縫合密度對預浸料復合材料的性能影響

王芳芳，周凱運，喬志煒，張方超

（1.南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012；2.航空工業濟南特種結構研究所，濟南 250023）

0 前言

復合材料由于比模量高、比強度高、材料性能可設計、制造工藝簡單、良好的熱穩定性、抗疲勞、抗腐蝕等性能，已經廣泛應用于航空航天技術、空間技術、汽車工業、化工、醫學、武器裝備技術、信息技術、民用建筑等領域［1，2］。在航空航天技術迅速發展的今天，傳統材料及結構已經不能滿足對力學性能、電性能、輕質、低燒蝕和高效隔熱等的需求，為此Z向連接的預制體成為一種既能滿足力學性能又能滿足功能要求的復合材料增強體，實現了結構功能一體化設計、制造與應用。

縫合工藝是指采用縫合線使疊加的多層織物或分離的數片織物連接成整體結構的一種復合材料用預制體制備技術［3］。縫合復合材料具有抗分層能力強，抗疲勞性能優異、構件的整體性能好等特性，縫合作為一項提高復合材料層間性能的工藝越來越受到世界各國的普遍重視。20世紀90年代末，波音公司的第三代編織機已經研制成功，其中大量采用縫合工藝，實現幾何尺寸更大、形狀更復雜的結構，如半翼展機翼盒段、機身曲面板、蒙皮和壓力擋板等［4］。張佐光等［5，6］提出了一種采用縫合工藝實現泡沫夾層結構、蜂窩結構的制備方法。B.巴赫［7］研發了一種采用縫合、針刺工藝提供一種纖維預浸料層加強的復合材料，該方法可以通過熱壓裝置處理制備具有針對性的加強構件。梁森等［8］提出了一種嵌入式共固化縫合阻尼薄膜復合材料及其制作工藝，實現結構功能一體結構設計。王振華［9］提供了一種能使梯度密度材料功能和性能呈現合理梯度變化，且能消除界面問題的梯度密度樹脂復合材料預制體的制備方法，該方法主要是先制備不同功能、性能的預浸料，然后梯度鋪層疊加縫合實現層間連接。

國內外對縫合工藝對材料性能影響開展了大量的研究工作，縫合結構及工藝參數、縫合原材料等是決定纖維增強復合材料性能、產品質量及生產成本的重要因素，其中縫合密度作為主要的縫合參數之一，亦是提高材料層間性能的關鍵因素之一。［10，11］縫合密度對材料性能的影響主要體現為：①縫合線引入的同時會引入預制體缺陷，導致纖維布層一定程度受損及纖維屈曲，降低材料面內性能；②引入的縫合線在厚度方向連續，改善材料抗層間剪切能力。［12］因此，應合理設計縫合密度，提高復合材料制件整體性能。但是目前大多數研究的基礎是采用干態纖維層逐層疊加、縫合、復合而制備成復合材料，而針對預浸料逐層疊加壓實、縫合、復合而制備成復合材料的研究鮮有報道，尚且未查到縫合參數對預浸料縫合復合材料性能影響的相關報道。

本文選用環氧樹脂制備石英纖維預浸料，將石英纖維預浸料逐層疊加壓實，采用縫合工藝研制了不同縫合密度的石英纖維預浸料縫合預制體，然后采用熱壓罐成型工藝制備了相應的復合材料，深入研究了縫合密度對預浸料縫合復合材料的力學性能的影響，探究較優的縫合密度，為高性能預浸料縫合復合材料的推廣應用提供設計依據和技術支撐，使得預浸料縫合預制體在航空航天發展上得到長足的應用，對我國的國防及民用復合材料技術具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 原材料

石英纖維布：厚度0.2mm的 2/2石英纖維斜紋布，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司；

石英纖維：B型，線密度為72 tex ，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司；

樹脂：耐高溫環氧樹脂，自制。

1.2 預浸料縫合預制體的制備

為了避免引入因素過多，本試驗采用0°/90°交替鋪層的方式進行預浸料石英纖維布層鋪放，并真空壓實。按照表1所示的主要縫合參數，通過縫合工藝對已鋪放好的預浸料進行縫合而得預浸料縫合預制體，見圖1所示。

圖1 不同縫合密度的預浸料縫合預制體

表1 預浸料縫合預制體的主要縫合參數

2 預浸料縫合復合材料成型與材料力學性能評價

采用熱壓罐成型方式對前述預浸料縫合預制體進行復合成型，制備形成預浸料縫合復合材料。預浸料縫合復合材料的拉伸、彎曲和層間剪切性能在Instron3365萬能試驗機上進行測試表征，其測試方法及標準見表2所示，每項性能測試取5個以上有效試樣計算平均值，測試過程的加載速率均為1 mm/min。

表2 性能測試方法及標準

3 結果與討論

3.1 面內性能分析

復合材料的面內性能主要是由面內連續長纖維和基體提供，測試不同縫合密度的預浸料縫合復合材料的面內性能，測試結果表3所示，縫合密度對預浸料縫合復合材料面內性能影響趨勢見圖2~圖3所示。

表3 面內性能測試結果

在室溫測試條件，對比未縫合與縫合密度為3 mm×3 mm預浸料復合材料的拉伸強度，縫合后預浸料縫合復合材料的拉伸強度降低約236.80 MPa，可見縫合線引入的同時會引入預制體缺陷，造成面內強度降低。由測試結果可知，縫合密度變化對預浸料縫合復合材料拉伸性能影響較大。

圖2~圖3分別為縫合密度對預浸料縫合復合材料面內拉伸、彎曲性能的影響趨勢圖。縫合線引入造成的纖維布層中纖維彎曲、斷裂損傷等影響，隨著縫合密度增大，預浸料縫合復合材料的拉伸、彎曲性能整體均呈現下降趨勢。相比未縫合，隨著縫合密度增大，室溫測試條件下拉伸強度降低幅度分別約41.7%、47.5%和42.4%，拉伸模量降低幅度分別為9.9%、8.1%和12.9%；在室溫和350 ℃測試環境下彎曲性能降低幅度均增大，且高溫降低的幅度較大，彎曲強度降低幅度依次分別為4.6%、12%、13.2%，彎曲模量降低幅度依次分別為16.6%、18.8%、32.2%，但彎曲性能降低幅度低于拉伸性能，這是彎曲破壞時面內連續纖維隨著基體開裂而被剪斷；縫合密度6 mm×6 mm的面內性能的離散值整體相對較低，縫合線的引入在一定程度上降低了復合材料性能的離散性。

圖2 縫合密度對預浸料縫合復合材料面內強度影響

圖3 縫合密度對預浸料縫合復合材料面內模量影響

3.2 層間剪切性能分析

縫合復合材料的層間剪切強度主要由縫合線引入的長纖維與平面連續長纖維相互作用來提供。在室溫和高溫環境下，測試不同縫合密度的預浸料縫合復合材料的層間剪切強度，測試結果見表4所示，其縫合密度對預浸料縫合復合材料層間剪切強度影響趨勢如圖4所示。對比未縫合和預浸料縫合復合材料的層間剪切強度，層間剪切強度有所提升，可見引入的縫合線在厚度方向連續，提高了材料抗層間剪切能力。

表4 層間剪切強度測試結果

圖4為縫合密度對預浸料縫合復合材料層間剪切性能的影響趨勢圖。隨著縫合密度增大，預浸料縫合復合材料的層間剪切強度呈現先增后略減的變化趨勢。縫合復合材料厚度方向引入的縫合線使層間剪切破壞機理發生改變，在原來的基體剪切破壞基礎上增加了縫合線的剪切和拉伸破壞，有利于提高層間強度，但縫合密度過小時，縫合對纖維的彎曲和損傷較大，針腳處的富樹脂區尺寸變大，更容易引發裂紋并造成應力集中，使層間剪切強度有所降低。常溫測試環境下，縫合密度6 mm×6 mm的層間剪切強度略低于未縫合，可能是由于取樣的差異導致，并不影響整體變化趨勢。

圖4 縫合密度對預浸料縫合復合材料層間剪切強度影響

相比常溫測試環境，隨著縫合密度增大，在高溫測試環境下，層間剪切強度的增加幅度較大，且增加幅度約26%~34%，這可能是在高溫環境下縫合線與耐高溫樹脂體界面性較好，提高了材料層間剪切的整體性能。

4 結論

通過對不同縫合密度的石英纖維預浸料縫合復合材料在室溫和350 ℃條件下測試其力學性能，并針對縫合密度對其力學性能影響的分析和討論，得到以下結論：

（1）預浸料縫合復合材料的面內拉伸、彎曲性能隨著縫合密度增加，呈現下降趨勢，且拉伸降低的幅度最大，而彎曲性能降低幅度較小，這是在彎曲承載過程中，隨著縫合密度增加一定程度，纖維布層間易因層間強度高而不易發生層間開裂破壞。

（2）層間剪切性能隨著縫合密度的增加，呈現先增后略減的變化趨勢，因而，縫合密度存在一個最佳值，可以充分發揮縫合線的剪切和拉伸承載作用，使得縫合對層間強度的增強效果最大化。

（3）相比室溫測試環境下，雖然高溫環境對預浸料縫合復合材料的彎曲性能影響不大，但是隨著縫合密度增加，預浸料縫合復合材料的層間剪切強度增加的幅度較大，說明預浸料縫合復合材料在高溫環境下工作層間性能有一定程度的改善。