芳纶2f炭混编三维编织复合材料力学性能实验
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关键词：三维编织复合材料；混编方式；拉伸；三点弯曲 中图分类号：Ｖ４４８．１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６⁃２７９３（２０１５）０４⁃０７２７⁃０６ ＤＯＩ：１０．７６７３ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃２７９３．２０１５．０５．０２３
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
第５期
１４４７—２００５） 和 《 纤 维 增 强 塑 料 弯 曲 性 能 试 验 方 法》 （ ＧＢ ／ Ｔ １４４９—２００５） 。 采 用 岛 津 ＡＧ⁃２５０ＫＮＥ 型 万 能 材料试验机测试，由电阻应变片测定应变，ＹＤ⁃１５ 型动 态电阻应变仪采集信号。 依据国标对大样切割制样， 如图 ２ 所示，拉伸、弯曲试样尺寸分别为 ２５０ｍｍ×２５ｍｍ
摘要：基于三维五向和三维六向编织结构，设计并制备了 ４ 种芳纶 ／ 炭混编三维编织环氧复合材料，对比分析了芳纶 ／ 炭纤维混编方式（混编比）对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。 结果发现， 同一种混编方式下，芳纶 ／ 炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料，而其横向弯曲性 能均低于三维六向编织复合材料；同一种编织结构下，炭纤维为轴纱 ／ 六向纱的芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和 弯曲性能较高；炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱 ／ 六向纱的 三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。 通过设计芳纶和炭纤维的混编方式，可进一步实现 三维编织复合材料性能的可设计性。
材料
密度 ／ （ ｇ ／ ｃｍ３ ） 拉伸强度 ／ ＭＰａ 拉伸模量 ／ ＧＰａ 断裂伸长率 ／ ％ 泊松比
炭纤维 Ｔ７００⁃１２Ｋ
１．７６ ４ ９００ ２３５
１．０ ０．２８
芳纶纤维 Ｋｅｖｌａｒ４９
１．４４ ３ ０００ １２７
２．４ ０．３０
环氧 ／ 酸酐 树脂体系
１．２０ １０３ ３．４５ １０．６ ０．３５
— ７２７ —
２０１５ 年 １０ 月
固体火箭技术
第 ３８ 卷
长率的炭纤维混杂制得的混杂复合材料，兼顾了强度、 刚度、韧性和质量等特性，既提高了芳纶纤维复合材料 的比强度和比模量，又增强了炭纤维复合材料的冲击 韧性。
Ｋｏｓｔａｒ［５］ 研究了芳纶与炭纤维混杂比 １ ∶ １、混杂 方式为双侧混杂的三维四向编织复合材料拉伸性能， 发现混杂复合材料拉伸强度和模量均高于单一芳纶纤 维和炭纤维三维编织环氧复合材料。 Ｗａｎ［６－７］ 研究了 芳纶纤维体积比分别为 ０％、２０％、４０％、６０％、８０％ 和 １００％时，芳纶 ／ 炭混杂三维四向编织马来酰亚胺复合 材料弯曲性能、剪切性能和冲击性能。 实验发现，芳纶 与炭纤维混杂比为 ２ ∶ ３ 的复合材料弯曲强度和模量 最大，均高于任何一种单一纤维复合材料；增加芳纶纤 维比例可提高混杂复合材料的抗冲击性能。 谷李华［８］ 采用了与 Ｗａｎ 相同的混杂比和混杂方式，对芳纶 ／ 炭 混杂编织物进行（ ＮＨ４ ） ２ＨＰＯ４ ＋Ｈ３ＰＯ４ 处理，制备了芳 纶 ／ 炭混杂三维四向编织环氧复合材料。 实验结果表 明，随着芳纶纤维比例的增加，冲击强度得到了很大的 改善；随着炭纤维比例的增加，材料弯曲性能显著提 高，表现出正混杂效应。 混杂纤维复合材料包括纤维 混杂和几何混杂两个层次［９］ ，纤维混杂是指不同纤维 间的混合；几何混杂是指编织结构不同位置上采用不 同的纤维。 作为几何混杂形式之一，混编是指编织纱、 轴纱和六向纱分别采用不同的纤维进行混和编织。 以 上研究工作大多围绕纤维混杂三维编织复合材料开 展。 与纤维混杂的芳纶 ／ 炭混杂复合材料不同，混编三 维编织复合材料性能的可设计性更强，加工过程对纤 维损伤最小。 方丹丹［１０］ 探讨了炭纤维体积比分别为 ０％、２０％、４０％、６０％、７５％、８２％ 和 １００％ 时， 编织纱为 炭纤维或玻璃纤维，轴纱为玻璃纤维或炭纤维交互布 置的 ７ 种混编方式玻璃 ／ 炭混编三维五向编织环氧复 合材料低速冲击和冲击后弯曲性能。 实验结果表明， 混编方式严重影响冲击和弯曲性能。
三维编织复合材料力学性能测试方法还没有统一 的标准，实验环境、操作方法参照《 纤维增强塑料性能 试验方法总则》 （ ＧＢ ／ Ｔ １４４６—２００５） ，拉伸和弯曲性能 测试参照《 纤维增强塑料拉伸性能试验方法》 （ ＧＢ ／ Ｔ
２０１５ 年 １０ 月
郝露，等：芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料力学性能实验
构件和具有某些特殊功能复合材料构件的备选材料之 一，用于航天和国防等高技术领域［３－４］ 。 常用的三维 五向和三维六向编织复合材料，可实现在特定方向上 的性能设计。 将高断裂伸长率的芳纶纤维与低断裂伸
① 收稿日期：２０１４⁃０８⁃２０；修回日期：２０１４⁃０９⁃２６。 基金基目：国家自然基金青年科学基金项目（１１１０２１３３） ；国家质量监督检验检疫总局项目（２０１２１０２６０） 。 作者简介：郝露（１９８８—） ，女，硕士生，研究方向为三维编织复合材料。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈａｏｌｕｄｅ１３１４＠ １２６．ｃｏｍ 通讯作者：孙颖（１９７４—） ，女，教授，研究方向为纺织结构复合材料制备与性能。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｙｉｎｇ＠ ｔｊｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
本文基于三维五向和三维六向编织结构，设计了 炭纤维作为编织纱、芳纶作为轴纱 ／ 六向纱，以及芳纶 作为编织纱、炭纤维作为轴纱 ／ 六向纱 ２ 种混编方式。 采用 树 脂 传 递 模 塑 （ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ， ＲＴＭ） 工 艺，制备了 ４ 种芳纶 ／ 炭混编三维编织环氧复合材料， 对比分析了芳纶 ／ 炭纤维混编方式（ 混编比） 对三维五 向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能和纵向、横 向弯曲性能的影响。
ＨＡＯ Ｌｕ，ＳＵＮ Ｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｅ⁃ｊｉａｎｇ，ＬＩ Ｊｉａ⁃ｌｕ
（ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ ａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
固体火箭技术
第 ３８ 卷第 ５ 期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｒｏｃｋｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５ ２０１５
芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料力学性能实验①
郝 露，孙 颖，张鹤江，李嘉禄
（ 天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，复合材料研究所，天津 ３００３８７）
１ 实验
为了使材料在特定方向上具有较突出的性能，在 三维四向编织结构基础上编入或同时编入平行于编织
— ７２８ —
方向、宽度方向和厚度方向的轴纱、六向纱和七向纱， 可分别形成三维五向、六向和七向编织结构，如图 １ 所 示［１１］ 。 其中，以三维五向和三维六向编织结构较为常 用。 文中芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料的芳纶选用 杜邦 Ｋｅｖｌａｒ４９，细度为 １５８０ｄＴｅｘ × ４ 合股，炭纤维选用 日本东丽公司 Ｔ７００，细度为 １２Ｋ，基体为环氧 ／ 酸酐树 脂体系，主体树脂选用天津晶东化学复合材料有限公 司生产的 ＴＤＥ ８６＃环氧树脂，组分材料参数见表 １。 在 天津工业大学复合材料研究所自制的三维编织机上编 织预制件，采用树脂传递模塑（ ＲＴＭ） 工艺，制备 ４ 种复 合材料平板大样，参数如表 ２ 所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ３Ｄ ５⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（５ｄ） ａｎｄ ６⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（６ｄ） ｂｒａｉｄｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ ｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ３Ｄ５ｄ ａｎｄ ３Ｄ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ５ｄ ｂｒａｉ⁃ ｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｒａｉｄｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ｙａｒｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｙａｒｎ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ． Ｗｈｅｎ ３Ｄ ５ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｓ ｂｒａｉｄｅｄ ｙａｒｎ，Ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ｙａｒｎ ａｎｄ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｅｒ ａｓ ｂｒａｉｄｅｄ ｙａｒｎ，ｃａｒｂｏｎ ｆｉ⁃ ｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｙａｒｎ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｉｒ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ａｒｅ ｉｍ⁃ ｐｒｏｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔａｉｌｏｒ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
第５期
１４４７—２００５） 和 《 纤 维 增 强 塑 料 弯 曲 性 能 试 验 方 法》 （ ＧＢ ／ Ｔ １４４９—２００５） 。 采 用 岛 津 ＡＧ⁃２５０ＫＮＥ 型 万 能 材料试验机测试，由电阻应变片测定应变，ＹＤ⁃１５ 型动 态电阻应变仪采集信号。 依据国标对大样切割制样， 如图 ２ 所示，拉伸、弯曲试样尺寸分别为 ２５０ｍｍ×２５ｍｍ
摘要：基于三维五向和三维六向编织结构，设计并制备了 ４ 种芳纶 ／ 炭混编三维编织环氧复合材料，对比分析了芳纶 ／ 炭纤维混编方式（混编比）对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。 结果发现， 同一种混编方式下，芳纶 ／ 炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料，而其横向弯曲性 能均低于三维六向编织复合材料；同一种编织结构下，炭纤维为轴纱 ／ 六向纱的芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和 弯曲性能较高；炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱 ／ 六向纱的 三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。 通过设计芳纶和炭纤维的混编方式，可进一步实现 三维编织复合材料性能的可设计性。
材料
密度 ／ （ ｇ ／ ｃｍ３ ） 拉伸强度 ／ ＭＰａ 拉伸模量 ／ ＧＰａ 断裂伸长率 ／ ％ 泊松比
炭纤维 Ｔ７００⁃１２Ｋ
１．７６ ４ ９００ ２３５
１．０ ０．２８
芳纶纤维 Ｋｅｖｌａｒ４９
１．４４ ３ ０００ １２７
２．４ ０．３０
环氧 ／ 酸酐 树脂体系
１．２０ １０３ ３．４５ １０．６ ０．３５
— ７２７ —
２０１５ 年 １０ 月
固体火箭技术
第 ３８ 卷
长率的炭纤维混杂制得的混杂复合材料，兼顾了强度、 刚度、韧性和质量等特性，既提高了芳纶纤维复合材料 的比强度和比模量，又增强了炭纤维复合材料的冲击 韧性。
Ｋｏｓｔａｒ［５］ 研究了芳纶与炭纤维混杂比 １ ∶ １、混杂 方式为双侧混杂的三维四向编织复合材料拉伸性能， 发现混杂复合材料拉伸强度和模量均高于单一芳纶纤 维和炭纤维三维编织环氧复合材料。 Ｗａｎ［６－７］ 研究了 芳纶纤维体积比分别为 ０％、２０％、４０％、６０％、８０％ 和 １００％时，芳纶 ／ 炭混杂三维四向编织马来酰亚胺复合 材料弯曲性能、剪切性能和冲击性能。 实验发现，芳纶 与炭纤维混杂比为 ２ ∶ ３ 的复合材料弯曲强度和模量 最大，均高于任何一种单一纤维复合材料；增加芳纶纤 维比例可提高混杂复合材料的抗冲击性能。 谷李华［８］ 采用了与 Ｗａｎ 相同的混杂比和混杂方式，对芳纶 ／ 炭 混杂编织物进行（ ＮＨ４ ） ２ＨＰＯ４ ＋Ｈ３ＰＯ４ 处理，制备了芳 纶 ／ 炭混杂三维四向编织环氧复合材料。 实验结果表 明，随着芳纶纤维比例的增加，冲击强度得到了很大的 改善；随着炭纤维比例的增加，材料弯曲性能显著提 高，表现出正混杂效应。 混杂纤维复合材料包括纤维 混杂和几何混杂两个层次［９］ ，纤维混杂是指不同纤维 间的混合；几何混杂是指编织结构不同位置上采用不 同的纤维。 作为几何混杂形式之一，混编是指编织纱、 轴纱和六向纱分别采用不同的纤维进行混和编织。 以 上研究工作大多围绕纤维混杂三维编织复合材料开 展。 与纤维混杂的芳纶 ／ 炭混杂复合材料不同，混编三 维编织复合材料性能的可设计性更强，加工过程对纤 维损伤最小。 方丹丹［１０］ 探讨了炭纤维体积比分别为 ０％、２０％、４０％、６０％、７５％、８２％ 和 １００％ 时， 编织纱为 炭纤维或玻璃纤维，轴纱为玻璃纤维或炭纤维交互布 置的 ７ 种混编方式玻璃 ／ 炭混编三维五向编织环氧复 合材料低速冲击和冲击后弯曲性能。 实验结果表明， 混编方式严重影响冲击和弯曲性能。
三维编织复合材料力学性能测试方法还没有统一 的标准，实验环境、操作方法参照《 纤维增强塑料性能 试验方法总则》 （ ＧＢ ／ Ｔ １４４６—２００５） ，拉伸和弯曲性能 测试参照《 纤维增强塑料拉伸性能试验方法》 （ ＧＢ ／ Ｔ
２０１５ 年 １０ 月
郝露，等：芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料力学性能实验
构件和具有某些特殊功能复合材料构件的备选材料之 一，用于航天和国防等高技术领域［３－４］ 。 常用的三维 五向和三维六向编织复合材料，可实现在特定方向上 的性能设计。 将高断裂伸长率的芳纶纤维与低断裂伸
① 收稿日期：２０１４⁃０８⁃２０；修回日期：２０１４⁃０９⁃２６。 基金基目：国家自然基金青年科学基金项目（１１１０２１３３） ；国家质量监督检验检疫总局项目（２０１２１０２６０） 。 作者简介：郝露（１９８８—） ，女，硕士生，研究方向为三维编织复合材料。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈａｏｌｕｄｅ１３１４＠ １２６．ｃｏｍ 通讯作者：孙颖（１９７４—） ，女，教授，研究方向为纺织结构复合材料制备与性能。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｙｉｎｇ＠ ｔｊｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
本文基于三维五向和三维六向编织结构，设计了 炭纤维作为编织纱、芳纶作为轴纱 ／ 六向纱，以及芳纶 作为编织纱、炭纤维作为轴纱 ／ 六向纱 ２ 种混编方式。 采用 树 脂 传 递 模 塑 （ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ， ＲＴＭ） 工 艺，制备了 ４ 种芳纶 ／ 炭混编三维编织环氧复合材料， 对比分析了芳纶 ／ 炭纤维混编方式（ 混编比） 对三维五 向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能和纵向、横 向弯曲性能的影响。
ＨＡＯ Ｌｕ，ＳＵＮ Ｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｅ⁃ｊｉａｎｇ，ＬＩ Ｊｉａ⁃ｌｕ
（ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ ａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
固体火箭技术
第 ３８ 卷第 ５ 期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｒｏｃｋｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．５ ２０１５
芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料力学性能实验①
郝 露，孙 颖，张鹤江，李嘉禄
（ 天津工业大学 先进纺织复合材料天津市和教育部共建重点实验室，复合材料研究所，天津 ３００３８７）
１ 实验
为了使材料在特定方向上具有较突出的性能，在 三维四向编织结构基础上编入或同时编入平行于编织
— ７２８ —
方向、宽度方向和厚度方向的轴纱、六向纱和七向纱， 可分别形成三维五向、六向和七向编织结构，如图 １ 所 示［１１］ 。 其中，以三维五向和三维六向编织结构较为常 用。 文中芳纶 ／ 炭混编三维编织复合材料的芳纶选用 杜邦 Ｋｅｖｌａｒ４９，细度为 １５８０ｄＴｅｘ × ４ 合股，炭纤维选用 日本东丽公司 Ｔ７００，细度为 １２Ｋ，基体为环氧 ／ 酸酐树 脂体系，主体树脂选用天津晶东化学复合材料有限公 司生产的 ＴＤＥ ８６＃环氧树脂，组分材料参数见表 １。 在 天津工业大学复合材料研究所自制的三维编织机上编 织预制件，采用树脂传递模塑（ ＲＴＭ） 工艺，制备 ４ 种复 合材料平板大样，参数如表 ２ 所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ３Ｄ ５⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（５ｄ） ａｎｄ ６⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（６ｄ） ｂｒａｉｄｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ ｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ３Ｄ５ｄ ａｎｄ ３Ｄ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ５ｄ ｂｒａｉ⁃ ｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｒａｉｄｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ｙａｒｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｙａｒｎ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ． Ｗｈｅｎ ３Ｄ ５ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｓ ｂｒａｉｄｅｄ ｙａｒｎ，Ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ｙａｒｎ ａｎｄ ３Ｄ ６ｄ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｅｒ ａｓ ｂｒａｉｄｅｄ ｙａｒｎ，ｃａｒｂｏｎ ｆｉ⁃ ｂｅｒ ａｓ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｙａｒｎ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｉｒ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ａｒｅ ｉｍ⁃ ｐｒｏｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔａｉｌｏｒ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｙｌｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｋｅｖｌａｒ ／ ｃａｒｂｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ３Ｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｂｒａｉｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ．
