含變異結構的三維機織復合材料的軸向拉伸性能

劉俊嶺， 孫 穎， 陳 利

(1. 天津工業大學 先進紡織復合材料天津市和教育部共建重點實驗室， 天津 300387；2. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387)

三維機織復合材料具有抗沖擊損傷、分層、裂紋擴展可設計性強等優點，在航空航天等領域得到廣泛應用[1-2]。對于異型復合材料結構件，通過改變織造工藝過程，可直接制備各種凈尺寸預制件，復合成型后無需二次加工，保證結構的整體性與力學性能的穩定性。采用三維機織技術制備近凈尺寸異型預制件時，通常使用加、減紗工藝調整紗線數量(線密度)和排列規則等工藝參數[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，根據實際構件截面變化規律，選擇1種或多種方法相結合。

在使用加、減紗方法制備變截面預制件時，會引入一定程度的局部結構變異，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改變纖維束運動軌跡，但會使減紗過渡區域紗線傾斜角減小和表面花節變長[6]。逐單元減紗后，相鄰紗線依次平移填充，截面均勻變化，減紗區紗線編織角變大，花節變長，若干循環后恢復至減紗前狀態[3,6]。整組加紗[7]、減紗后移紗合并[8]保證了加(減)紗區交織紋路，但造成了經紗一定程度的偏移。焦亞男等[6]分析了逐點減紗(減紗數量、截面分布不同)、減線密度對三維編織變截面復合材料拉伸性能影響發現，截面的減紗數量控制在紗線總數10.0%以下時，能保證復合材料有足夠的強度和剛度，若截面尺寸變化較快，應使減紗點分散分布，沿編織方向減紗點間距應大于纖維臨界長度。劉兆麟等[3]對比了減紗變截面、切削變截面和等截面三維編織復合材料彎曲性能發現，影響彎曲強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、加紗三維機織結構變截面單胞壓縮載荷下的損傷演化發現，基體損傷沿著緯紗方向擴展，經、緯紗初始損傷發生在交織點處，逐漸向內部擴展，在加紗單胞中偏移經紗局部區域出現拉伸應變。也有文獻[8]報道采用減紗后移紗合并的方法制備了變截面試樣，表征了經紗細觀結構變化，減紗區域無貫穿性孔洞，拉伸強度、縱向應變分別減少9.0%、8.0%。

單獨采用加紗或者減紗方法引入變異結構制備變截面試樣，試驗中試樣斷裂部位大都出現在加紗或減紗所在的較小截面處[3,6,8]。試樣的截面變化會引起試樣橫截面較小處產生應力集中，對試驗結果產生影響。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)相結合的方法，制備了4種帶有變異結構的等截面復合材料試樣，分別為層層正交角聯鎖、襯經層層正交角聯鎖、層層斜交角聯鎖、襯經層層斜交角聯鎖結構，采用圖像觀測和拓撲分析相結合表征了材料細觀結構的變化，對比分析了結構變異對復合材料拉伸性能的影響及其拉伸破壞模式的異同。

1 試驗部分

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種結構三維機織織物，4種未引入加減紗試樣的基本結構參數如表1所示。加、減紗設計遵循以下原則[4,9]：1)加紗或減紗后織造的連續性；2)加、減紗“點”盡可能均勻分布；3)同一位置不重復加紗或減紗。規定：X為織造方向(經紗方向)，Y為緯紗方向，Z為厚度方向。經紗在YOZ面分布如圖1所示。加、減紗區域位于試樣L/2(L為試樣長度)處，減去第 8列、加上第16列經紗，間隔1緯，減去第9列、加上第17列經紗。試樣橫向總經紗列數不變，引入變異結構的同時保證了試樣截面尺寸不變。

表1 試樣結構參數Tab.1 Structure parameters of samples

預制件在天津工業大學復合材料所完成織造，后續采用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)固化成型，基體選用TDE 86#型環氧樹脂體系[10](天津晶東化學復合材料有限公司)。

1.2 細觀結構分析

加紗可以認為是反向的減紗，反之亦然，加、減紗點均勻分布，所以4種結構試樣的截面尺寸不變、結構平衡。織造至試樣L/2時，進行加、減紗操作，即移除被減紗線和引入被加紗線，同時涉及紗線平移填充。紗線結構在加、減紗截面處發生變異，形成特殊的加、減紗結構，其他部位紗線結構不發生改變。圖2示出預制件表面形貌及結構示意圖。試樣編號中“J”表示對本文制備的4種試樣進行加、減紗處理。可以看出，預制體表面除加、減紗處外，

圖1 經紗排列Fig.1 Arrangements of warp yarns

未見其他形式紗線斷頭和通透性孔洞。加、減紗前后，紗線形成規則均勻的交織紋路，加、減紗“點”附近的紗線交織規律發生改變。對于A4、A4T試樣，1個單包含有運動規律相反的2列經紗，在加上第 16列、減去第8列經紗時，出現2對相鄰經紗運動規律相同，間隔1緯后，加上第17列、減去第9列經紗，紗線交織紋路恢復正常。A4P、A4PT試樣由A4、A4T分別引入襯經紗形成，1個單胞由間隔分布的 2列襯經紗和運動規律相反的2列經紗組成，為保證試樣加(第16、17列)、減(第8、9列)紗“點”位置和大小相同，A4P、A4PT加入和減去的經紗數量不是1個完整循環，出現2對相鄰經紗運動規律相同。

注：試樣編號中J表示“加、減紗”。圖2 預制件表面形貌及結構示意圖Fig.2 Surface morphology and structure of performs

一般情況下，經、緯紗在XOY面投影夾角為90°，而在進行加、減紗操作時，8～16列之間的經紗會向減紗“點”處平移，導致經、緯紗投影不垂直，但隨著織造的繼續，經紗偏移角逐漸趨于0°。表2示出編織后試樣的經紗偏移角。可知，加、減紗經紗偏移角接近，間接證明結構設計合理。因為經紗向減紗“點”平移，減紗“點”左側和加紗“點”右側經紗不移動，所以減紗“點”右側偏移角大于左側、加紗點左側偏移角大于右側。

表2 經紗偏移角Tab.2 Offset angle of warp

在實際織造過程中為提高效率，經紗只平移 1次，發生在第1次加、減紗過程中，第2次只相應加、減紗，不再平移經紗，所以第1次加、減紗后經紗偏移角大于第2次。A4T-J、A4PT-J中引入了襯緯紗，經紗浮長線長度大于A4-J、A4P-J經紗浮長線，較長的浮長線減弱了經紗偏移作用，造成A4-J、A4P-J經紗偏移角普遍偏大。

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

1.3 軸向拉伸測試

根據GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，在AG-250KNE型材料實驗機(日本島津公司)上完成拉伸實驗，十字頭速率為 2.0 mm/min，聯合ARAMIS 5 M型數字圖像相關系統(DIC，德國GOM 3D Ltd.)[11]獲得試樣拉伸過程中的全場應變信息，采集頻率為1 Hz。為使DIC能夠有效記錄實驗過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系統聯合拉伸實驗Fig.3 DIC combination of tensile test device

2 結果與討論

8種試樣拉伸測試結果如表3所示，其對應的應力應變曲線如圖4所示。圖5示出8種試樣在應變約為1.0%、2.0%和斷裂前的應變分布云圖。

表3 8種試樣拉伸測試結果Tab.3 Tensile test results of 8 specimens

由表3可知，未加、減紗試樣模量計算對應應變范圍為0.05%～0.25%，纖維體積含量[12]為(54±3)%。4種試樣拉伸強度由大到小順序為A4PT > A4T > A4P > A4，拉伸模量由大到小順序為A4T > A4PT > A4P > A4。A4T、A4P和A4PT在A4基礎上分別加入襯緯紗、襯經紗、襯經和襯緯紗，交織規律不變； A4T中經紗屈曲[13]減小；A4P中經紗屈曲不變，且1/2經紗被伸直的襯經紗替換；A4PT經紗不僅屈曲減小，而且 1/2 經紗被伸直的襯經紗替換。加、減紗的試樣擁有相同規律，引入的加、減紗“點”并沒有影響4種試樣試驗結果規律。引入加、減紗后，經向紗線(包括經紗和襯經紗)變異比例為16.0%，A4-J、A4T-J、A4P-J和A4PT-J拉伸強度保留率分別為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種結構試樣都具有較高的強度和模量保留率，分別大于93.0%和88.0%，說明采用的加、減紗方案具有通用性，在實現凈尺寸織造的基礎上，能較大程度的保證結構的完整性和減少力學性能損失。

由圖4可以看出，加載初期8種試樣表現為線性行為，斷裂失效前又呈現為非線性。除A4和A4-J外，其他6種試樣應力-應變曲線接近線性，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)在拉伸過程中的應力-應變變化規律基本一致，加、減紗的引入一定程度上沒有破壞結構的完整性。除A4和A4-J外的其他6種試樣的斷裂伸長率在2.5%左右，A4和A4-J斷裂伸長率在3.0%左右，且呈現雙線性或偽塑性行為。在外加載荷作用下屈曲的經紗趨于伸直，將應變傳遞給周圍的基體，相較于另外6種試樣，A4和A4-J經紗屈曲較多，軟化響應[14]現象較明顯。

由圖5可以看出，縱向應變云圖局部上呈現周期性，整體上呈現均勻性[10,15]，且應變云圖分布受紗線交織模式影響較大[13-14]，局部高應變區發生在交織點附近，呈“點狀”均勻分布，交織點處經紗方向發生改變。隨著外加載荷的增加，經紗趨向伸直，伴隨著基體的開裂，“點狀”高應變區沿緯紗方向串聯成“波浪線”。引入加、減紗的試樣其高應變集中在加、減紗“點”處，同時存在低應變區域與之對應，經向紗線(包括經紗、襯經紗)局部不連續，附近存在富樹脂區。拉伸實驗過程中不連續經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向紗線的形變導致高應變區，依賴于應變傳遞的富樹脂區形成了低應變區。

8種試樣斷裂形貌如圖6所示。可知，試樣邊緣經向紗線(包括經紗、襯經紗)脫粘開裂，可能是基體與經向紗線之間泊松比失調導致[16]。A4、A4T、A4-J 和A4T-J無襯經紗存在，斷口較為平齊。經紗在交織點處發生斷裂，襯經紗呈現斷裂/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，加或減紗處經向紗線(包括經紗、襯經紗)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 論

1) 采用正向加紗和反向減紗(或正向減紗和反向加紗)相結合，制備了等截面試樣，合理地把變異結構引入4種角聯鎖織物，同時避免了試樣截面變化對試驗結果的影響。

2) 從拉伸實驗數據分析可知，引入加、減紗試樣的經向紗線變異比例為16.0%，相較于未加減紗試樣，其拉伸強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程中的應力-應變規律、斷裂失效模式基本一致。