第16卷
1999年第4期
10月复合材料学报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICA V ol.16No.4Octo ber 1999收修改稿、初稿日期:1998-09-25,1998-08-25
三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究
宝君杜
严勇摘要讨论了三维四向编织碳/环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过实验得到了弹性
常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律,并分析讨论了编织参数对该类
材料破坏模式的影响作用。
关键词编织复合材料,力学性能,实验研究
中图分类号T B332
复合材料力学性能的实验研究在复合材料的开发与应用中发挥着重要作用。尤其是在材料设计研究中,实验研究对于评价加工工艺及原材料性能对复合材料性能的影响具有十分重要的意义。迄今已有许多种实验方法,其中有些方法比较简单,已经制定了标准;然而,有些实验方法涉及复合材料固有的复杂性,尚不够成熟,有待进一步进行研究。三维编织复合材料是近几年开发研制的新型复合材料,在航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景。其性能表征及测试方法都未形成成熟的标准,需要进一步进行研究探讨。
A .
B .Macander 等人[1]于1986进行了一组实验,结果表明,三维编织物能大幅度地提高
复合材料强度和刚度。Fukuta [2]对Carbon/epo xy 三维三向、三维四向及层合板材料冲击后的
压缩强度进行了比较研究。比较发现,三维编织复合材料的冲击压缩强度较层合材料高,说明
其具有优秀的强度保持性。L .W .Gause 等[3]通过实验证实良好的抗损坏性是复合材料三维编
织结构所具有的突出特点。F .K .Ko [4~5]用玻纤/环氧和碳纤/PEEK 完成了类似实验。佐藤等[6]对火箭喷管用石墨材料、二维C /C 复合材料、三维C /C 复合材料的热冲击强度及其断裂韧性进行了实验研究。实验结果发现,二维C/C 复合材料由于纤维强化面内和层合方向存在各向异性,导致层间剥离破坏。而三维C/C 复合材料的热冲击破坏韧性是AT J 石墨的19倍以上,显示出其具有非常卓越的抗热冲击性能。孙慧玉等[7]对编织复合材料的力学性能也进行了实验研究。
为了探讨三维四向编织复合材料力学性能与编织参数间的关系及编织复合材料力学性能的实验研究方法,以碳/环氧三维四向编织复合材料为对象进行了拉伸及压缩实验,得到了有关实验数据,并对实验结果进行了分析讨论。
1实验原理及方法
利用岛津DSS-10T 材料试验机对试件进行加载,采用汉中中原电测仪器厂BA120-5AA-C15%应变计,通过KYOW A-DPM 613A 型动态应变仪测量其变形。
(南京鑫鼎纤维材料有限公司,210044
试件材料为三维四向碳/环氧编织复合材料,由天津纺织工学院复合材料研究所研制。基体材料为T DE -85#环氧树脂,增强纤维为T 300碳纤维,纤维束规格为12K ,采用树脂传递模塑(RT M 工艺制成。
拉伸试件采用板状形式,其尺寸如图1所示。用铝片对板状试件的两端进行加强,为消除偏心拉伸给实验结果带来的影响,在试件的正反面分别粘贴纵向工作应变片R 1、R 2及横向工作应变片R ′1、R ′2,在补偿块上粘贴纵向补偿片R 3、R 4及横向补偿片R ′3、R ′
4。纵向应变利用由纵向工作应变片R 1、R 2及纵向补偿片R 3、R 4所组成的全桥线路进行测量;类似地,横向应变利用
横向工作应变片及横向补偿片进行测量。图1拉伸试件
Fig .1Tensile specim en 图2压缩试件Fig .2 C om pres sion specimen
图3压缩试件表面云纹干涉图
Fig.3Th e interface diagram of compress ive specimen
压缩试件尺寸如图2所示。为消除偏心拉伸
给实验结果带来的影响,在试件的正反面分别粘
贴纵向工作应变片R 1、R 2及横向工作应变片R ′1、
R ′
2。在补偿片上,粘贴纵向补偿片R 3、R 4及横向补
偿片R ′3、R ′4,测量方法与拉伸实验相同。
图3为编织复合材料试件在纵向压缩时其侧
表面的云纹干涉图。由图可见,在压缩试件与试验
机横梁相接触的局部区域存在不均匀应变区,除
此以外从整体上看,试件的宏观变形是均匀的。2实验结果的分析与讨论
2.1材料弹性常数杨氏弹性模量随编织角变化的实验结果如图
4所示。图中E L 为纵向杨氏弹性模量,即沿编织方向的杨氏弹性模量。E T 为横向杨氏弹性模量,即垂直于编织方向的杨氏弹性模量。其中“▲”为通过拉伸实验测得的纵向杨氏弹性模量的实验点,“●”为通过压缩实验所测得的纵向杨氏弹性模量实验点。从实验结果可见,由拉伸实验与压缩实验所测杨氏弹性模量均分布在一个带型区域内,随编织角(编织纤维束与编织方向的夹角的增加纵向杨氏弹性模量递减。尽管实验点分散较大,但本文的实验结果与庞宝君[8]采用有限元法和等效夹杂法所进行的理论预报曲线具有相同的变化趋势。实验点的分散可能137第4期庞宝君,等:三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究
与编织复合材料试样材质本身的分散、试件的装卡对中、测量的误差等因素有关。横向杨氏弹性模量是通过压缩实验得到的,
实验点与两种理论预报结果吻合均较好。
图4杨氏弹性模量
Fig.4Youn g s m od ulus 图5横向应变系数随编织角的变化Fig.5Tr ans vers e strain r atio
图5为不同编织角的横向应变系数实验结果。图中 x z 实验点较为分散,但采用有限元法与等效夹杂法预报的理论曲线[8]也有显著的差异,从实验点的分布趋势来看,实验点介于两种理论预报曲线中间。相对地说, zy 实验点分散度较小,且两种理论对 z y 的预报结果也比较一致, zy 实验点与两种理论预报曲线均比较吻合。图6单轴拉伸应力-应变全曲线
Fig.6T he uniaxial stress -s train curve 图7等效弹性模量随应变的变化Fig.7 Variation of effective elas tic m od ulus s s train
2.2应力-应变曲线
图6为编织角 =48.84°的三维四向碳/环氧编织复合材料拉伸卸载循环应力-应变曲线,即应力-应变全曲线。应力-应变全曲线的包络线,可以作为拉伸应力-应变曲线。曲线近乎双线性,而且,非弹性范围比弹性范围宽,呈现出较好的延性。由应力-应变全曲线可见,随变形量的增加,卸载后再加载的模量逐渐减小。其卸载后再加载的等效弹性模量随拉伸应变的变化如图138复合材料学报第16卷
7所示。最初,其等效弹性模量为常数,当达到初始破坏应变时开始减小,然后随变形量的增加而递减,当变形达到极限应变时试件断裂。图7表明了复合材料内部损伤从发生、发展直至损伤积累到一定程度试件破坏的损伤演化过程。
四向编织复合材料轴向拉伸极限断裂应变是其应力应变关系的重要参数,其数值应与编织角、基体及增强纤维的极限断裂应变有关。拉伸极限断裂应变随编织角变化的实验结果如图8所示。由图可见,在限于所进行实验的编织角范围
( =20°~50°内,拉伸极限应变随编织角的增加而递增。图中曲线为对实验点进行拟合而得到的,其表达式为:
u =(1-tg 2 f +tg 2
m 其中, u 及 f 分别为三维四向编织复合材料及增强纤维沿轴向方向的拉伸极限断裂应变。 m 为基体材料的拉伸极限断裂应变。
图9为初始破坏应力及极限断裂应力随编织角的变化规律实验结果。图中虚线为对初始破坏应力实验点进行拟合得到的曲线,实线为对极限断裂应力实验点进行拟合而得到的,近乎于直线。类似地,在限于所进行实验的编织角范围内极限断裂应力随编织角的增加而线性递减。极限断裂应力与初始破坏应力的差值与极限断裂应力的比值反映了材料非线性范围的大小。由图9可见,在编织角 =20°~50°范围内,随编织角的减小其非线性范围逐渐减小,其编
织复合材料的破坏由延性破坏趋向于脆性破坏。
图8拉伸极限应变随编织角的变化
Fig.8Th e ultimate tens ile s tr ain 图9初始破坏应力及断裂应力Fig.9S tres s of impending failu re an d s tres s of fractu re
2.3材料破坏模式分析
图10为拉伸破坏及断口照片。由断口照片可见,从基体中拔出的纤维束保持圆柱状。图11为拉伸实验过程中试件表面云纹干涉图照片。从宏观上来看,试件表面云纹基本上与试件轴线垂直,并比较均匀。因此,试件表面可以看作是一个宏观均匀的应变场。然而,沿轴线方向明亮条纹的分界线都在表面编织花节的分界线上,而编织花节分界线处是基体材料,可见在纤维束之间的基体存在较大的变形。由此可见,在细观上编织复合材料内部的变形场是非均匀的。
139第4期庞宝君,等:三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究
图10拉伸破坏及断口
Fig.10Failure and fractography of the ten sile ob lique
intersection
图11拉伸试件表面云纹干涉图
Fig.11T he interfere diagram of tens ile s pecimen 图12横向压缩剪切型破坏Fig.12S hear-failure und er lateral compress ion 图12为横向压缩剪切型破坏的照片(编织角 =21.98°。由照片可见,破坏后的断口与压缩方向大约成45°方向,类
似于铸铁压缩的破坏断口。图13为横向压缩塑性型破坏的照片(编织角 =48.84°。压缩后的试件呈腰鼓状,类似于低碳钢压缩屈服破坏。从以上两照片的对比中可以发现,不同编织角的四向编织复合材料在横向压缩作用下,具有不同的破坏型式。随编织角的增大其破坏形式将由编织角 =21.98°的“脆性”破坏过渡到编织角 =48.84°的“塑性”
破坏。
图13横向压缩塑性破坏
Fig.13Yield-failur e under lateral com pres sion 图14纵向压缩松散破坏Fig.14Relax ing-failure under axial comp res sion
图14为编织角 =21.98°的纵向压缩松散型破坏照片。当纵向压力达到一定数值时,基体材料丧失约束纤维束的能力,试件突然发生松散型破坏。140复合
材料学报第16卷
第4期庞宝君, 等: 三维四向编织碳/ 环氧复合材料实验研究 141 3结论与讨论本文中探讨了编织复合材料力学性能研究的实验方法, 通过实验得到了关于三维四向碳/ 环氧编织复合材料力学性能的有关实验结果: ( 1 得到了三维四
向碳/ 环氧编织复合材料的纵向弹性模量、横向弹性模量、横向应变系数随编织
角的变化规律; ( 2 得到并分析了循环加载卸载的应力应变曲线的变化规律; ( 3 得到了一些反映材料强度及非线性行为的材料力学性能指标随编织角的变化规律; ( 4 分析讨论了编织角对材料破坏模式的影响作用。参考文献 1M acander A B, Crane R M , et al. Fabricat ion and mechanical propert ies of m ult i-dimensionall y( X-D braided compos it e materials . In : Wh it ney J M , ed. Compos it e M at erial s: T es t ing and D es ign ( 7t h Con f. . S TP 893, A S T M , 1986. 422～ 443 2 Fu kut a K . T hr ee- imens ional braided composi te mat erial. J of the J ap an S oci ety f or Comp osit es M ater ials, 1995, 21 d ( 2 : 51～60 3G aus e L W, A lper J. M ech anical ch aract erization of magnaw eave braided compos it es . Paper Present ed at t he
M ech anics of Compos ites, R eview . A ir Force M at erials Laborat or y , 1983 4
Fran k K o , Har tm an D . Impact beh avior of 2D and 3D glass/ epoxy composit es. S AM PE , 1986 ( Jul y / A ugust : 26～29 5Frank K o, Ch ou H , Y ing E. Damage t olerance of 3D braid ed comm ingled carb on/ peek compos ites. In: Proceedings of t he
A dvanced C om posit es Con ference, 1986 6S at o S, K urumada A , et al . E valu at ions of t her mal shock res ist ance and t he fr actu re t oughness of graphit e for rocket nozzl e t hroat . Journal of t he Japan S oci ety f or A er osp ace. 1984, 32( 11 : 49～58 7孙慧玉, 吴长春. 纺织结构复合材料力学性能的实验研究. 实验力学, 1997, 12( 3 : 335～341 8庞宝君. 三维多向编织复合材料性能预报与优化设计研究: [ 博士学位论文] . 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 1997 EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THREE DIMENSIONAL FOUR -DIRECTIONAL BRAIDED CARBON/ EPOXY COMPOSITES Pang Baojun Du Shanyi Han Jiecai He Xiaodong Yan Yong ( Inst it ut e of Compos it e M at erials, Har bin In st it ut e of T ech nology, Harb in, 150001 Abstract T he ex periment al m et hod o n t he m echanical propert ies of fo ur direct ional braided carbon/ epo xy com posites is discussed. T he corresponding elast ic const ant s and param eters depend on braided angles and nonlinear behavior of mat er ials. Finally, t he ef fect o f braided paramet ers o n t he f ailur e mode of m at erials is
analyzed and discussed . Key words braided co mpo sit es, mechanical pr opert ies, ex periment al inv est ig atio n
研究复合材料三维编织预成型件/间层的剪切变形先进纺织复合材料的教育部重点实验室，复合材料研究所，天津工业大学，天津300387，中华人民国 纺织和制衣部门，生物与农业工程系，美国加州大学戴维斯分校 【摘要】这项研究提出了具有不同的面料密度的三维角联锁预成型件的面剪切和层间剪切行为。对三维织物预成型件进行画框剪切试验，分析了剪切应力与剪切角度的非线性曲线和变形机理。设计了一个新的测试方法来确定的层间剪切性能表征。经过层间剪切试验后的样本，通过调查拉出的纱线和中间结构发现变形和破坏机制。结果表明织物密度对三维联锁预成型件面剪切和层间剪切性能有重要的影响，并且织物密度的增加，剪切行为减小。织物密度越低，可变形性越好。层间剪切破坏模式是从织物上引出的粘结剂纱线。希望该研究可以为建立理论模型提供试验基础。 1.引言 连续纤维增强复合树脂基材料引起了很多重视，这都是由于它们所具有的优势，例如高性能，加工周期短，维修和焊接的可能性[1–4]。虽然层压复合材料具有优异的面力学性能，但是层间复合材料的应用围因厚度受到限制，这是由于差的层间性质。三维纺织结构复合材料具有厚度优势，好的破坏误差和有利的影响，抗疲劳优点[5–9]。 作为三维纺织结构加强的复合材料的一种，三维角联锁织物已被广泛地应用于工程领域，归于它在传统织机简单和有效地加工[10–12]。另外，三维角联锁织物最吸引的优点是具有近终成形能力的制造复合材料[13]。三维角联锁预成型件有卓越的机械性能和好的可成形性（图1）。随着预成型技术的发展，可以生产出形状复杂和不同尺寸的结构件。
图1三维角联锁织物的半球成形 在复合材料生产的结构集成制造中，三维角联锁是根据最终复合材料产品形状预成型，该形状可以是复杂的[14–16]。对于三维织物，平面的行为和层间的行为是最重要的变形，并且剪切行为材料变形的主要模式[17?19]。研究三维角联锁织物层和层间的剪切行为是有价值的，因为在生产中它们被广泛应用，尤其是成形工艺。 二维织物的面剪切行为已有比较好的研究。Zhu等人[20,21]通过实验测试仔细研究了二维织物面表征特性，并且发现了发现纱线的减少是起皱的一个关键。Hivet等[22,23]使用相框测试方法]研究了二维织物剪切性能，并指出在实验过程中，剪切结果对纱线的力敏感。拉伸力随剪切角增大而增大。Lomov等[24,25]通过相框试验提出对在三种不同预力状态的非平衡2/2斜纹玻璃/ PP织物的剪切测试，并且研究在纱线方向的拉力载荷对织物的剪切抗力的影响及可重复性的方法。基于二维Lin等人[26]建立了织物的几何形状来模拟的面剪切的有限元模型，仿真结果与实验相同。Cao等。[ 27 ]比较了相框剪切试验结果，这些结果来于用于制定标准的测试设置获得准确的和适当的材料特性的七个不同实验室的。Chen等[28] 开发了有限元模型来预测层压板面和层间的剪切性能。然而，三维角联锁织物的面/层间的剪切行为很少有报道。Charmetant等[29]建立了半球模型来仿真三维织物成形。 在这篇文章，报道了一份仔细研究了关于不同织物密度的三维角联锁织物面剪切和层间剪切行为。记录了剪切应力和剪切角度曲线和面剪切测试的起皱位置，并且它们相互比较，分析了层剪切试验的应力-位移曲线。另外，面剪切非线性曲线的三个阶段被表征。呈现层间剪切破坏形态并且被比较从而在剪切测试
第16卷 1999年第4期 10月复合材料学报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICA V ol.16No.4Octo ber 1999收修改稿、初稿日期:1998-09-25,1998-08-25 三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究 宝君杜 严勇摘要讨论了三维四向编织碳/环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过实验得到了弹性 常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律,并分析讨论了编织参数对该类 材料破坏模式的影响作用。 关键词编织复合材料,力学性能,实验研究 中图分类号T B332 复合材料力学性能的实验研究在复合材料的开发与应用中发挥着重要作用。尤其是在材料设计研究中,实验研究对于评价加工工艺及原材料性能对复合材料性能的影响具有十分重要的意义。迄今已有许多种实验方法,其中有些方法比较简单,已经制定了标准;然而,有些实验方法涉及复合材料固有的复杂性,尚不够成熟,有待进一步进行研究。三维编织复合材料是近几年开发研制的新型复合材料,在航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景。其性能表征及测试方法都未形成成熟的标准,需要进一步进行研究探讨。 A .
B .Macander 等人[1]于1986进行了一组实验,结果表明,三维编织物能大幅度地提高 复合材料强度和刚度。Fukuta [2]对Carbon/epo xy 三维三向、三维四向及层合板材料冲击后的 压缩强度进行了比较研究。比较发现,三维编织复合材料的冲击压缩强度较层合材料高,说明 其具有优秀的强度保持性。L .W .Gause 等[3]通过实验证实良好的抗损坏性是复合材料三维编 织结构所具有的突出特点。F .K .Ko [4~5]用玻纤/环氧和碳纤/PEEK 完成了类似实验。佐藤等[6]对火箭喷管用石墨材料、二维C /C 复合材料、三维C /C 复合材料的热冲击强度及其断裂韧性进行了实验研究。实验结果发现,二维C/C 复合材料由于纤维强化面内和层合方向存在各向异性,导致层间剥离破坏。而三维C/C 复合材料的热冲击破坏韧性是AT J 石墨的19倍以上,显示出其具有非常卓越的抗热冲击性能。孙慧玉等[7]对编织复合材料的力学性能也进行了实验研究。 为了探讨三维四向编织复合材料力学性能与编织参数间的关系及编织复合材料力学性能的实验研究方法,以碳/环氧三维四向编织复合材料为对象进行了拉伸及压缩实验,得到了有关实验数据,并对实验结果进行了分析讨论。 1实验原理及方法 利用岛津DSS-10T 材料试验机对试件进行加载,采用汉中中原电测仪器厂BA120-5AA-C15%应变计,通过KYOW A-DPM 613A 型动态应变仪测量其变形。 (南京鑫鼎纤维材料有限公司,210044 试件材料为三维四向碳/环氧编织复合材料,由天津纺织工学院复合材料研究所研制。基体材料为T DE -85#环氧树脂,增强纤维为T 300碳纤维,纤维束规格为12K ,采用树脂传递模塑(RT M 工艺制成。