不同結構厚截面三維機織碳纖維復合材料的彎曲性能對比

高 雄， 胡僑樂， 馬顏雪， 張 琦， 魏 毅， 邱夷平

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 3. 東華大學 民用航空復合材料協同創新中心， 上海 201620)

不同結構厚截面三維機織碳纖維復合材料的彎曲性能對比

高 雄1,2， 胡僑樂2， 馬顏雪1,2， 張 琦2， 魏 毅3， 邱夷平1,2

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 3. 東華大學 民用航空復合材料協同創新中心， 上海 201620)

為準確分析不同結構厚截面復合材料不同方向上的彎曲性能差異，通過設計織造三向正交、淺交直聯、淺交彎聯3種典型機織結構的厚截面碳纖維三維機織物，并采用真空輔助樹脂成型工藝制備了近似纖維體積含量的碳纖維復合材料板，對其進行了XYZ方向的彎曲實驗。結果表明：三向正交結構由于內部纖維束近似平直，碳纖維束自身性能得到最大利用，對應復合材料經向彎曲強度最好；淺交直聯結構復合材料的Z經和Z緯彎曲強度累加值最大，其厚度截面上的綜合彎曲性能最好，且其他各方向的彎曲強度較為均衡；淺交彎聯結構內部紗線交織摩擦損傷嚴重，且經紗屈曲程度最大，對應復合材料經緯向彎曲性能均為最差。

碳纖維； 三維機織復合材料； 彎曲性能； 厚截面； 角聯鎖結構； 三向正交結構

隨著航空航天業的迅速發展，三維紡織結構先進復合材料制備[1-3]及結構性能擬合設計[4-6]的相關文獻報道越來越多，但研究對象的截面厚度基本集中在10 mm以下。然而一些復合材料航空器的主承力結構需采用既能滿足結構設計和使用要求又能降低結構質量的厚截面復合材料[7]，厚截面復合材料結構性能研究顯得尤為重要。

近年來，已有學者對厚截面的三維機織復合材料結構性能進行研究，主要集中在拉伸壓縮性能[8-10]以及厚截面復合材料制備工藝[11-12]等方面，對彎曲性能，尤其是不同三維結構的彎曲性能對比分析較少。本文以三向正交、淺交直聯、淺交彎聯3種三維機織結構為例，通過設計并織造纖維體積含量相近，組織結構不同的厚截面碳纖維三維機織預制件，并采用真空輔助樹脂成型(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)工藝制備相應復合材料，測試XYZ方向的彎曲性能，對比分析不同結構、不同方向的彎曲強度特性以及失效模式，旨在豐富厚截面三維機織復合材料力學性能數據庫，為三維機織復合材料結構選取應用提供一定理論參考。

1 實驗設計

三維機織物是指紗線從一個平面到另一個平面在空間中相互交織或連接，從而形成的一個具有三維整體形態的穩定結構的織物，主要結構形式有角聯鎖和三向正交。由于經緯紗交織傾斜狀態以及經紗貫穿紗層數目的不同，可將常見角聯鎖結構分為淺交直聯、淺交彎聯(或C層正交、C層斜交)、深角聯等。圖1示出本文實驗采用的3種普遍應用的三維機織結構示意圖。

圖1 三維機織結構示意圖Fig.1 Diagram of 3-D woven structures. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c)Shallow-Bend-Joint structure

1.1實驗準備

選擇線密度為450 tex的T-800級12 K碳纖維束織造，3種機織結構預制件均在單劍桿織機上織造完成，織物的測試參數見表1，織物平均厚度為16 mm，厚度方向層數約為23。

表1 織物及其對應復合材料參數Tab.1 Parameters of fabrics and composites

在復合材料制備方面，從經濟以及時效性的角度來考慮，本文是在真空輔助成型的工藝基礎上，通過設計合適導流網的形狀尺寸以保證織物能被樹脂完全浸潤，并加設Dam條固定織物厚度以控制纖維體積含量，從而成功制備厚度相同、纖維體積含量近似的復合材料板。實驗所用樹脂用于中溫固化，單一組分的復配增韌環氧樹脂體系，具體性能參數及特性見表2。

表2 BAC-172樹脂性能參數Tab.2 Parameters of BAC-172 resin

注：①80 ℃水煮7 d；②常溫25～30 ℃灌注。

1.2測試方法

根據ASTM-D0790—2010《非增強和增強型塑料和電絕緣材料彎曲性能測試方法》進行測試。測試樣條跨度與厚度比為16∶1，即跨距L=16d(d為試樣厚度)；三點彎曲測試速度設定為1 mm/min；預加壓力為5～10 N；持續加載至試樣破壞或壓力值下降超過25%時停止加載，實驗結束。

由于復合后的三維機織試樣厚度大，需按照測試標準對試樣進行剖片處理，再切割樣條并測試。為確保試樣中至少存在1個組織循環單元，剖片厚度定為2 mm。經(緯)向測試樣條真實尺寸為：長度L0=50 mm，跨距L=32 mm，寬度b=10 mm，厚度h=2 mm；厚度方向(Z經/緯)測試樣條尺寸為：長度L0=50 mm，跨距L=32 mm，寬度b=15 mm，厚度h=2 mm。

1.3纖維體積含量的確定

纖維體積含量是復合材料力學性能的關鍵影響因素[13],因此，需要在控制纖維體積含量近似的條件下，才能對其力學性能進行較為準確的對比分析。由于復合材料板件厚度H與其對應纖維體積含量Vf之間存在如下關系[14]：

式中：M為預制件面密度，g/cm2；ρ為預制件纖維密度，1.81 g/cm3；H為預制件成型厚度，cm。

本文實驗采用厚度為15 mm的Dam條固定預制件兩側，控制預制件被真空壓縮的程度，以制備相同厚度的復合材料測試板，便于力學測試樣條尺寸的設計。經計算，三向正交、淺交直聯和淺交彎聯3種結構的復合材料纖維體積含量分別為44.9%，44.4%和46.7%，在實驗過程中認為已達到近似纖維體積含量。

2 測試結果分析

2.1應力與應變曲線分析

圖2 3種不同結構復合材料不同方向上的三點彎曲應力-應變曲線Fig.2 Three points stress-strain curves of different woven structures.(a) Warp direction; (b) Weft direction; (c) Z-warp direction; (d) Z-weft direction

根據1.2測試方法，對3種不同結構的復合材料進行了經向、緯向、Z經和Z緯4個不同方向的三點彎曲測試。每種結構每個方向測試5個樣條。圖2示出3種結構不同方向對應的彎曲應力與應變曲線。

結合圖2與測試過程分析可知，3種不同結構的機織復合材料彎曲加載變化近乎一致。在測試開始階段，樣條承受彎曲載荷作用而發生近似線性關系的彈性形變；隨著彎曲載荷的繼續增加，樣條承受應力達到最大值，此時樣條表面樹脂堆積擠壓成白色粉狀，壓頭對應位置出現裂痕，發出纖維脆斷聲，應力與應變曲線達到頂點，對應大小即為樣條彎曲強度；隨著樹脂的開裂及纖維的脆斷，彎曲應力與應變曲線呈階梯狀逐漸下降，尤其是角聯鎖結構；最后，隨著應力破環量的積累，樣條徹底失效。

上述失效模式與馮古雨等[5]提到的應力急劇下降略有不同，這與樹脂韌性以及織物內部結構的屈曲累積有一定關系。由于織物較厚，在織造以及樹脂灌注過程中會發生經緯紗線之間以及真空袋對織物不同程度的擠壓，從而導致織物以及對應復合材料內部紗線發生一定程度的屈曲。而這種屈曲在表層纖維發生脆斷后，直接影響彎曲夾具對樣條壓力的傳遞，因此發生不同程度的脆斷，在應力與變應曲線上表示為階梯狀下降。

2.2彎曲強度對比分析

圖4 復合材料截面分析(×5)Fig.4 Cross-section analysis of samples(×5). (a) 3-D Orthogonal structure in warp direction; (b) 3-D Orthogonal structure in weft direction; (c) Shallow-Straight-Joint structure in warp direction; (d) Shallow-straight-Joint structure in weft direction; (e) Shallow-Bend-Joint structure in warp direction; (f) Shallow-Bend-Joint structrure in weft direction

圖3示出復合材料彎曲性能測試結果。根據面內經緯向彎曲強度對比分析可知：三向正交結構由于經密遠大于緯密，經向纖維體積含量大于緯向，從而經向彎曲強度明顯高于緯向；對于淺交直聯結構而言，雖然經密是緯密的2.7倍左右，但是經紗存在一定屈曲和損傷，導致經向性能顯著下降，使其經緯向彎曲強度基本相近，并無太大差異(采用雙尾雙樣本異方差t檢驗，t=0.52，遠大于顯著水平0.05，即2個樣本總體均值無顯著差異)；在淺交彎聯中，經紗彎曲程度和摩擦損傷最為嚴重，導致其經向彎曲性能最差，甚至低于緯向彎曲性能。

圖3 不同三維機織結構的復合材料彎曲性能Fig.3 Bending properties of different 3-D woven composites.(a) Warp and weft direction; (b) Z-warp and Z-weft direction

對厚度截面上的彎曲強度進行對比分析可知：三向正交結構內部紗線近似直線分布，但是Z紗由于受到真空袋擠壓而發生傾斜，見圖3(a)，其厚度截面內的彎曲比經緯面內彎曲強度有所降低，但Z經和Z緯對比趨勢與面內經緯向保持一致，Z經彎曲強度依舊遠大于Z緯；而淺交直聯結構中，經紗的屈曲對厚度截面內Z經彎曲強度的影響比對面內經向彎曲強度的影響要小，Z經彎曲強度大于Z緯，甚至大于經向彎曲強度，這也表明材料在厚度截面上抵抗外來載荷破壞的能力比面內經緯向的抗破壞能力更強；淺交彎聯也屬于角聯鎖結構，Z經彎曲強度也比面內經向彎曲強度大，這一點與淺交直聯結構類似，厚度截面內的Z經Z緯的累積彎曲強度也比面內經緯向的大。

對比不同結構相同方向的性能可知：三向正交結構經向性能具有顯著的優勢，淺交直聯結構經向性能次之，淺交彎聯經向性能最差；而緯向性能則是淺交直聯結構最好；就整體結構性能而言,淺交直聯結構織物可織性最好，內部結構完整度最高，各方向上的彎曲性能最為均衡。

圖4示出3種不同機織結構試樣的橫截面照片。由圖可見，3種結構緯紗屈曲基本一致，但由于各自結構不同，織物內部經紗強度利用率不同。

1個組織循環內，三向正交結構中經紗近似水平排列，不與緯紗產生交織，從而使其經紗屈曲程度近似為0，經紗強度得到最大程度的利用；而淺交彎聯、淺交直聯由于各自橫跨緯紗數目不一樣，不同的經紗屈曲程度導致紗線強度出現不同程度的損耗，淺交彎聯結構的損耗尤為嚴重。同時，采用單劍桿織機織造，打緯過程中每插入1根緯紗即打緯1次，導致原本屬于同一垂直面上的緯紗或多或少地會產生一定程度上的遞進，使原本應在同一垂直面上的經紗發生傾斜，加大了紗線性能的耗損。

2.3斷面形態觀察

圖5～8示出3種不同結構復合材料在不同方向上的三點彎曲測試破壞失效樣條圖。樣條失效段部分都存在一定量的纖維斷裂抽拔，尤其經向和Z經方向上的彎曲測試失效樣條，存在大量的樹脂-纖維界面剝離；緯向和Z緯方向上的彎曲測試樣條失效段破壞明顯，材料直接被壓斷，有明顯的斷痕，這與呈伸直狀態分布的緯紗走向及較小的緯密(三向正交為2.0根/cm、淺交彎聯為3.3根/cm，淺交直聯為3.4根/cm)有直接的關系。這是由于緯密較小，樣條受到加載壓頭的壓力作用時，相鄰緯紗中間的樹脂塊集中受力，樣條直接被壓斷，少量的橫向緯紗纖維被直接壓斷，樣條呈明顯脆裂模式斷開。

圖5 三點彎曲性能經向測試樣條斷面圖Fig.5 Fracture section of warp-directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖6 三點彎曲性能緯向測試樣條斷面圖Fig.6 Fracture section of weft-directional test samples.(a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖7 三點彎曲性能Z經方向測試樣條斷面圖Fig.7 Fracture section of Z-warp directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

圖8 三點彎曲性能Z緯方向測試樣條斷面圖Fig.8 Fracture section of Z-weft directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

3 結 論

1)在經密相同，緯密、纖維體積含量近似一致的條件下，三向正交結構由于內部纖維束近似平直，碳纖束自身性能得到最大利用，對應復合材料經(Z經)向彎曲強度最好，但是其經(Z經)、緯(Z緯)向彎曲性能差異也最大。

2)同等條件下，淺交直聯結構復合材料的經緯向彎曲性能差異最小，而且彎曲強度明顯高于淺交彎聯結構。

3)角聯鎖結構由于經紗的屈曲使其經向性能產生一定程度的損耗，導致經緯密度相差近3倍的條件下，對應復合材料經緯彎曲強度差異得以縮小；但這種屈曲傾斜對經緯向所引起的損耗值大小仍需要進一步實驗驗證，從而為復合材料結構性能設計提供更為確切的參考。

FZXB

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Bendingpropertiescomparisonofthick-sectioncarbonfibercompositesbasedondifferentthree-dimensionalwovenstructures

GAO Xiong1,2, HU Qiaole2, MA Yanxue1,2, ZHANG Qi2, WEI Yi3, QIU Yiping1,2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CenterforCivilAviationComposites,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional (3-D) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion (VARI) technology. The bending properties in three directions ofXYZwere tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows: 3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength inZ-warp direction andZ-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.

carbon fiber; three-dimensional woven composite; bending performance; thick-section; angle-interlock; three-directional orthogonal structure

TB 332

：A

10.13475/j.fzxb.20161106006

2016-11-29

：2017-03-02

上海市浦江人才計劃(2015PJC0002)

高雄(1992—)，男，碩士生。主要研究方向為三維機織復合材料制備及結構性能表征。馬顏雪，通信作者，E-mail: yxma@dhu.edu.cn。