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三维正交机织玻纤复合材料界面改性及弯曲性能研究陶楠楠;高晓平【摘要】纤维/基体界面特性影响复合材料性能,为提高纤维/基体界面性能,基于纤维表面热处理与硅烷偶联剂改性相结合的方法处理三维正交机织物.分别以改性前后织物为增强体,树脂与固化剂的混合胶液为基体,采用VARTM工艺成型复合材料.测试试样沿0°和90°方向的弯曲性能.结果表明,试样沿0°方向的弯曲强度略有下降,而弹性模量增加.沿90°方向的弯曲强度和弹性模量均增加.由此可知,硅烷偶联剂改性可以提高纤维/基体界面结合强度,从而改善了复合材料的力学性能.纤维FTIR 谱图和试样断裂截面SEM图也证实纤维/基体结合强度得到了提高.【期刊名称】《现代纺织技术》【年(卷),期】2019(027)004【总页数】7页(P12-18)【关键词】界面改性;硅烷偶联剂处理;三维正交机织物;弯曲性能【作者】陶楠楠;高晓平【作者单位】内蒙古工业大学轻工与纺织学院,呼和浩特010080;内蒙古工业大学轻工与纺织学院,呼和浩特010080【正文语种】中文【中图分类】TS102.42;TB332纺织结构复合材料是以纺织预成型体(如织物)作为增强体，以树脂作为基体固化而成的纤维增强复合材料，该类材料在飞行器、车辆和弹道防护等结构工程材料领域有着巨大的应用潜力。
特别是三维纺织结构复合材料,其最显著的特点是：由于厚度方向上纤维束的存在赋予材料完美的结构整体性，具有极高的断裂韧性和抗分层能力。
三维正交机织复合材料是三维纺织结构复合材料一重要分支,由两两互相垂直的经纱和纬纱在各自的平面内平铺排列，Z纱贯穿于织物的厚度方向并交错捆绑纬纱，整体性好。
研究发现三维正交机织复合材料相比于其他复合材料具有较高的强度、模量、层间剪切强度、破坏应力和应变，同时具有较好的承力能力[1-6]；三维正交机织物本身的结构决定了材料在受到弯曲应力时经纱系统的强力利用率较高，使得所成型的复合材料不易变形[7]；贯穿于三维正交机织复合材料厚度方向的Z纱对于防止分层现象的发生起到了一定的作用，有效地阻止复合材料弯曲过程中的分层问题[8-12]。
复合材料工字梁抗弯曲性能分析
黄泳桦;杨艳菲;王子虎;刘彦辰;薛赛楠
【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2022(39)2
【摘要】为了提高碳纤维复合材料工字梁的抗弯曲性能,本文针对碳纤维工字梁抗弯曲性能优化设计进行了工字梁的不同结构设计对抗弯曲性能影响的研究。
采用控制变量和对比的实验方法,设计了五个不同结构的碳纤维工字梁实验样件并进行三
点弯曲测试,得到了碳纤维工字梁的弯曲强度以及弯曲位移等实验数据;其次,采用ABAQUS有限元软件建立碳纤维工字梁三点弯曲模型,并对模型的有效性进行验证。
然后采用该模型分析了三点弯曲过程中工字梁的受力情况,得到以下结论:碳纤维工
字梁在三点弯曲时(1)上翼缘应力略大于下翼缘,适当增加上翼缘的厚度,能够提升工字梁的抗弯曲性能,增加下翼缘的厚度,对工字梁的抗弯曲性能影响微弱;(2)腹板上下两端处的应力值始终大于腹板中间位置的应力值,适当增加腹板的高度,能够提升工
字梁的抗弯曲性能,增加腹板的厚度,对工字梁的抗弯曲性能影响微弱。
以上研究对
碳纤维工字梁结构优化设计具有一定的指导意义。
【总页数】8页(P12-19)
【作者】黄泳桦;杨艳菲;王子虎;刘彦辰;薛赛楠
【作者单位】中原工学院纺织学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
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碳纤维复合材料的表征和力学性能分析碳纤维复合材料是一种具有优异力学性能的新材料，其广泛应用于汽车、飞机、火箭等领域。
本文旨在探讨碳纤维复合材料的表征和力学性能分析，以及相关研究领域的发展趋势。
一、碳纤维复合材料的表征（1）纤维型号及组织碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键原料，其型号及组织结构对材料性能有重要影响。
常见的碳纤维型号有T300、T700、M40等，其强度和模量随着型号提高而增加。
同时，碳纤维的组织结构也影响复合材料的性能。
纤维间的排列方式、纤维的分布密度等都会影响材料的力学性能。
（2）基体树脂碳纤维复合材料中的基体树脂也对其性能具有重要影响。
基体树脂一般选择环氧树脂、酚醛树脂等。
不同的基体树脂在温度、湿度等环境下的性能表现有所不同。
因此，对基体树脂进行适当选择很关键。
（3）工艺参数制备碳纤维复合材料的工艺参数也是影响材料性能的关键因素。
工艺参数包括热处理温度、压力、固化时间等。
不同的工艺参数对材料的力学性能、热学性能等产生重要影响。
因此，在制备过程中需要严格控制这些工艺参数。
二、碳纤维复合材料的力学性能分析（1）强度碳纤维复合材料在强度方面表现优异，具有很高的拉伸和压缩强度。
其中，双向编织的 T700 碳纤维复合材料的拉伸强度可达到2000 MPa 以上，压缩强度为1300 MPa 左右。
但碳纤维复合材料的剪切强度相对较低。
（2）刚度碳纤维具有很高的弹性模量，使碳纤维复合材料具有很高的刚度。
在刚度方面，碳纤维复合材料比钢铁、铝合金等传统材料还要高出1-2倍。
这也是碳纤维复合材料应用于飞机等领域的重要原因之一。
（3）耐疲劳性能碳纤维复合材料在疲劳方面表现也非常出色，其疲劳寿命比金属材料长得多。
尤其是在不同的温度、湿度等环境下，碳纤维复合材料的疲劳寿命表现更加稳定。
三、碳纤维复合材料的发展趋势随着全球经济的快速发展，碳纤维复合材料在汽车、飞机、火箭等领域的应用越来越广泛。
未来，碳纤维复合材料的制备技术将会更加成熟，同时优化碳纤维和基体树脂的配比也将成为研究的重点。
收稿日期:2000207208; 修回日期:2000208214作者简介:王玉果(19752 , 女, 河北石家庄人, 博士生, 主要从事先进复合材料的试验研究工作。
文章编号:100728827(2000 0420065203三维编织炭纤维环氧复合材料的性能研究王玉果, 王玉林, 万怡灶(天津大学材料科学与工程学院, 天津300072摘要:采用真空浸渍工艺, 成功地制备了三维编织炭纤维环氧复合材料, 并用金相显微镜对微观结构进行了观察, 发现基体与纤维间浸润良好。
力学试验表明, 该材料具有良好的力学性能, 是一种极有发展潜力的复合材料。
关键词:真空浸渍; 三维编织; 力学性能; 复合材料中图分类号:TB 332文献标识码: A1前言三维编织复合材料是近十年来诞生的一种新型复合材料。
它从根本上克服了传统层合板层间剪切强度低、易分层的特点, 不仅具有优异的力学性能, 而且还有良好的耐烧蚀性和抗损伤性[1]。
炭纤维环氧编织复合材料作为一种典型的先进复合材料, 具有强度高、重量轻、抗冲击、抗损伤等良好的力学性能, 在航空航天、医疗、体育等现代高科技领域显示了极大的潜能[2]。
Chou 等研究证明三维编织结构的炭环氧复合材料具有良好的综合力学性能[3]。
H i 2erm er 等人[4]讨论了炭环氧棒型复合材料的弯曲性能及失效行为, 指出三维编织增强体比长炭纤维具有明显的增强作用, 可显著提高复合材料的剪切性能和弯曲性能, 并且还有降低复合材料脆性断裂的作用。
R TM 工艺, 即树脂传递模塑工艺, 是目前国内外最常用的编织结构复合材料成型方法。
R TM 工艺过程简单, 但是对树脂基体和模具的要求较严, 因此其应用受到一定限制。
尤其在我国, R TM 工艺还处于初级阶段[5]。
本工作根据环氧树脂的固化特性, 采用真空浸渍+固化成型的方法, 成功地摸索出三维编织炭纤维环氧复合材料的制备工艺, 并对其力学性能进行了实验研究, 取得了很好的研究结果。
浙江理工大学学报,第51卷,第1期,2024年1月J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t yD O I :10.3969/j.i s s n .1673-3851(n ).2024.01.008收稿日期:2022-12-09 网络出版日期:2023-07-07基金项目:国家自然科学基金面上项目(52075498);浙江理工大学科研启动基金(11152932612007)作者简介:武维莉(1990- ),女,安徽宿州人,讲师,博士,主要从事复合材料方面的研究㊂结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响武维莉,潘忠祥(浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州310018) 摘 要:为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,通过材料试验机探究所得复合材料的结构参数对拉伸㊁剪切性能的影响㊂结果表明:纤维体积分数相同时,纱线的屈曲和纱线交织结构决定了复合材料的拉伸性能及尺寸稳定性㊂经向上,浅交直联结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最佳,经纱屈曲大的接结纬接结+衬纬纱结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最差;纬向上,接结纬接结结构复合材料拉伸性能和离散性最差㊂对比2个方向的拉伸性能发现,复合材料的纬向拉伸性能远远优于经向拉伸性能㊂织物的交织结构决定了剪切性能及尺寸稳定性,浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂该研究明确了纤维体积分数㊁纱线屈曲程度㊁织物交织结构等结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响,为三维机织复合材料的研究和应用提供了参考㊂关键词:三维;机织复合材料;拉伸性能;剪切性能;尺寸稳定性中图分类号:T S 195.644文献标志码:A文章编号:1673-3851(2024)01-0063-11引文格式:武维莉,潘忠祥.结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响[J ].浙江理工大学学报(自然科学),2024,51(1):63-73.R e f e r e n c e F o r m a t :W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g .T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o pe r t i e s of 3D w o v e n c o m p o s i t e s [J ].J o u r n a l o f Z h e j i a ng S c i -T e ch U ni v e r s i t y,2024,51(1):63-73.T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f 3D w o v e n c o m po s i t e s W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g(C o l l e g e o f T e x t i l e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g (I n t e r n a t i o n a l I n s t i t u t e o f S i l k ),Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y ,H a n gz h o u 310018,C h i n a ) A b s t r a c t :T o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p be t w e e n t h e p a r a m e t e r s of T h r e e -d i m e n s i o n a l (3D )w o v e n s t r u c t u r e s a n d t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o m po s i t e s ,f o u r s t r u c t u r e s o f 3D w o v e n f a b r i c s w e r e p r e p a r e d ,i n c l u d i n g s h a l l o w c r o s s -l i n k e d ,l a y e r -b y -l a y e r a n g l e -i n t e r l o c k ,"s t i t c h i n g we f t "w e f t k n i t t e d a n d "s t i t c h i n g w e f t "w e f t k n i t t e d +i n s e r t e d w e f t s t r u c t u r e s .T h e y w e r e p r e p a r e d i n t o c o m p o s i t e s ,a n d b yu s i n g a m a t e r i a l t e s t i n g m a c h i n e ,t h e e f f e c t s o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t e n s i l e a n d s h e a r p r o pe r t i e s of t h e c o m p o s i t e s w e r e e x p l o r e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e s a m e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ,t h e y a r n c r i m p an d t h e i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o f y a r n s d e t e r m i n e t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y of t h e c o m p o s i t e s .I n t h e w a r p d i r e c t i o n ,t h e s h a l l o w c r o s s -l i n k e d w o v e n c o m po s i t e s e x h i b i t t h e m o s t e x c e l l e n t t e n s i l e p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y ,w h i l e t h e "s t i t c h i n g we f t "w e f t k n i t t e d+i n s e r t e d w e f t r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s w i t h l a r g e w a r p c r i m p at t a i n t h e w o r s t t e n s i l e p e r f o r m a n c e .I n t h e w e f t d i r e c t i o n ,t h e s t r u c t u r e "s t i t c h i n g w e f t "w e f t k n i t t e d r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s s t i l l e x h i b i t t h e w o r s t t e n s i l e p r o p e r t y a n d d i s c r e t e n e s s .C o m p a r i s o n o f t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s i n b o t h d i r e c t i o n s i n d i c a t e s t h a t t h e t e n s i l e p r o p e r t yo f t h e c o m p o s i t e s i n t h e w e f t d i r e c t i o n i s s u p e r i o r t o t h a t i n t h e w a r p d i r e c t i o n.T h e i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o f t h e f a b r i c s d e t e r m i n e s t h e s h e a r p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y.T h e s h a l l o w c r o s s-l i n k e d c o m p o s i t e s p e r f o r m t h e h i g h e s t s h e a r m o d u l u s w i t h a d e n s e s t r u c t u r e,w h i l e t h e"s t i t c h i n g w e f t"w e f t k n i t t e d c o m p o s i t e s w i t h a l o o s e r s t r u c t u r e r e s u l t i n a l o w e s t s h e a r m o d u l u s.H o w e v e r,t h e s h e a r s t r e n g t h s h o w s a n a l m o s t o p p o s i t e l a w.T h i s s t u d y c l a r i f i e s t h e e f f e c t s o f t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s s u c h a s f i b e r v o l u m e f r a c t i o n,y a r n c r i m p d e g r e e,a n d f a b r i c i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f3D w o v e n c o m p o s i t e s,p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f3D w o v e n c o m p o s i t e s.K e y w o r d s:3D;w o v e n c o m p o s i t e s;t e n s i l e p r o p e r t y;s h e a r p r o p e r t y;d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y0引言纤维增强复合材料因具有较高的比强度㊁比模量以及较好的耐疲劳和耐腐蚀特性,广泛应用于航空航天㊁船舶㊁汽车㊁建筑等领域㊂由于层间或Z向纱的增强作用,三维机织增强复合材料的层间力学性能明显优于二维结构[1-4]㊂B e h e r a等[5]发现,三维机织复合材料具有优异的抗冲击性㊁防刺穿及动态热机械性能㊂P e e r z a d a等[6]研究发现,三维机织结构中Z向纱的存在使经纬纱承担的负荷减少,提升了复合材料的整体强度和刚度㊂B r a n d t等[7]发现,Z向纱明显提高了复合材料的层间性能,其含量的增加使经纬向的拉伸强度下降,但压缩强度不受影响㊂C o x等[8]探究了三维机织复合材料的拉伸㊁压缩和弯曲性能,结果发现与二维复合材料相比,三维复合材料的面外性能增加,面内性能有所降低㊂I v a n o v等[9]认为,三维复合材料的杨氏模量与二维复合材料接近,但在45ʎ方向上,三维复合材料的最大应力㊁应变明显高于二维复合材料㊂P o t l u r i等[10]探究了三维复合材料的抗冲击性能,发现不同结构的三维复合材料的损伤面积和宽度相似,但远小于二维复合材料㊂针对不同结构的三维复合材料力学表现,国内外学者展开了相关研究㊂S a l e h等[11]研究了3种不同结构(正交结构㊁层层角联锁和角联锁结构)的三维机织复合材料的准静态拉伸性能,发现不同结构的复合材料的拉伸刚度与强度主要取决于经纱和纬纱含量,而结构类型的影响较小㊂其他学者也发现,织物结构对复合材料力学性能有重要影响㊂B e h e r a 等[5]探究了三维机织复合材料的拉伸性能,发现不同结构的材料,其拉伸强度在经向上的大小排序为三维正交结构复合材料㊁经向联锁结构复合材料㊁角联锁结构复合材料,而在纬向上则相反㊂H u a n g 等[12]测试了4种玻璃纤维三维机织复合材料的拉伸性能,包括层与层绑定的正交结构㊁完全正交结构㊁角联锁结构㊁改进的角联锁结构,发现织物结构与复合材料的拉伸强度及尺寸稳定性有很大关系㊂X u等[13]㊁D a i等[14]和J i a o等[15]探讨了织物结构对三维复合材料拉伸性能的影响,发现结构不同导致富树脂区不同,角联锁结构复合材料在经纱方向上具有较大的拉伸模量和强度㊂S t i g等[16]验证了这一观点,并且通过实验发现三维复合材料的刚度和强度随着纱线的屈曲增加呈现非线性下降,添加填充纱可以增加复合材料的力学性能㊂上述工作探究了三维机织结构复合材料与力学性能之间的关系,但是三维机织结构种类繁多,设计人员须根据使用工况选择合适的织物结构㊂然而,目前三维机织结构与力学性能之间的关系研究不够充分,影响了对其力学性能可靠性的评估㊂本文设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能进行测试,分析了织物结构参数对复合材料的拉伸和剪切性能的影响㊂本文的研究结论为三维机织复合材料的设计和应用提供了指导㊂1实验部分1.1实验材料碳纤维纱线(T70012K,纤度954.3t e x)购于日本东丽公司;环氧树脂(R T M3266)购于中航复合材料有限责任公司;多综眼多剑杆织机,自研㊂纤维和树脂的基本参数见表1㊂表1实验材料的基本参数实验材料密度/(g㊃c m-3)抗拉模量/G P a抗拉强度/M P a断裂伸长率/%碳纤维1.8023049002.1环氧树脂1.252605.0 1.2实验方法1.2.1三维织物织造本文设计了4种不同组织结构的碳纤维三维机46浙江理工大学学报(自然科学)2024年第51卷织结构,包括浅交直联结构㊁层层角联锁结构㊁接结纬接结结构和接结纬接结+衬纬纱结构,在多综眼多剑杆织机上完成织造㊂三维织物实物照片及沿织物经向的截面结构示意图如图1所示,其中:结构示意图中绿色椭圆点代表纬纱,白色屈曲的纱线代表经纱;白色实线表示观察切面上的经纱,而虚线则表示交织着的相邻经纱㊂上机织造及织物参数见表2,织物的上机图如图2所示㊂图14种三维织物实物照片和沿经向截面结构示意图表2三维机织物的织物参数织物结构经密/(根㊃10c m-1)纬密/(根㊃10c m-1)平方米质量/(k g㊃m-2)厚度/m m浅交直联61.842.665518.51层层角联锁59.430.674638.81接结纬接结接62.857.8796810.02接结纬接结+衬纬纱60.057.4766010.62注:为了对比方便,表中经密㊁纬密指单层交织结构的纱线根数㊂而实际上三维机织结构在厚度上有多层交织结构,总的经纬密度还应该乘以交织层数㊂1.2.2复合材料的制备实验采用树脂传递模塑成型工艺(R e s i n T r a n s f e r M o l d i n g,R T M)制作复合材料,其工艺过程及原理如图3所示㊂首先在预设厚度的模具内放置三维织物,闭合模具并灌注树脂,然后在常温条件下固化,制备复合材料㊂在成型过程中,固定的模腔深度导致4种三维机织复合材料的厚度一致,复合材料的厚度均为8.30m m㊂由于织物平方米质量不同导致复合材料的纤维体积分数(F i b e r v o l u m e f r a c t i o n,V f)有所区别,4种三维复合材料的V f见表3㊂1.3测试与表征1.3.1复合材料的拉伸性能测试采用材料实验机(I n s t r o n5940,美国I n s t r o n公司)测试复合材料的经向和纬向性能,测试方法采用A S T M D3039/D3039M-08S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r T e n s i l e P r o p e r t i e s o f P o l y m e r M a t r i x C o m p o s i t e M a t e r i a l s㊂经向拉伸采用矩形长条试样,示意图如图4(a)所示㊂由于纬向纱线伸直度高,断裂失效容易发生在试样两端,因此纬向拉伸试样设计成狗骨形状,示意图如图4(b)所示㊂实验时首先调节拉伸夹具的标距,设为150m m,安装试验件,然后连接应变片和数采系统㊂为了使夹具夹紧试样,对夹具施加一定的预加张力(纬向拉伸为3k N,经向拉伸2k N),拉伸速度设定为2m m/m i n㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.2复合材料的剪切性能测试剪切测试采用A S T M D5379/D5379M-12 S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r S h e a r P r o p e r t i e s o f C o m p o s i t e M a t e r i a l s b y t h e V-N o t c h e d B e a m M e t h o d,测试试样示意图和夹具实物照片如图5所示㊂实验时把试样放置在V型切口剪切夹具内部,将夹具安装到材料试验机的压缩盘上,调节上压盘靠近夹具的压杆上,设定测试速度为2m m/m i n㊂根据测试56第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图2 4种三维织物的织造上机图标准,在剪切应变大于5%时,试样视为破坏,测试终止㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.3 试样编号测试前对实验试样进行系统性地编号,定义4种复合材料的经向拉伸性能(编号 -T J )和纬向拉伸性能(编号 -T W )㊁剪切性能(编号 -S),每种结构测试5个试样,其编号分别是N o .1㊁N o .2㊁N o .3㊁N o .4㊁N o .5㊂4种织物结构(浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱)的编号分别是01㊁02㊁03㊁04㊂例如,浅交直连复合材料的经向拉伸5个试样测试编号分别是01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .5,测试试样的具体编号见表4㊂2 结果与讨论2.1 织物结构分析本文设计织造的4种组织结构中经纬纱的交织规律不同,其中三维织物浅交直联和层层角联锁结构相似,而接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构更为相似㊂相对于接结纬接结,接结纬接结+衬纬纱在纬向上又添加了额外的衬纬纱,使得纬纱含量有所增加㊂三维机织结构在厚度方向上形成多层的经纬纱交织,相比二维机织物,三维机织结构层间性能更佳,作为复合材料增强体结构具有一定的优势㊂织物的交织程度决定了结构的紧密程度,也影响了力学性能的稳定性㊂纱线交织点越多,形成的织物结构越稳定,纱线自由度小,受到载荷时材料的力学性能越稳定㊂以浅交直联结构为例,在织造打纬时,经纱每横跨两根纬纱交织形成扣锁一次,即在1㊁3㊁5列纬纱处形成紧密的交织结构,如图6所示㊂在织造2和4列纬纱时,经纱只发生上下移动形成梭口用来添加纬纱,而不会施加较大的力锁紧纱线㊂同理,对于层层角联锁结构,织造每一根纬纱都会交图3 R T M 工艺过程及原理图66浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表3 三维机织结构复合材料的纤维体积分数V f织物结构V f /%浅交直联41.85层层角联锁48.00接结纬接结接43.44接结纬接结+衬纬纱51.13织扣紧一次,使得织物结构变得紧密㊂定义图6中1至3列的纬纱隔距为打纬交织宽度T ㊂T 越小,纱线交织次数越多,织物结构越紧密;T 越大,经纱及纬纱受到的束缚越小,织物结构越疏松㊂4种结构的打纬交织宽度的统计数据见表5㊂图4 复合材料拉伸测试试样示意图图5 复合材料剪切测试试样示意图及测试设备表4 4种三维复合材料的测试编号织物结构经向拉伸编号纬向拉伸编号剪切编号浅交直联01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .501-T W -N o .1㊁01-T W -N o .2㊁01-T W -N o .3㊁01-T W -N o .4㊁01-T W -N o .501-S -N o .1㊁01-S -N o .2㊁01-S -N o .3㊁01-S -N o .4㊁01-S -N o .5层层角联锁02-T J -N o .1㊁02-T J -N o .2㊁02-T J -N o .3㊁02-T J -N o .4㊁02-T J -N o .502-T W -N o .1㊁02-T W -N o .2㊁02-T W -N o .3㊁02-T W -N o .4㊁02-T W -N o .502-S -N o .1㊁02-S -N o .2㊁02-S -N o .3㊁02-S -N o .4㊁02-S -N o .5接结纬接结接03-T J -N o .1㊁03-T J -N o .2㊁03-T J -N o .3㊁03-T J -N o .4㊁03-T J -N o .503-T W -N o .1㊁03-T W -N o .2㊁03-T W -N o .3㊁03-T W -N o .4㊁03-T W -N o .503-S -N o .1㊁03-S -N o .2㊁03-S -N o .3㊁03-S -N o .4㊁03-S -N o .5接结纬接结+衬纬纱04-T J -N o .1㊁04-T J -N o .2㊁04-T J -N o .3㊁04-T J -N o .4㊁04-T J -N o .504-T W -N o .1㊁04-T W -N o .2㊁04-T W -N o .3㊁04-T W -N o .4㊁04-T W -N o .504-S -N o .1㊁04-S -N o .2㊁04-S -N o .3㊁04-S -N o .4㊁04-S -N o .52.2 结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能的影响2.2.1 经向拉伸性能三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线如图7所示㊂由图7可知:4种复合材料的拉伸应力-应变曲线表现不同,随着应变增加,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸应力-应变呈线性关系,复合材料表现出线弹性的材料属性;而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的拉伸应力在应变较小时呈线性增加,但是随着应变的增大,拉伸应力增长速度减缓,即拉伸模量(应力/应变)呈下降的趋势㊂分析经向拉伸离散性,发现:浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的经向拉伸一致性最好,表现为5个试样的拉伸曲线离散程度小㊂相反,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合76第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图6 三维机织打纬交织示意图表5 三维机织结构的打纬宽度织物结构打纬宽度/m m浅交直联2.34层层角联锁3.26接结纬接结接6.92接结纬接结+衬纬纱2.34材料的拉伸离散程度大,即尺寸稳定性不佳,这与织物交织结构有关㊂三维机织结构中的经纱由于交织作用,纱线往往呈屈曲的状态,且纱线的屈曲程度会影响拉伸方向上的力学性能㊂纱线的屈曲程度(C )可以采用式(1)计算:图7 4种三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线C =l l 0(1)其中:l 代表织物中纱线屈曲状态下的跨距长度,l 0代表纱线从织物中提取出来完全伸直的实际长度㊂图8显示了纱线屈曲形成的纱线交织方式㊂表6汇总了4种三维复合材料的拉伸性能参数及经纱屈曲情况㊂从表6可以发现,经纱屈曲会影响复合材料的拉伸模量,接结纬接结+衬纬纱结构的纱线屈曲最高,模量最低㊂但是拉伸强度与纱线屈曲之间不具有明显的规律,这可能需要同时考虑经向上的纱线含量㊂图8 纱线屈曲示意图已有研究发现,三维机织复合材料的力学性能与纤维体积分数关系很大,经纬向上的纱线含量直接影响复合材料的拉伸性能[17]㊂为了有效评估经纬向上不同含量的三维机织复合材料的拉伸性能,对复合材料的力学性能进行归一化处理,即将不同复合材料的拉伸性能统一转换经向或纬向上V f 为86浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表64种三维复合材料的经向拉伸性能参数结构经纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V/%拉伸强度/M P a拉伸强度C V/%经纱V f/%浅交直联1.08322.489.02311.076.1525.53层层角联锁1.15624.983.41238.926.5826.19接结纬接结接1.13922.8520.03194.876.5526.81接结纬接结+衬纬纱1.33017.3624.48175.0121.8429.5425%的等效拉伸性能㊂断裂强度和抗拉模量的归一化计算为:σ'=σVfˑ25(2)E'=E Vfˑ25(3)其中:σ'是纤维体积分数为25%时的强度,M P a;σ为未归一化转换前的强度,M P a:E'为纤维体积分数为25%时的模量,G P a;E为未归一化转换前的模量,G P a㊂图9为经纱V f归一化处理后的4种复合材料拉伸模量㊁强度与经纱屈曲的关系㊂由图7可知,经纱屈曲程度会影响复合材料的拉伸性能,当经纱V f 统一为25%后,经纱屈曲程度越高,三维复合材料经向拉伸性能越差㊂三维机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度整体上呈现相似的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂当经纱含量相同时,浅交直联结构复合材料的纱线屈曲最小(C=1.083),拉伸时经纱更容易发挥轴向上的力学优势,纱线强度利用率高,导致模量和强度达到最佳状态㊂接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纱屈曲最大(C=1.330),受力时经纱强度利用率低,拉伸性能最差,且离散值最大㊂浅交直联结构复合材料的拉伸离散度较小,尺寸稳定性好,这与经纱交织宽度相关㊂由表6的数据可知,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的交织宽度最小,分别是2.34m m和3.26m m㊂较小的纱线交织宽度导致在织造打纬时受到的打纬力更大,纱线的交织次数更多,织物结构更紧密,导致复合材料的拉伸离散性更小㊂相反,接结纬接结接结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的交织宽度较大,分别为6.92m m和8.55m m,导致织物结构不够紧密,拉伸模量和强度离散性大[18]㊂图10为V f归一化后,4种机织结构复合材料经向上的拉伸模量衰减情况,衰减速率大小排序为接结纬接结+衬纬纱相近㊁接结纬接结㊁层层角联图9归一化处理后4种机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度(V f=25%)锁㊁浅交直联,这与经纱的屈曲状态和经纬纱的交织情况有关㊂伸直的纱线对拉伸性能的贡献大于屈曲的纱线[19],纱线屈曲明显的结构,如接结纬接结+衬纬纱结构复合材料和接结纬接结结构复合材料,无法充分发挥纤维的力学优势,受拉时屈曲的纱线有伸直的趋势;当拉伸载荷增加,经纱试图伸直造成树脂剪切破坏[20],导致复合材料的失效,从而模量发生明显的衰减㊂浅交直联结构复合材料由于经纱屈曲小,拉伸时纱线伸直变形小,且经纬纱交织结构紧密,失效前拉伸模量一直保持稳定不变㊂图104种机织结构复合材料经向拉伸模量随拉伸应变的变化曲线(V f=25%) 2.2.2纬向拉伸性能三维机织复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线如图11所示㊂与经向拉伸曲线有所不同,4种复合材料纬向的拉伸应力-应变曲线均呈线性特征,表现出了线弹性的属性㊂由于织造时的打纬运动,纬纱在织物中几乎处于伸直状态[19],在纬向拉伸时,复96第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响合材料主要的变形来自于纬纱的拉伸和伸长,因此拉伸曲线呈线性特征㊂相比经向拉伸行为,4种结构复合材料的5个试样的纬向拉伸离散程度较小,拉伸曲线一致性好㊂其中,浅交直联结构复合材料的纬向试样拉伸离散性最小,接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的离散性最大㊂与经向拉伸行为相似,这主要与织物结构有关㊂图11 4种机织结构复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线 表7汇总了复合材料纬向上的拉伸性能,可以发现纬纱的屈曲程度远远小于经纱,与经纱的屈曲规律相同,纬纱的屈曲从小到大的顺序为:浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱㊂拉伸性能同时受到纬纱含量的影响,因此对纬纱含量进行归一化后,从而对比纬向上的拉伸性能㊂表7 4种三维复合材料的纬向拉伸性能参数织物结构纬纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V /%拉伸强度/M P a 拉伸强度C V /%纬纱V f/%浅交直联1.00430.004.07489.772.9116.33层层角联锁1.00543.804.48629.772.2621.82接结纬接结接1.00927.147.83411.6215.8820.31接结纬接结+衬纬纱1.01247.228.59726.672.5421.58图12为V f 统一为25%后的纬向拉伸模量㊁强度㊂由图12可知:当V f 相同时,4种结构复合材料的纬向上的拉伸模量㊁强度呈现相似的规律,从大到小的顺序为:接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁浅交直联结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊂与经向拉伸相同,浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的纬向拉伸性能依然优于接结纬接结结构复合材料,表明这两种材料具有结构上的优势㊂浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的纬纱屈曲小,且纱线交织宽度小导致交织次数多,织物结构紧密,对纬纱的束缚张力大,纬向拉伸离散小㊂而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纬纱交织点少,纱线之间束缚少㊁自由度大,织物结构疏松,导致纬向上的拉伸性能离散性大㊂2.2.3 经向和纬向拉伸性能对比图13对比了4种复合材料在经㊁纬方向上的拉伸性能㊂由图13可知,V f 归一化后,经向上的拉伸模量和强度明显低于纬向,这是由于纬纱伸直程度高于经纱,受拉时纬纱能承受较大的载荷㊂经纱由于屈曲大,不利于发挥碳纤维的力学优势,导致经向上的拉伸模量较低㊂当拉伸载荷增加时,经纱有从7浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷图12归一化处理后4种结构复合材料纬向拉伸模量和强度(V f=25%)屈曲到伸直的趋势,但是此过程会导致纱线周围的树脂受到挤压,造成剪切破坏,从而引起整个试样迅速失效,因此经向上的拉伸强度均低于纬向㊂2.3结构参数对三维机织复合材料剪切性能的影响本文对4种三维机织复合材料的剪切性能进行分析,剪切应力-应变曲线如图14所示㊂由图14可知,4种复合材料的剪切曲线相似,初始受剪时,复合材料的应力-应变曲线呈线弹性属性,剪切应力随着应变的增加呈线性增加;随着载荷的增加,应力-图134种机织结构复合材料经㊁纬向的拉伸性能对比(V f=25%)图144种机织结构复合材料剪切应力-应变曲线17第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响应变曲线进入非线性阶段,剪切应力继续增大但增长速度下降,即剪切刚度下降,直至强度达到最大后试样失效㊂复合材料施加剪切载荷时,当剪切力较小时,材料中的纱线和树脂同时受力,由于树脂模量远低于碳纤维,树脂首先发生变形㊂纱线受剪切力后由屈曲状态伸直,交织处的经纬纱逐渐锁紧,当载荷持续增大,锁结处的纱线摩擦力增大直至无法承受载荷,此时交织的纱线发生滑移㊁抽拔㊁断裂㊂树脂的断裂伸长率大,碳纤维断裂前树脂还未发生破坏,但是树脂强度远低于碳纤维,碳纤维断裂后树脂迅速破坏,最后整个复合材料试样失效[21]㊂图15显示了4种复合材料的剪切性能及离散情况㊂由图15可知,V f 相同时,浅交直联结构复合材料的剪切模量最大,接结纬接结结构复合材料的剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂浅交直联结构复合材料的结构紧密,受剪切时复合材料不易发生变形,剪切模量最大,但这导致在纱线交织处容易形成应力集中,试样失效早[22],剪切强度小㊂接结纬接结结构复合材料由于经纬纱的交织少㊁结构疏松,受剪切时结构容易发生变形,剪切模量小,但是疏松的结构不易形成应力集中,剪切失效发生晚,因此剪切强度最大㊂图15 归一化处理后4种复合材料剪切模量和强度(V f =25%)与拉伸性能相似,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的剪切离散值最大,尺寸稳定性最差,而浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的剪切离散性最小,这与织物结构中是纱线交织情况有关㊂接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料中纱线交织宽度大,交织点少,纱线自由度大,受剪切时材料的失效位置具有较大的不确定性,离散度大;而浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的结构交织较为紧密㊁稳定,受剪切时离散性最小㊂3 结 论为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,本文设计制备了4种不同结构的三维机织复合材料,测试分析了复合材料的拉伸性能(经向和纬向)和剪切性能,所得主要结论如下:a)纤维体积分数㊁纱线屈曲和纱线交织程度决定了三维复合材料的拉伸和剪切性能㊂V f 相同时,纱线屈曲导致拉伸性能下降,而交织结构紧密会改善拉伸性能和离散性㊂b )经向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸响应和曲线离散性不同,但拉伸模量和强度呈现相同的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂纬向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸应力-应变曲线呈线弹性,且离散值小,这与纬纱屈曲小有关,同时纬向上的拉伸性能远远优于经向㊂不管是经向还是纬向上,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸性能和离散性较小,而接结纬接结结构复合材料的拉伸性能最差,说明此结构不具有优势㊂c )4种复合材料的剪切应力-应变曲线呈非线性的特征㊂织物中经纬纱的交织结构决定了剪切性能及离散性,其中浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂此研究明确了结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能的影响,对三维织物的结构设计和力学性能优化有一定的指导作用,为将来三维机织复合材料的工程化应用提供借鉴和参考㊂参考文献:[1]杨彩云,李嘉禄,陈利,等.树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究[J ].航空材料学报,2006,26(5):51-55.[2]L i M R ,W a n g P,B o u s s u F ,e t a l .A r e v i e w o n t h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f t h r e e -d i m e n s i o n a l w a r pi n t e r l o c k w o v e n f a b r i c s a s r e i n f o r c e m e n t i n c o m po s i t e s [J ].J o u r n a l o f I n d u s t r i a l T e x t i l e s ,2022,51(7):1009-1058.[3]D a h a l e M ,N e a l e G ,L u pi c i n i R ,e t a l .E f f e c t o f w e a v e p a r a m e t e r s o n t h e m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of 3D w o v e ng l a s s c o m p o s i t e s [J ].C o m po s i t e S t r u c t u r e s ,2019,223:27浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷。
碳纤维复材弯曲强度碳纤维复材是一种由碳纤维与树脂基体组成的复合材料，具有很高的强度和刚度，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
其中，弯曲强度是评估碳纤维复材性能的重要指标之一。
本文将以碳纤维复材弯曲强度为主题，介绍其特性、测试方法以及影响因素，对于了解碳纤维复材的性能以及指导材料设计和工程应用具有重要意义。
首先，碳纤维复材具有优异的弯曲强度，这得益于其独特的结构和特性。
碳纤维是由碳元素构成的纤维，在纤维的制备过程中，经过高温处理和拉伸使得纤维呈现出优异的力学性能。
树脂基体作为一种粘结剂，能够很好地固定碳纤维，增强其整体强度和刚度。
由于树脂的柔韧性和碳纤维的刚脆性能互补，碳纤维复材能够在受力时充分发挥各自的特点，具有更高的弯曲强度。
其次，测试方法是评估碳纤维复材弯曲强度的关键。
常用的测试方法有三点弯曲试验和双辊弯曲试验。
三点弯曲试验通过在材料上施加力，产生弯曲应力，测量材料的弯曲变形和弯曲破坏状态，从而计算出弯曲强度。
双辊弯曲试验则将材料分别固定在两个辊子之间，通过施加外力使材料产生弯曲，测量辊子的位移和材料的应变，计算出弯曲强度。
两种方法各有优劣，需要根据实际需要进行选择。
最后，影响碳纤维复材弯曲强度的因素有很多。
首先是纤维的性质和排列方式。
碳纤维的直径、长度、排列密度和层叠方式等都会对复合材料的弯曲强度产生影响。
其次是树脂基体的性质和粘结性能。
树脂的硬度、柔韧性、粘结强度等都会对复合材料的弯曲强度产生重要影响。
此外，还有工艺参数、环境因素和结构设计等因素也会对弯曲强度造成一定影响。
综上所述，碳纤维复材弯曲强度是评估材料性能的重要指标之一。
了解碳纤维复材的特性、测试方法和影响因素对于指导材料设计、优化工艺参数和提高工程应用具有重要意义。
未来，随着技术的不断进步和应用领域的扩大，碳纤维复材弯曲强度将迎来更广阔的发展前景，并在诸多领域中发挥更重要的作用。
第44卷增刊 原 子 能 科 学 技 术 V ol. 44, Suppl. 2010年9月 Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010收稿日期：2010-06-29；修回日期：2010-08-20基金项目：国家“863”计划资助项目（2008AA03A234） 作者简介：殷晓光（1986—），男，山东威海人，硕士研究生，材料科学与工程专业3D-C f /SiC 复合材料的弯曲强度及热膨胀性能分析殷晓光1，马 天2，李正操1，*，苗 伟1（1. 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，清华大学 材料科学与工程系，北京 100084；2. 中国人民解放军 总后勤部 军需装备研究所，北京 100082）摘要：采用料浆浸渗和CVI 工艺制备了含有ZrB 2陶瓷颗粒的3D-C f /SiC 复合材料，对其进行弯曲强度和线热膨胀系数测试，通过扫描电镜观察复合材料的表面及断口形貌。
结果表明，3D-C f /SiC 复合材料的弯曲强度为107.99 MPa ，满足一般热防护材料的使用要求；其线热膨胀系数随温度变化的规律是由于碳纤维和SiC 陶瓷基体之间线热膨胀系数的不匹配及热残余应力造成的。
关键词：3D-C f /SiC ；复合材料；弯曲强度；线热膨胀系数中图分类号：TL341 文献标志码：A 文章编号：1000-6931（2010）S0-0363-04Bending and Thermal Expansion Properties of 3D-C f /SiC CompositesYIN Xiao-guang 1，MA Tian 2，LI Zheng-cao 1, *，MIAO Wei 1（1. State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing , Department of Materials Science andEngineering , Tsinghua University , Beijing 100084, China ; 2. Quartermaster Research Institute ,General Logistics Department , People ’s Liberation Army , Beijing 100082, China ）Abstract ：3D-C f /SiC composites with ZrB 2 ceramic particle were prepared using chemical vapor infiltration (CVI) and slurry infiltration technology. The flexural strength and coefficient of thermal expansion (CTE) of the composites were analyzed. The surface and fracture morphology of the composites were studied using SEM. The results show that the 3D-C f /SiC composites have a average flexural strength of 107.99 MPa, which meets the basic requirements of thermal protection materials; the regularity of the way in which the CTE of the composites vary with temperature is resulted from the mismatch of CTE between the fiber and matrix as well as the residual thermal stress in the composites.Key words ：3D-C f /SiC ；composites ；flexural strength ；coefficient of thermal expansion3D-C f /SiC 复合材料具有高强度、低密度、高热导率、热稳定性好等优良特性，可满足 1 650 ℃以下长寿命、2 000 ℃以下有限寿命、 3 000 ℃以下瞬时寿命的使用要求[1]。
不同织物弯曲性能测试仪测试结果的比较吴巧英;胡滢;吴春胜;劳世慧【摘要】为研究不同仪器弯曲性能测试结果的稳定性及其相关性,选取FAST-2弯曲仪和YG(B)022D型全自动织物硬挺度仪作为对比仪器,测试了15种棉织物、毛织物、丝织物在0°、45°、90°以及135°方向上的弯曲性能,计算了弯曲刚度测试结果的变异系数,并用统计分析方法进行数据处理.结果表明:硬挺度仪对3类织物的测试结果稳定性明显优于FAST-2弯曲仪,差异程度从高到低排序依次是丝织物、毛织物和棉织物;2种仪器对毛织物的测试稳定性均优于其他2类织物,且2种仪器测试结果之间的相关系数达0.945,为强正相关.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2015(036)007【总页数】5页(P126-130)【关键词】弯曲性能;弯曲刚度;织物;误差分析【作者】吴巧英;胡滢;吴春胜;劳世慧【作者单位】浙江理工大学服装学院,浙江杭州310018;浙江理工大学服装学院,浙江杭州310018;浙江科技学院艺术设计学院,浙江杭州 310023;浙江理工大学服装学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TS941.2织物的弯曲性能对服装外观造型、成衣可加工性及穿着舒适性等方面有较大影响［1］，准确评价弯曲性能对于合理选用织物，控制服装产品质量有着重要的意义。
国内外研究者致力于对织物弯曲性能客观评价的研究，提出了许多测试方法和评价指标［2-3］，其中的斜面法因操作简单，评价指标明晰而成为纺织服装界应用最广泛的测试方法［4］。
斜面法应用悬臂梁力学模型［5］，测得弯曲长度，计算得到织物弯曲刚度，已成为各国的标准测试方法，如美国的ASTM，中国的GB等。
该法也被广泛应用于仪器的开发研制中，如澳大利亚联邦科学与工业研究所(CSIRO)的FAST-2弯曲测试仪，国产各型号手动或自动的织物硬挺度测试仪。
国内外学者的研究结果表明，斜面法中的弯曲刚度与其他方法如纯弯曲法［6-7］、水滴法［8］等测得的弯曲性能指标之间具有较高程度线性相关关系。
不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【摘要】为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异,通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物,并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板,对其进行了XYZ方向的弯曲实验.结果表明:三向正交结构由于内部纤维束近似平直,碳纤维束自身性能得到最大利用,对应复合材料经向弯曲强度最好;浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大,其厚度截面上的综合弯曲性能最好,且其他各方向的弯曲强度较为均衡;浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重,且经纱屈曲程度最大,对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差.%In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional ( 3-D ) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion ( VARI ) technology. The bending properties in three directions of XYZ were tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows:3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength in Z-warp directionand Z-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2017(038)009【总页数】6页(P66-71)【关键词】碳纤维;三维机织复合材料;弯曲性能;厚截面;角联锁结构;三向正交结构【作者】高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【作者单位】东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学民用航空复合材料协同创新中心,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TB332随着航空航天业的迅速发展，三维纺织结构先进复合材料制备[1-3]及结构性能拟合设计[4-6]的相关文献报道越来越多，但研究对象的截面厚度基本集中在10 mm 以下。
然而一些复合材料航空器的主承力结构需采用既能满足结构设计和使用要求又能降低结构质量的厚截面复合材料[7]，厚截面复合材料结构性能研究显得尤为重要。
近年来，已有学者对厚截面的三维机织复合材料结构性能进行研究，主要集中在拉伸压缩性能[8-10]以及厚截面复合材料制备工艺[11-12]等方面，对弯曲性能，尤其是不同三维结构的弯曲性能对比分析较少。
本文以三向正交、浅交直联、浅交弯联3种三维机织结构为例，通过设计并织造纤维体积含量相近，组织结构不同的厚截面碳纤维三维机织预制件，并采用真空辅助树脂成型(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)工艺制备相应复合材料，测试XYZ方向的弯曲性能，对比分析不同结构、不同方向的弯曲强度特性以及失效模式，旨在丰富厚截面三维机织复合材料力学性能数据库，为三维机织复合材料结构选取应用提供一定理论参考。
三维机织物是指纱线从一个平面到另一个平面在空间中相互交织或连接，从而形成的一个具有三维整体形态的稳定结构的织物，主要结构形式有角联锁和三向正交。
由于经纬纱交织倾斜状态以及经纱贯穿纱层数目的不同，可将常见角联锁结构分为浅交直联、浅交弯联(或C层正交、C层斜交)、深角联等。
图1示出本文实验采用的3种普遍应用的三维机织结构示意图。
1.1 实验准备选择线密度为450 tex的T-800级12 K碳纤维束织造，3种机织结构预制件均在单剑杆织机上织造完成，织物的测试参数见表1，织物平均厚度为16 mm，厚度方向层数约为23。
在复合材料制备方面，从经济以及时效性的角度来考虑，本文是在真空辅助成型的工艺基础上，通过设计合适导流网的形状尺寸以保证织物能被树脂完全浸润，并加设Dam条固定织物厚度以控制纤维体积含量，从而成功制备厚度相同、纤维体积含量近似的复合材料板。
实验所用树脂用于中温固化，单一组分的复配增韧环氧树脂体系，具体性能参数及特性见表2。
1.2 测试方法根据ASTM-D0790—2010《非增强和增强型塑料和电绝缘材料弯曲性能测试方法》进行测试。
测试样条跨度与厚度比为16∶1，即跨距L=16 d(d为试样厚度)；三点弯曲测试速度设定为1 mm/min；预加压力为5～10 N；持续加载至试样破坏或压力值下降超过25%时停止加载，实验结束。
由于复合后的三维机织试样厚度大，需按照测试标准对试样进行剖片处理，再切割样条并测试。
为确保试样中至少存在1个组织循环单元，剖片厚度定为2 mm。
经(纬)向测试样条真实尺寸为：长度L0=50 mm，跨距L=32 mm，宽度b=10 mm，厚度h=2 mm；厚度方向(Z经/纬)测试样条尺寸为：长度L0=50 mm，跨距L=32 mm，宽度b=15 mm，厚度h=2 mm。
1.3 纤维体积含量的确定纤维体积含量是复合材料力学性能的关键影响因素[13],因此，需要在控制纤维体积含量近似的条件下，才能对其力学性能进行较为准确的对比分析。
由于复合材料板件厚度H与其对应纤维体积含量Vf之间存在如下关系[14]：式中：M为预制件面密度，g/cm2；ρ为预制件纤维密度，1.81 g/cm3；H为预制件成型厚度，cm。
本文实验采用厚度为15 mm的Dam条固定预制件两侧，控制预制件被真空压缩的程度，以制备相同厚度的复合材料测试板，便于力学测试样条尺寸的设计。
经计算，三向正交、浅交直联和浅交弯联3种结构的复合材料纤维体积含量分别为44.9%，44.4%和46.7%，在实验过程中认为已达到近似纤维体积含量。
2.1 应力与应变曲线分析根据1.2测试方法，对3种不同结构的复合材料进行了经向、纬向、Z经和Z纬4个不同方向的三点弯曲测试。
每种结构每个方向测试5个样条。
图2示出3种结构不同方向对应的弯曲应力与应变曲线。
结合图2与测试过程分析可知，3种不同结构的机织复合材料弯曲加载变化近乎一致。
在测试开始阶段，样条承受弯曲载荷作用而发生近似线性关系的弹性形变；随着弯曲载荷的继续增加，样条承受应力达到最大值，此时样条表面树脂堆积挤压成白色粉状，压头对应位置出现裂痕，发出纤维脆断声，应力与应变曲线达到顶点，对应大小即为样条弯曲强度；随着树脂的开裂及纤维的脆断，弯曲应力与应变曲线呈阶梯状逐渐下降，尤其是角联锁结构；最后，随着应力破环量的积累，样条彻底失效。
上述失效模式与冯古雨等[5]提到的应力急剧下降略有不同，这与树脂韧性以及织物内部结构的屈曲累积有一定关系。
由于织物较厚，在织造以及树脂灌注过程中会发生经纬纱线之间以及真空袋对织物不同程度的挤压，从而导致织物以及对应复合材料内部纱线发生一定程度的屈曲。
而这种屈曲在表层纤维发生脆断后，直接影响弯曲夹具对样条压力的传递，因此发生不同程度的脆断，在应力与变应曲线上表示为阶梯状下降。
2.2 弯曲强度对比分析图3示出复合材料弯曲性能测试结果。
根据面内经纬向弯曲强度对比分析可知：三向正交结构由于经密远大于纬密，经向纤维体积含量大于纬向，从而经向弯曲强度明显高于纬向；对于浅交直联结构而言，虽然经密是纬密的2.7倍左右，但是经纱存在一定屈曲和损伤，导致经向性能显著下降，使其经纬向弯曲强度基本相近，并无太大差异(采用双尾双样本异方差t检验，t=0.52，远大于显著水平0.05，即2个样本总体均值无显著差异)；在浅交弯联中，经纱弯曲程度和摩擦损伤最为严重，导致其经向弯曲性能最差，甚至低于纬向弯曲性能。
对厚度截面上的弯曲强度进行对比分析可知：三向正交结构内部纱线近似直线分布，但是Z纱由于受到真空袋挤压而发生倾斜，见图3(a)，其厚度截面内的弯曲比经纬面内弯曲强度有所降低，但Z经和Z纬对比趋势与面内经纬向保持一致，Z经弯曲强度依旧远大于Z纬；而浅交直联结构中，经纱的屈曲对厚度截面内Z经弯曲强度的影响比对面内经向弯曲强度的影响要小，Z经弯曲强度大于Z纬，甚至大于经向弯曲强度，这也表明材料在厚度截面上抵抗外来载荷破坏的能力比面内经纬向的抗破坏能力更强；浅交弯联也属于角联锁结构，Z经弯曲强度也比面内经向弯曲强度大，这一点与浅交直联结构类似，厚度截面内的Z经Z纬的累积弯曲强度也比面内经纬向的大。
