變角度牽引鋪縫復合材料開孔拉伸性能研究

梁群群，劉婷，呂凱明，王永利

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 前言

碳纖維復合材料在眾多輕量化材料中，具有比強度和比模量高、高強抗沖擊性、抗腐蝕性好等一系列優點，在航空航天、體育休閑和工業領域都有廣泛的應用[1-2]。由于檢查、拆裝、維護，需要在碳纖維復合材料結構件進行開孔處理，開孔打斷了碳纖維的連續性，將會導致孔周圍產生嚴重的應力集中，使其成為復合材料中最薄弱的區域[3-4]。常規織物制備出的復合材料纖維成直線狀態，無法避免開孔時纖維的斷裂，一種新穎的先進纖維鋪放技術——變角度牽引鋪縫的誕生(TFP，Tailored Fiber Placemen)，為解決該難題帶來了希望。

變角度牽引鋪縫可以根據材料主應力方向設計纖維軌跡并進行任意角度鋪放，對解決復合材料構件的應力集中有顯著的效果[5-7]。國內外對此技術進行了大量研究，并取得了一系列理論成果。如Crothers等人[8]以E玻璃纖維多軸向織物為母體材料，以E玻璃纖維絲束為補強材料，采用TFP技術制備了主應力補強片，對開孔復合材料層壓板進行了補強研究，取得了較好的補強效果。GUO等人[9]對比研究了直線纖維鋪層補強片和用變角度牽引鋪縫技術制得的環形補強片對剪切載荷下含孔C型梁的補強，結果表明，環形補強片效果要明顯優于直線纖維鋪層補強片。秦永利[10]研究表明，變角度牽引鋪縫補強片面外補強效果最佳，其最大拉伸載荷相對于未開孔補強層壓板和纖維布補強開孔層壓板分別提高103.9%和42.2%，達到未開孔層壓板的94.3%。以上研究結果顯示，采用TFP技術制備的補強材料對開孔件有更優的補強效果，但在TFP一體成型預制件復合材料開孔拉伸強度方面的研究卻鮮有報道[11-15]。

本文采用樹脂轉移模塑成形(RTM)工藝制備平紋機織物層壓板和TFP預制件層壓板，對比兩種層壓板的開孔拉伸強度。采用有限元軟件Abaqus實體建模，通過數值模擬分析和解釋兩種開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應變分布和破壞位置的變化。

1 實驗

1.1 樣品的制備

1.1.1 原材料

實驗采用江蘇恒神股份有限公司生產的HF10-3K碳纖維和TF1890環氧樹脂體系，TFP用縫合紗采用凱泰特種纖維科技有限公司生產的錦綸紗，基布采用中材科技股份有限公司生產的EW100A玻璃纖維布。HF10-3K碳纖維的主要性能參數見表1。

表1 HF10-3K碳纖維主要性能參數

1.1.2 TFP碳纖維預制件的制備

設備采用江蘇恒神股份有限公司的變角度牽引鋪縫設備，用錦綸紗將HF10-3K碳纖維縫合在玻璃纖維基布上，碳纖維的間距為1 mm，單層面密度為200 g/m2，預制件尺寸為350 mm×350 mm，鋪層層數為8層。TFP預制件由奇偶層間隔縫合而成(圖1)，其中奇數層的纖維鋪放軌跡如圖1(a)所示，纖維成0 °平行排列，偶數層纖維鋪放軌跡如圖1(b)所述，中心圓孔直徑為6 mm，纖維沿中心圓孔向外偏移。制備的TFF預制件圖片如圖2所示。

圖1 TFP預制件纖維軌跡

圖2 TFP預制件圖片

1.1.3 碳纖維平紋機織物的制備

設備采用德國進口的DORNIER劍桿織機，使用HF10-3K碳纖維作為經緯紗、織造面密度為200 g/m2的平紋機織物。平紋機織物如圖3所示。

圖3 平紋機織物

1.2 層壓板的制備

鋪縫完成的TFP碳纖維預制件去除玻璃纖維基布后放入模具左側，將平紋機織物按纖維方向裁剪成尺寸為350 mm×350 mm的試樣，將試樣鋪疊8層后放入模具右側。

用TFP碳纖維預制件和平紋機織物作為增強材料，TF1890環氧樹脂作為基體，采用RTM工藝進行復合材料成型。樹脂體系黏度<0.3 Pa·s，固化制度為90 ℃×2 h。

2 測試

2.1 開孔拉伸性能測試

將兩種織物的層壓板沿0 °纖維方向裁樣，采用AG-X plus 250kN型電子萬能材料試驗機，按照ASTM D5766-18標準分別測試兩種試樣的開孔拉伸強度，每組測試有效數據不少于5個，取平均值作為最終結果。測試完成后，觀察斷裂處的宏觀形貌。

2.2 數值模擬

為了精準地模擬以上實驗過程中兩種開孔層壓板承受拉伸載荷條件下的應力分布，分別選用T300級碳纖維平紋機織物和鋪縫預制件作為鋪層材料，其材料參數見表2和表3。開孔拉伸試驗樣條的，長度為250 mm，寬度為36 mm，厚度為1.6 mm，中間開φ6 mm的孔；單層厚度為0.2 mm，共計8層，從下到上依次為[0/90/0/90/0/90/0/90]，具體如圖4所示。

表2 T300級碳纖維平紋機織物材料參數

表3 T300級碳纖維鋪縫預制件材料參數

圖4 開孔拉伸試驗樣條結構示意圖

采用有限元軟件Abaqus實體建模，共計18 528個單位、22 194個節點，固定端約束施加載數值模型的左端，位移載荷施加在右端。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 開孔拉伸強度

圖6為兩種織物試驗件開孔拉伸強度測試結果。由圖6可以看出，TFP碳纖維預制件所有試樣的開孔拉伸強度值都高于平紋機織物，TFP層壓板試樣開孔拉伸強度均值為343 MPa，平紋機織物層壓板試樣開孔拉伸強度均值為304 MPa，TFP比平紋機織物高出12.8%。這主要是由于平紋機織物是由0 °/90 °方向纖維交織而成，開孔處的纖維都被切斷后不連續，而TFP碳纖維預制件偶數層的纖維軌跡按圍繞開孔圓形環向鋪放，對開孔周圍有環向加強。

圖6 開孔拉伸強度測試結果

圖7(a)為平紋機織物增強層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖。由圖7(a)可知，試樣的破壞發生在開孔直徑90 °位置處及試樣橫截面積最小處，且每層的斷裂處，幾乎呈同一位置，和90 °纖維方向一致，徑向纖維束的斷裂截面整齊幾乎成一個平面狀態。這就說明在開孔直徑處出現應力集中現象，最容易發生破壞。

圖7(b)為TFP碳纖維預制件增強層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖。由圖7(b)可知，試樣的破壞位置較復雜，并沒有對稱的發生在孔直徑處，而是發生在離開孔一定距離處，且破壞軌跡和偶數層纖維鋪放軌跡一致，每層的斷裂處的位置參差不齊，斷口截面不平齊，纖維拔出長度較長，分層現象也較明顯。這主要是因為TFP碳纖維預制件偶數層在孔周邊有環向纖維加強，緩解了開孔直徑處的應力集中現象。

圖7 增強層壓板開孔拉伸破壞宏觀圖

3.2 有限元分析

圖8是碳纖維平紋機織物的開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應變云圖。從圖8中可以看出，平紋機織物層壓板最大應變區域集中在孔直徑90 °位置處，最大應變為1 152 με，應變由孔邊向外逐漸減小。這說明該處存在嚴重的應力集中，當拉伸載荷到達一定值，在孔直徑90 °位置處會優先發生斷裂，然后向外延伸，最終樣條在開孔處對稱斷裂。平紋機織物應變云圖分析結果和實際樣條的破壞形貌基本一致。

圖8 平紋機織物應變云圖

圖9 TFP應變云圖

圖9是TFP碳纖維預制件的開孔層壓板在承受拉伸載荷條件下的應變云圖。從圖9中可以看出，TFP預制件層壓板最大應變區域出現在開孔直徑60 °左右位置，最大應變為428.5 με，比平紋機織物應變減少62.8%。這說明TFP預制件有效地緩解了開孔層壓板的應力集中，孔周邊的應力變化比較復雜，不同于平紋機織物向外逐漸減小，而是在上下離孔有一點距離的區域應變較小。當拉伸載荷到達一定值，在孔直徑60 °左右位置處會優先發生斷裂，然后向外彎曲延伸，最終樣條可能在孔的左邊或右邊斷裂，也可能在開孔處沿60 °直徑方向對稱斷裂。TFP應變云圖分析結果和實際樣條的破壞形貌較為一致。

4 結論

(1)TFP碳纖維預制件的復合材料開孔拉伸強度值為343 MPa，比碳纖維平紋機織物的復合材料開孔拉伸強度值304 MPa高出12.8%。

(2)碳纖維平紋機織物的復合材料開孔拉伸斷裂發生開孔直徑90 °位置處，徑向纖維束的斷裂截面整齊，幾乎呈一個平面狀態。TFP碳纖維預制件的復合材料開孔拉伸斷裂發生在孔邊，破壞軌跡和偶數層纖維鋪放軌跡一致，斷口截面不平齊，纖維拔出長度較長。

(3)兩種層壓板仿真模擬的應變云圖分析結果和實際樣條的破壞形貌較為一致；跟進模擬結果可知，TFP碳纖維預制件相對于碳纖維平紋機織物，孔邊的最大應變減小62.8%，有效地緩解了孔邊的應力集中。