非周期性三維五向編織復合材料拉伸失效機理

于 頌 劉曉東 錢 坤 張典堂

（江南大學紡織服裝學院，生態紡織教育部重點實驗室，無錫 214122）

文 摘 以三維五向結構為研究對象，設計減紗工藝形成非周期性特征，進而制備碳纖維/環氧樹脂三維五向編織非周期性結構復合材料。采用萬能試驗機與高速攝像機相結合的測試方式，獲取非周期性結構拉伸力學行為及試驗過程；在此基礎上，通過高分辨率Micro-CT 及SEM 對非周期性結構試樣破壞形貌進行觀測，研究漸進損傷演化及最終失效機理，并與周期性結構的結果進行對比。研究表明：非周期性三維編織復合材料拉伸強度比相同結構參數周期性材料的測試值低16.84%，損傷源于減紗處，形成了應力集中，最終破壞模式以纖維束抽拔斷裂為主。該研究結果可為異型編織復合材料結構設計及強度分析提供依據。

0 引言

三維編織復合材料是綜合現代復合材料和編織技術發展的新型先進結構復合材料。近年來，以三維整體異型預制件為增強骨架的編織復合材料作為主承力和功能構件被廣泛應用于航天航空、交通運輸等領域，其結構設計及力學分析是當前學者研究的熱點問題［1-3］。

非周期性結構是三維異型編織復合材料的重要共性特征。與周期性三維編織結構不同［圖1（a）］，異型編織需要依據構件截面形狀而調整局部結構的單元尺寸［圖1（b）］或數量［圖1（c）］。形成的編織結構具有獨特的纖維分布和孔隙結構特征，這就給力學性能和損傷演化分析帶來了極大的困難。

過去的數十年里，學者在三維編織周期性結構復合材料拉伸、壓縮、彎曲［4-6］、振動、疲勞和沖擊等方面開展了大量的工作，總結了開孔、邊界條件、編織角、纖維體積分數、編織工藝、溫度等因素［7-10］對編織復合材料性能的影響規律，討論了編織復合材料在不同載荷及測試條件下的失效機制，并形成了廣泛認可的共性結論。而有關三維編織非周期性結構復合材料的研究仍處于探索階段。傅景韞等人［11-12］發現減紗對預制件細觀結構的影響主要體現在減紗處，其余部分結構仍然可以通過單胞周期性循環來表示。何紅闖等人［13］通過計算機編寫程序生成了預制體的空間可視化模型。焦亞男等人［14］發現編織過程減紗會使復合材料的強度降低，而減紗段的空缺區域大小則對復合材料的力學性能影響較大，減紗時每個截面的減紗數量應控制在總纖維束數量的10%以下。劉兆麟等［15-16］通過試驗驗證了不同的減紗方式對編織復合材料的彎曲性能的影響，且減紗復合材料的彎曲破壞過程可以分為初始損傷、損傷擴展和嚴重損傷三個階段。可見，三維編織非周期結構復合材料的結構設計和力學行為研究遠滯后于應用，迫切需要建立其結構分析方法和損傷失效判據，以提升三維異型編織復合材料的結構效率及可靠性。

圖1 非周期結構的形成方法Fig.1 The formation of non-periodic structure

本文以三維五向結構為研究對象，設計減紗工藝形成非周期性特征，進而制備碳纖維/環氧樹脂三維五向編織非周期性結構復合材料。通過開展拉伸試驗，研究三維編織非周期性結構復合材料的力學行為，并與周期性結構復合材料進行對比；在此基礎上，結合高速攝影測試手段及不同尺度形貌觀測，分析拉伸載荷下損傷形貌，探討失效機理，以期對三維異型編織復合材料提供理論設計依據。

1 實驗

1.1 結構設計

預制體設計：纖維選用密度為1.78 g/cm3的T700-12K 碳纖維，設計減紗工藝制成非周期性結構的三維五向編織預制體，減紗時要遵循兩條原則：（1）確保減紗后有連續的可編織性；（2）預制件的結構變化盡量均勻。設計減紗點排列時，要保證減紗點均勻分布在減紗截面內，互不緊鄰［17］。采用整列減紗方式，每個減紗位置減掉攜紗器列數為2 列，可保證編織工序的正常進行。攜紗器移除后，相鄰的攜紗器平移補充，從而制成具有原生缺陷的非周期性預制體。由四步法編織原理，減紗示意圖以及部分纖維束平面走勢見圖2。表1為預制體的工藝參數，其中非周期性結構試樣起始寬度為300 mm，最終寬度為276 mm。制備好的預制體如圖3所示，在減紗處纖維束運動軌跡發生變化，使表面出現明顯的花節尺寸增大情況，使得周圍花節結構也產生纖維束缺失、不對稱等現象，體現出明顯的非周期性。

圖2 非周期性結構纖維束平面路徑圖Fig.2 Planar path of non-periodic fiber bundles

表1 預制體設計工藝Tab.1 Design processes of performs

圖3 三維五向編織非周期預制體表面Fig.3 Surface of non-periodic three-dimensional and fivedirectional braided perform

1.2 試樣制備

樹脂：鳳凰牌熱固性E-51 環氧樹脂，固化劑為聚醚胺，樹脂與固化劑的質量配比為3∶1。

復合工藝：選用RTM 工藝制備非周期性編織復合材料，模具尺寸為300 mm×300 mm×2 mm，由于預制體外觀近似梯形，所以面積空缺部分利用相應形狀的硬橡膠填充以防止復合過程中預制體被樹脂沖散變形。固化工藝：烘箱溫度70 ℃，保溫3 h。

1.3 拉伸測試

為了研究非周期性編織復合材料在拉伸載荷下的漸進損傷行為，按照GB/T 1447—2005，將試驗板材切割成如圖4所示。

圖4 試樣尺寸Fig.4 Sample size

切割時保證每一個試樣中包含完整單胞，避免邊界效應對試驗結果的影響。選用Instrong3385-H萬能試驗機進行拉伸試驗，并配以Photon focus HR941NC 高速攝像機拍攝試樣破壞過程，實時觀測纖維斷裂等失效現象，拉伸速率為2 mm/min。

為方便表述，將周期性結構簡稱為p 型或ptype，非周期性結構簡稱為n 型或n-type。每種結構試樣重復試驗5次。

1.4 微觀形貌分析

通過高分辨率Micro-CT 掃描可以獲得復合材料高的清晰度、對比度和缺陷尺寸測量精度，從而有助于對損傷情況的評判［18］。試驗設備是由德國diondo生產的Micro-CT 系統，掃描參數為電壓90 kV，電流120μA，像素大小20μm。通過對破壞后的試樣進行Micro-CT 掃描，檢測內部纖維束損傷情況。再對完全破壞后的試樣進行SEM 觀測，可在微觀尺度上分析試驗件的纖維擠出、樹脂破壞等情況。

2 結果與討論

2.1 拉伸破壞過程分析

表2列出了兩種結構試樣的拉伸性能數據。圖5為兩種應力-應變曲線及對應結構試樣破壞過程照片。

表2 兩種結構拉伸性能測試數據Tab.2 Tensile test data of two structures

圖5 兩種結構試樣應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of two types of structures

結合圖5和表2，兩種曲線接近于線性，且模量相差并不大。然而，相比于周期性結構，非周期性結構復合材料的拉伸強度降低了16.84%。p 型和n 型的平均拉伸強度分別為1020.91 MPa 和848.95 MPa，可見非周期性結構的引入會形成應力集中使材料的拉伸強度降低。如圖5（a）所示，對于p 型試樣，整個加載過程中應力分布較均勻，在應力即將到達最大值時，曲線出現拐點，此時試樣開始形成裂紋，隨后裂紋優先在編織方向擴展，直至完全破壞。其破壞過程先是內部樹脂產生損傷，然后纖維束趨于伸直而在受載方向上產生變形，樹脂完全斷裂時，纖維束從試樣中抽拔出來，并出現部分纖維斷裂，試樣完全失效，這與文獻［19-20］中所描述的斷裂機理相同。與p 型試樣不同，n 型試樣隨著加載的進行，在加載前期曲線上就出現了拐點，說明此時形成了應力集中，可觀察到減紗處的纖維束出現明顯滑移變形，表面花節長度變大，且伴有微小脆性聲音，說明內部樹脂發生開裂，直到減紗處表面產生裂紋，快速向試樣邊緣擴展，發生強烈聲響，試樣完全破壞。說明n型試樣拉伸受力時從減紗處開始發生結構破壞，隨著加載進行，纖維束變形程度增大，然而當試樣失效時試樣斷口很整齊，形成的破壞區域也較小，也未發現纖維束斷裂情況。

圖6為兩種結構試樣斷裂形貌，可看出p 型試樣表面樹脂開裂嚴重，最終破壞形式主要為纖維束之間的抽拔破壞，以及少量的纖維束斷裂破壞；n 型試樣在減紗處發生斷裂，纖維束抽拔程度和拉伸斷裂情況明顯降低。以上結果表明，非周期性結構的引入會影響材料的損傷起始和過程，但是最終的破壞形式仍然以纖維束拉伸抽拔破壞為主。

圖6 兩種結構試樣斷裂形貌Fig.6 Fracture morphology of two structural specimens

2.2 內部損傷特征分析

圖7（a）和（b）為兩種試樣的整體損傷掃描情況，紅色代表受損區域，顏色越深損傷程度越大，由圖可發現兩種試樣的損傷分布有明顯不同［21］。p 型試樣的斷口周圍損傷程度分布較均勻，并且有明顯纖維束斷裂和截面劈裂情況，受損嚴重區域的破壞模式為纖維斷裂和樹脂開裂；n型試樣中的損傷分布在編織方向上呈內凹型分布，即減紗處出現完全損傷，但是損傷并未沿著編織方向進行擴散，幾乎所有損傷分布在試樣的左右邊緣。由截面切片掃描圖7（c）和（d）可發現，兩種試樣內部損傷情況完全不同，p型試樣在斷口處表面及內部均發生破壞，而n型試樣內部只有減紗處纖維束出現了部分單絲滑移，即減紗處的破壞為預制體結構的原生結構缺陷以及樹脂開裂破壞，真正受損嚴重區域只有試樣邊緣位置。

為了進一步探索兩種結構試樣受損區域中纖維束破壞情況，將CT 掃描的結果進行圖像堆棧導出，切片圖像間隔20μm，每個截面方向導出約1 200 張切片圖像，提取出沿編織方向試樣內部纖維束損傷情況如圖8所示。由圖看出，p 型試樣破壞后內部樹脂開裂程度較大，纖維束排列不規律，花節形態破壞嚴重，纖維束主要損傷形式為斷裂和截面劈裂破壞。n型試樣破壞后內部纖維束排列仍然完整，纖維束損傷形式主要為部分單絲擠出，并未發生截面劈裂。在完全受損的試樣邊緣位置，n型中的纖維束損傷程度明顯低于p型。

圖7 兩種試樣CT掃描后的損傷分布圖Fig.7 Damage distribution of two samples after CT scanning

以上結果表明，三維五向編織復合材料經減紗工藝形成非周期性結構時，材料拉伸破壞后內部花節結構幾乎不變，各個花節之間排列仍然有序，編織紗和軸紗仍然呈緊密交織狀。纖維束損傷程度大幅度降低，內部只發生樹脂開裂和部分單絲微小滑移。受損嚴重的是減紗處左右兩側未形成減紗區域的纖維束。

圖8 試樣破壞后CT掃描內部纖維束的損傷情況Fig.8 Damage condition of CT scanning internal fiber bundle

2.3 碳纖維單絲以及樹脂破壞程度分析

由圖9可發現：p 型試樣中單絲擠出數量較多，碳纖維斷裂數量較多；n型試樣中單絲斷裂的情況很少，即纖維束內部損傷情況較輕；n 型樹脂損傷程度明顯低于p型。

以上結果表明，三維五向編織復合材料具有非周期性特性時，經拉伸破壞后，其單絲和樹脂損傷程度都會變輕，單絲滑移程度也變低，并且每根單絲之間不會出現樹脂完全剝離的情況。

圖9 兩種試樣斷口處纖維掃描電子顯微鏡照片Fig.9 SEM photograph at fracture sites of two samples

3 結論

（1）三維五向編織復合材料經減紗工藝后具有非周期性，其拉伸強度比周期性三維五向編織復合材料降低了16.84%，但是彈性模量并未發生改變。

（2）非周期性三維五向編織復合材料結構破壞起始于減紗處，加載初期就在此處形成應力集中，載荷較低時就出現纖維束滑移的情況，材料最終破壞模式以樹脂開裂和纖維束抽拔為主，伴隨少量纖維斷裂。

（3）非周期性三維五向編織復合材料斷裂后斷口處花節排列仍然規整緊密，損傷區域與周期性材料受損區域完全不同，其主要受損區域存在于減紗位置左右兩邊的纖維束，減紗處只發生樹脂開裂和纖維束內部單絲微小滑移。