體育器械用復合材料的力學性能研究

李建萍 ，蘇占國

( 1 蘭州理工大學，甘肅蘭州730050；2 延安大學，陜西延安716000 )

三維機織復合材料由于具有可設計性強、柔韌性好和變形能力強等特性而被廣泛應用于體育器械、航空航天等領域［1］。然而，在實際應用過程中，三維機織復合材料還存在成品具有非均勻性以及各向異性等問題，斷裂件的失效分析案例中還可見源區存在裂紋或者空隙等缺陷存在［2-3］。通常情況下影響三維機織復合材料力學性能的影響主要包括板厚和拉伸方向，以及自身各向異性等［4-5］，在此基礎上，為了系統研究體育器械用三維機織復合材料的力學性能，從單軸拉伸、板厚和拉伸方向等角度考察了其對三維機織復合材料力學性能的影響，以期為高綜合性能的體育器械用三維機織復合材料的開發與應用提供必要參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料包括東麗12K-T700SC 型纖維（徑向纖維和緯向纖維）、3K-T300SC 型纖維（Z 向纖維）、TDE-86 型環氧樹脂。采用層間互鎖型進行三維機織復合材料的制備，復合板厚度5mm、徑向纖維束和緯向纖維束分別為8 層和9 層，相鄰層的緯向纖維采用Z 向纖維素纏繞連接的方式進行，三維機織復合材料的結構示意圖如圖1 所示；體育器械用三維機織復合材料組分材料的物性指標見表1。

表1 體育器械用三維機織復合材料組分材料的物性指標[6-8]Table 1 Physical properties of component material in 3D woven composite for sports equipment

圖1 體育器械用三維機織復合材料的示意圖（a）整體結構（b）纖維方向（c）正視圖Fig.1 Schematic diagram of 3D woven composite materials for sports equipment

體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸性能測試根據GB/T 33613-2017《三維編織及其樹脂基復合材料的拉伸性能試驗方法》和GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》［9］，在Zwick/Roell 100KN 型萬能拉伸試驗機上進行；根據ASTMD3518-2001《聚合物基復合材料的拉伸試驗 在±45°層壓板面內剪切響應的測試方法》，在Zwick/Roell 050KN 型萬能拉伸試驗機上進行沿±45°纖維方向拉伸實驗。三維機織復合材料的拉伸試件示意圖如圖2 所示，加載速率為0.5mm/min。采用華為P30 型手機對拉伸斷裂后的試樣進行宏觀形貌拍攝。

圖2 體育器械用三維機織復合材料的拉伸試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile test piece of 3D woven composite for sports equipment

2 結果及討論

2.1 單軸拉伸

圖3 為體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸應力-應變曲線，拉伸試件尺寸為250mm×20mm×5mm。可見，3 根平行試樣的應力- 應變曲線基本相同，試件在達到最大載荷時都發生了脆性斷裂。在較低的載荷下（＜150MPa），三維機織復合材料單軸拉伸試件的表面未出現明顯損傷，而當外加載荷到達270MPa 時則在試件表面上出現了少量脫落，繼續增加載荷至極限載荷時，拉伸試件表面剝離現象愈發顯著。

圖3 體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸應力-應變曲線Fig. 3 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表2 為體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸性能測試結果。對比分析可知，3 根平行試樣的彈性模量、拉伸強度和失效應變差異性較小，彈性模量平均值為52.81GPa、拉伸強度平均值為900.88MPa、失效應變平均值為1.71%。可見，三維機織復合材料的單軸拉伸性能測試具有較高的可靠性。

表2 體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸性能測試結果Table 2 Test results of uniaxial tensile properties of 3D woven composites for sports equipment

2.2 尺寸效應對單軸拉伸的影響

進一步考察了單軸拉伸試件寬度對單軸拉伸性能的影響，圖4 為體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸應力- 應變曲線。對比分析可知，試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時的應力- 應變曲線差異性較小。表3 中同時列出了不同寬度三維機織復合材料的單軸拉伸試驗結果。可見，試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時的彈性模量分別為54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸強度分別為911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效應變分別為1.70%、1.70%和1.71%。

圖4 體育器械用三維機織復合材料的單軸拉伸應力-應變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表3 不同寬度三維機織復合材料的單軸拉伸試驗結果Table 3 Uniaxial tensile test results of 3D woven composites with different width

2.3 ±45°方向拉伸

圖5 為體育器械用三維機織復合材料±45°方向拉伸的剪切應力- 剪切應變曲線，圖中實線和虛線分別表示應變片（SG）和三維DIC 技術獲得的應力-應變曲線。對比分析可知，SG 和DIC 技術對應的應力-應變曲線都實現了較好地吻合，在應變范圍6% 內，兩種技術得到的應力- 應變曲線基本吻合，沿±45°方向拉伸的剪切應力- 剪切應變曲線可以獲得較好穩定的力學性能測試結果［10-11］。

圖5 體育器械用三維機織復合材料±45°方向拉伸的剪切應力-剪切應變曲線Fig. 5 Shear stress-strain curve of 3D woven composites for sports equipment in ± 45°direction

表4 為體育器械用三維機織復合材料±45°方向拉伸的力學性能測試結果。可見，5 組試樣的剪切模量和極限剪切強度差異性較小，剪切模量平均值為5.395GPa、極限剪切強度為75.587MPa。

表4 ±45°方向拉伸的力學性能測試結果Table 4 Test results of mechanical properties in the direction of ± 45°

圖6 為體育器械用三維機織復合材料±45°方向拉伸的宏觀破壞形貌圖。對比分析可知，5 組試樣的宏觀破壞形貌都表現為沿纖維束方向斷裂的特征，斷裂角基本都在60°附近，側面形貌中可見三維機織復合材料嚴重分層的現象。

圖6 體育器械用三維機織復合材料±45°方向拉伸的破壞形貌Fig. 6 Failure morphology of 3D woven composites for sports equipment under ± 45 ° tension

3 結論

（1）三維機織復合材料的單軸拉伸試驗結果表明，3 根平行試樣的彈性模量、拉伸強度和失效應變差異性較小，彈性模量平均值為52.8GPa、拉伸強度平均值為900.9MPa、失效應變平均值為1.71%。3 根平行試樣的單軸拉伸失效模型基本相同，都表現為纖維束斷裂、基體開裂和纖維間開裂的特征。

（2）試件寬度為15mm、17.5mm 和20mm 時的彈性模量分別為54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸強度分別為911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效應變分別為1.70%、1.70%和1.71%。

（3）沿±45°方向拉伸的剪切應力- 剪切應變曲線可以獲得較好穩定的力學性能測試結果；5 組試樣的剪切模量和極限剪切強度差異性較小，剪切模量平均值為5.4GPa、極限剪切強度為75.6MPa。5 組試樣的宏觀破壞形貌都表現為沿纖維束方向斷裂的特征，斷裂角基本都在60°附近，側面形貌中可見三維機織復合材料嚴重分層的現象。