伸試驗的應力上限，應力下限選擇試驗機力值15 N，試驗循環(huán)加載6次，加載速度2 mm/min，試驗預拉力5 N，循環(huán)加載流程如圖5所示，試件的基本尺寸及試件數(shù)同前。在循環(huán)試驗中，試件的應力水平不高，拉伸模量仍采用傳統(tǒng)的表征方式，即應力為力與橫截面積的比值。用游標卡尺隨機測量試件不同位置的寬度和厚度4次，并取平均值得出其橫截面積。

圖5 低周循環(huán)加載程序Fig.5 Loading program of cyclic test

3.2 試驗結(jié)果及分析

兩種編織密度經(jīng)、緯向典型的低周循環(huán)應力-應變曲線如圖6所示。由圖6可知：初次加載彈性模量與后續(xù)加載彈性模量不同，初次加載應力-應變曲線具明顯的非線性，后續(xù)加載應力-應變曲線基本呈線性；滯回環(huán)面積隨加載次數(shù)增加而減小。

3.2.1 彈性模量

初次加載彈性模量與后續(xù)加載彈性模量不同，因此對材料的彈性模量進行兩步分析[22]。

a)初次加載彈性模量Ef

初次加載應力-應變曲線表現(xiàn)出顯著的非線性特性，用下述方法確定材料的彈性模量：先分段，由圖6可知，編織密度1的初次加載應力-應變大致分為兩個階段，兩個階段間有明顯的拐點，拐點大致出現(xiàn)在應力100 MPa處，在兩個階段內(nèi)，應力-應變曲線近似為線性關(guān)系，用直線分別擬合，用

(1)

計算初次加載彈性模量均值。編織密度2的初次加載應力-應變曲線的非線性現(xiàn)象更明顯，根據(jù)應力加載的幅值，將初次應力-應變曲線分為4段，每段的應力差間隔約35 MPa，每段內(nèi)用直線擬合，用計算初次加載彈性模量均值。

(2)

表5 編織密度1初次加載彈性模量

表6 編織密度2初次加載彈性模量

圖6 兩種編織密度典型單軸循環(huán)應力-應變曲線Fig.6 Classic stress-strain curves of cycling test of specimen

b)后續(xù)加載彈性模量Es

由圖6可知：兩種編織密度的后續(xù)加載應力-應變曲線基本呈線性，用直線擬合各后續(xù)加載上升段，所得每個試件不同周期的彈性模量如圖7所示。

由圖7可知：初次加載平均彈性模量均低于后續(xù)加載彈性模量，這主要是因為在初始加載階段，纖維和基體共同承受荷載，同時纖維束由于在編織過程中處于彎曲狀態(tài)，會影響其力學性能。隨著加載次數(shù)的增加，材料彈性模量趨于穩(wěn)定。為便于工程應用，采用以下方法確定近似的Es。定義增加率

(3)

若以R小于5%視為穩(wěn)定可接受范圍，各組試件均在加載5次后穩(wěn)定。第5次的R的平均值為3.7%，表明材料在循環(huán)加載5次后可認為近似穩(wěn)定，近似穩(wěn)定值見表7。由表7可知：編織密度2的經(jīng)、緯向彈性模量均小于編織密度1，這主要是因為編織密度2紗線束的卷曲較編織密度1更嚴重，試件在承受荷載的過程中，纖維紗線束有一個受力繃直的過程，導致未能更好地發(fā)揮其力學性能。

3.2.2 滯回環(huán)面積

滯回環(huán)面積是在一次加載和卸載中應力應變圍成的面積，用于衡量材料的耗能等。材料的滯回環(huán)面積計算以分段應力-應變曲線為基礎(chǔ)，計算曲線圍成的面積。經(jīng)、緯向試件在不同周期的平均滯回環(huán)面積如圖9所示。由圖9可知：編織密度1、2的經(jīng)、緯向試件的滯回環(huán)面積均隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，循環(huán)5次后，滯回環(huán)面積逐漸穩(wěn)定，表明低周循環(huán)試驗有其必要性。

圖8 R的平均值Fig.8 Average value of R

4 結(jié)束語

本文對形狀記憶四枚緞紋編織復合材料進行了單軸拉伸和低周循環(huán)試驗，獲得了以下結(jié)果：紗線束強力隨紗線束密度增加而略降低，復合材料強度隨紗線束密度增加而提高，紗線束強力值和紗線束密度可有效表征編織復合材料拉伸強度特征；形狀記憶聚合物與四枚緞紋織物復合后，其拉伸應力應變呈現(xiàn)一定的非線性特征，且通過低周循環(huán)試驗揭示其黏塑性特性，編織復合材料拉伸彈性模量隨紗線束密度增加而降低。本文研究結(jié)果對編織物設(shè)計(織物類型、織物幾何參數(shù)、經(jīng)密、緯密)及復合制備工藝的改進有一定的參考意義。形狀記憶緞紋織物復合材料復雜的微結(jié)構(gòu)，經(jīng)、緯紗線束在編織過程中由于上下交疊而產(chǎn)生的卷曲，導致其力學行為復雜，以及工藝的不穩(wěn)定性，其力學行為難以準確預測。后續(xù)將開展更深入的材料設(shè)計、制備工藝，以及更全面的試驗和理論研究，包括彎曲和剪切試驗以及考慮織物微結(jié)構(gòu)的多尺度理論研究，揭示紗線卷曲和摩擦及樹脂界面等對編織物復合材料宏觀力學行為的作用機理與規(guī)律。

圖7 不同循環(huán)周期下的彈性模量Fig.7 Loading elastic modulus evolving with number of cycles

表7 第6次循環(huán)的近似穩(wěn)定值

圖9 不同循環(huán)次數(shù)滯回環(huán)面積Fig.9 Hysteresis loop areas evolving with number of cycles

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Experimental Study of Tensile Mechanical Properties of 4-Harness Satin Weave Reinforced Shape Memory Polymer Composites

KANG Xiong-jian1, FANG Guang-qiang2, ZHANG Da-xu1, CHEN Wu-jun1, CAO Zheng-li2, PENG Fu-jun2

(1. Space Structures Research Center, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China)

In order to study the tensile mechanical properties of 4-harness satin (4-HS) reinforced shape memory polymer composites (SMPCs), the uniaxial tensile strength test and cycle tensile test were performed. The tensile strength, stress-strain curves, elastic modulus and hysteresis loop area were calculated and the mechanical behaviors were evaluated thoroughly. In case of the woven composite with undulate surface, the ultimate force of yarn was proposed to be used for characterizing the tensile strength of the woven composite. The analysis results showed that tensile strength of warp yarn of 4.5+4.0 and 5.5+5.0 woven composite were 412.3 and 403.1 N/yarn respectively, and elastic modulus were 43.9 and 31.6 GPa respectively; tensile strength of weft yarn of the two woven composites were 434.6 and 539.9 N/yarn respectively, and elastic modulus were 53.1 and 30.4 GPa respectively. The tensile strength and elastic modulus were dependent much on the yarn count, which was the number of yarn in unit width reflecting the yarn crimp, and they were dependent on the composite forming procedures. Because of the large size unit cell, the results of the test are rather diverse to some extent. The specimen and testing method of the them are different from the traditional laminate composites. The presented work is valuable to the mechanical properties of the woven composite with large size unit cell as well as the application of aerospace structure and mechanism.

4-harness satin weave reinforced shape memory polymer composite; Tensile strength; Tensile modulus; Uniaxial tensile test; Cycle tensile test; Warp yarn; Weft yarn; Yarn count

1006-1630(2016)05-0063-08

2016-07-06；

2016-08-07

國家自然科學基金資助(11172180)；航天先進技術(shù)聯(lián)合研究中心技術(shù)創(chuàng)新項目(USCAST2015-24)

康雄建(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為空間可展結(jié)構(gòu)。

TB332

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.010