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。