缝合对复合材料力学性能的影响
- 格式：docx
- 大小：229.60 KB
- 文档页数：5
缝合对复合材料力学性能的影响
作者：谈昆伦刘黎明刘千段跃新肇研罗辑李超
来源：《纺织报告》 2012年第13期
1谈昆伦 2刘黎明 3刘 千 4段跃新 5肇 研 6罗 辑 7李 超
（1、2常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司 江苏常州 213135）
（3、4、5北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京 100191）
（6、7中航集团成都飞机工业有限公司 四川成都 610092）
[摘 要]本文对锁式缝合、链式缝合、无缝合三种碳纤维复合材料进行了拉伸、弯曲、短梁剪强度研究，并分析了其破坏模式。结果表明，较无缝合复合材料，锁式缝合、链式缝合两种缝合复合材料拉伸及弯曲强度下降，短梁剪强度上升。
[关键词]锁式缝合；链式缝合；拉伸强度；弯曲强度；短梁剪切强度
[中图分类号]TS101.92+1
先进树脂基复合材料具有强度高、可设计性等优异的特性，在军民用领域应用越来越广泛，但其层合结构导致其层间强度低、层间断裂韧性差、冲击损伤容限低等缺点。在受到外力作用时，易发生层间开裂，缝合技术是提高复合材料层间性能的最有效途径之一[1-8]。缝合技术又称缝纫技术是指采用缝合线使多层二维织物构成准三维立体织物或使分离的数块织物连接成整体结构的技术，采用缝合技术制备预成型体进而制备复合材料可以克服传统层合板层间性能差的缺点，但缝合线的引入会导致复合材料面内性能的降低。
本文针对碳纤维经编织物进行锁式缝合、链式缝合，比较两种缝合方式与无缝合复合材料的拉伸强度、弯曲强度及短梁剪强度，深入研究了缝合对复合材料面内及层间强度的影响规律，以及三种复合材料的破坏模式，为缝合复合材料结构件的应用提供科学及工艺基础。
1 实验部分
1.1 原材料及设备
原材料：两种缝合方式所用缝线均为杜邦公司Kevlar-29缝合线，复合材料树脂体系为CYTEC公司Cycom890树脂，碳纤维采用常州宏发纵横公司T700碳纤维经编织物，面密度为265g/m2。
设备：两种缝合设备分别为北京航空制造工程研究所锁式缝纫机与成都飞机制造有限公司链式缝纫机，拉伸强度、弯曲强度、短梁剪强度均采用Instron5982力学性能测试机。
1.2 复合材料层压板制备
所用预成型体为16层准各向同性T700碳纤维经编织物，采用真空吸注工艺（Vacuum
infusion process，VIP）制备碳纤维层压板，注射温度为90℃，固化工艺为160℃保温两小时，180℃后处理两小时。
2 结果与讨论
缝合使缝线穿过了织物预成型体的厚度方向，从理论上增强了织物预成型体的层间性能。但在增强层间性能的同时，会损失成型后复合材料板的面内性能。本节通过研究不同缝合方式增强层间性能的幅度的同时，综合考虑面内力学性能的损失大小，并研究不同缝合方式影响力学性能的微观机制。为缝合复合材料的应用建立理论基础。
2.1 缝合方式对拉伸性能的影响
对链式缝合（针距*行距：3*4、3*6）、锁式缝合（针距*行距：3*4、3*6）、无缝合三类复合材料进行拉伸性能测试，结果如图1所示：
从图1可以看出：
2.1.1对比无缝合复合材料平板，缝合复合材料板拉伸性能有所下降，这是因为，在缝合复合材料平板表面针脚处，存在着富树脂区，如图2所示。在测试过程中，拉伸试样针脚处的富树脂区强度低，是裂纹的起始点，并向邻近针脚处富树脂区扩展，直至拉伸式样断裂或失效，如图3所示。
2.1.2锁式缝合3*4拉伸强度比无缝合拉伸强度高。这是由两个因素的共同作用导致的。首先缝合线的存在在复合材料平板中引入了富树脂区，这会导致力学性能的下降；其次，缝合线的引入改变了拉伸试样的破坏模式，如图4所示。无缝合平板由于厚度方向没有缝线，层间得不到增强，在拉伸过程中，就已经发生层间开裂，缝合复合材料平板由于厚度方向的缝线增强了层间性能，在拉伸时阻碍了层间开裂，但针脚处引入了富树脂区，因而改变了破坏模式。两者的共同作用，使得锁式缝合3*4的拉伸性能略高于无缝合复合材料平板。
2.1.3对比无缝合织物，链式缝合织物拉伸强度下降严重，这种结果由缝合工艺导致。因为链式缝合缝线张力小，针脚处富树脂区尺寸较锁式缝合小，在同样的缝合参数下，平板力学性能理论上高于锁式缝合平板。但是由于链式缝纫机设备在国内引进不久，正处于调试过程，链式缝合也是首次开展，织物缝合质量差，脱针现象严重，导致成型后复合材料缺陷多，拉伸性能严重下降；
2.2 缝合方式对弯曲性能的影响
对链式缝合、锁式缝合、无缝合三类复合材料进行弯曲性能测试，结果如图5所示：
从图5可以看出，对比无缝合复合材料平板，缝合复合材料板弯曲性能下降严重。这是由以下两个原因导致。首先，如前图2所示，缝合在复合材料表面引入了大量富树脂区，当试样受到弯曲载荷时，这些在受压表面及受拉表面的富树脂区首先产生裂纹并向其它富树脂区扩展，直至最后破坏，如图6所示；其次，缝合复合材料平板厚度大于无缝合复合材料平板，因为织物上下表面缝线具有一定的厚度，碳纤维体积分数降低，形成一个缝线/树脂层，kevlar缝线充当了面内增强材料的角色，但强度小于碳纤维，因而弯曲强度下降。
缝合线的引入虽然降低了复合材料的弯曲强度，但却可以起到增韧的作用。如图7所示，当卸掉弯曲载荷后，无缝合复合材料回复刚直的原状，而缝合复合材料试样依旧成弯曲状，这是因为无缝合复合材料刚性较强，而缝合复合材料由于缝线的引入增加了复合材料的韧性。
2.3 缝合方式对短梁剪强度的影响
对链式缝合、锁式缝合、无缝合三类复合材料进行短梁剪强度测试，结果如图8所示。
从图8可以看出，对比无缝合复合材料，链式缝合复合材料平板短梁剪强度有所提高，但提高幅度不大，这可以从缝合操作工艺上解释（首次引进，缝合织物表面缺陷严重，起毛、脱针现象分布在整个织物表面），锁式缝合3*4复合材料短梁剪强度提高较大，从理论上可以合理的解释，而锁式缝合3*6短梁剪强度非但没有提高，反而下降。
3 结论
通过对锁式缝合、链式缝合、无缝合三种复合材料层压板拉伸强度、弯曲强度、短梁剪强度测试，研究了不同缝合方式对层压板面内及层间性能的影响。通过实验分析得到以下结论：链式缝合层压板拉伸性能低于锁式缝合层压板，拉伸破坏模式的改变导致锁式缝合3*4的拉伸性能较无缝合更高；富树脂区的存在导致两种缝合方式弯曲性能下降严重；厚度方向缝线的引入使两种缝合方式短梁剪强度增加；缝合增加了复合材料的韧性。
参考文献:
(1) 沈真．复合材料结构设计手册[M]． 北京：航空工业出版社，2001.
(2) 邵雪明,胡金莲. 预制件中缝合纱线对渗透特性影响的研究 [J]. 纺织学报, 2003, 24
(2) _3.
(3) 程小全,,郦正能,赵龙．缝合复合材料制备工艺和力学性能研究[J]．力学进展,2009,39(1)：89.
(4) 王春敏. 三维缝合复合材料力学性能的研究进展[J]．材料导报,2010年5月第24卷专辑15.
