2D编织混杂复合材料圆管压缩和弯曲性能研究

马小菲，张国利，朱有欣，陈光伟

（天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387）

2D编织混杂复合材料圆管压缩和弯曲性能研究

马小菲，张国利，朱有欣，陈光伟

（天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387）

通过玻璃/芳纶混杂纤维复合材料圆管的轴向静态压缩和三点弯曲实验，分析了复合材料圆管的压缩及弯曲性能，探讨了编织角和纤维混杂比对复合材料圆管压缩及弯曲性能的影响，并对其破坏形式进行了分析.结果表明：当编织角分别为30°、45°和60°时，玻璃/芳纶混杂比为1:1时圆管的压缩强度最低，圆管2G/2K-60的压缩强度最低为58.4 MPa，比纯玻璃纤维圆管G-60降低了约31.7%；另外，在相同编织角下，玻璃/芳纶混杂比为1:3时圆管的弯曲强度最高，复合材料圆管G/3K-30具有最好的弯曲性能；当玻璃/芳纶混杂比分别为3:1、1:1和1:3时，编织角越小，圆管的压缩强度和弯曲强度越大.可见，复合材料圆管的压缩和弯曲破坏机理与纤维混杂比及编织工艺参数有关.

复合材料；2D编织管；混编；压缩强度；弯曲强度

复合材料圆管以其轻质高强、结构稳定性好而在工程结构中有着广泛的应用.它是一种受力形式合理的结构元件，在使用过程中易受压缩和弯曲加载，此时圆管的压缩性能和弯曲性能对结构的承载能力和使用寿命就显得尤为重要，因此对复合材料圆管的压缩和弯曲性能的研究无疑具有重要的理论意义和工程应用价值[1-2].目前，对于复合材料圆管的研究很多.常用的复合材料圆管的制备方法有铺层、缠绕以及编织等[3-7].杜刚等[8]研究了复合材料圆管端部加缠碳纤维对其轴压性能的影响，发现在轴压载荷作用下，端部加强能减小圆管的径向变形，并能更好地传递载荷，对提高复合材料圆管的压缩性能有利.Potluri[9]研究了具有不同编织层数和编织角的双轴和三轴编织复合材料圆管的弯曲和扭转性能，并建立了理论方法且将其和实验结果进行了对比.Jitendra等[10]研究了不同编织角（25°、30°和 45°）对二维编织复合材料力学性能的影响，发现随着编织角增加，材料的拉伸强度、模量和泊松比明显降低.随着复合材料的应用越来越广泛，混杂纤维复合材料受到人们越来越多的关注.玻璃纤维弹性模量较低，但与树脂的浸透性好，且价格低廉.芳纶纤维具有拉伸强度、模量高以及优良的抗冲击和抗疲劳性能，但其价格较贵.将玻璃纤维和芳纶纤维混杂后，不仅可以降低材料成本，还可以使材料产生混杂效应，提高材料的性能和使用范围.许多研究者针对混杂复合材料的性能也提出了很多实验方法和理论研究[11-13].本文采用二维编织技术制备了玻璃/芳纶混编圆管，并对其增强复合材料圆管进行了压缩和弯曲试验，研究了编织角和纤维混杂比例对复合材料圆管压缩性能和弯曲性能的影响，为混杂纤维增强复合材料圆管的进一步应用奠定基础.

1 实验部分

1.1 原料

实验采用的原材料为JL-236高强度环氧树脂（拉伸强度：75 MPa，拉伸模量：2 600 MPa，玻璃化转变温度：80 ℃，密度：0.98 g/cm3）、南京玻璃纤维研究院生产的玻璃纤维和DuPont公司生产的的Kevlar49，其材料性如见表1所示.

表1 纤维性能参数表Tab.1 Fiber parameters of composite pipes

1.2 编织参数及纤维混杂比

1.2.1 编织角大小及纤维体积含量分析

编织时采用成型编织工艺，即将纱线编在具有一定形状的芯模上，形成一个交叉网状的复合材料预制件.芯模为直径32 mm、长500 mm的圆棒.编织角是指纱线相互交织时和织物成型方向形成的夹角，是编织结构中重要的几何参数.本实验中采用64锭二维编织机进行编织，编织角设定为30°、45°和60°.

混杂圆管中2种纤维的混杂比为纱线根数之比，其纤维体积分数不仅与混杂比有关，而且还取决于纱线的密度和线密度.因此，有必要对混杂后的纤维体积分数进行分析，以更好地分析其力学性能.

二维编织中纱线在圆管周向形成了大量的组织循环，编织结构为2×2编织结构.在编织过程中，一半的携纱器沿顺时针方向移动，另一半携纱器沿逆时针方向运动.在此基础上建立分析编织几何结构的单胞模型，如图1所示.

图1 编织单胞Fig.1 Braid unit cell

图1（a）为圆管表面的编织结构示意图，图1（b）为单个组织循环的几何结构示意图.根据图1（b）的几何结构进行编织圆管纤维体积含量的计算.

编织圆管沿周向被分成N/4个组织循环，N为携纱器的数目.

单胞的宽度为w

ABCD代表一个单胞，单胞内纱线的长度为L，BC为单胞ABCD的边长，

单胞内纱线的质量为m，玻璃纤维和芳纶纤维的混杂比为n，则：

单胞内纤维的体积v为

单胞的体积为v1，则

由以上方程可得到纤维体积含量为

式中：R为芯轴半径；α为编织角；ρc、ρk分别为玻璃、芳纶纱线密度（g/cm3）；Tc、Tk分别为玻璃、芳纶纱线的线密度（tex）；t为复合材料厚度（mm）；（1+Z）为由于纱线交织产生卷曲的紧密因数，一般情况下，1≤1+Z≤2，本文中Z取0.2.

1.2.2 玻璃/芳纶纤维混杂比

玻璃纤维和芳纶纤维按体积比3:1、1:1和1:3进行混杂，编织时将玻璃纤维和芳纶纤维缠绕的纱管按设定的比例分别在锭子上进行放置，不同体积比形成的织物纱线结构如图2所示.

图2 不同混杂比对应的织物纱线结构（灰色-芳纶纱，白色-玻璃纱）Fig.2 Fabric yarn structure with different hybrid ratioes

1.3 圆管试样制备

复合材料圆管的制备过程：首先在芯模上编织一层织物，然后在织物上涂覆树脂，随后进行下一层的编织，每编织一层涂覆一次树脂，总共编织6层，编织完成后将其放入烘箱进行固化，固化条件为50℃/3 h→100℃/4 h冷却至室温.每个圆管试件的长度、外径均为500 mm、36 mm.圆管编织参数如表2所示，加工完成的试件如图3所示.

图3 编织复合材料圆管试件Fig.3 Specimen of braided composite pipe

1.4 压缩实验

本研究参照GB/T5350-2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》.依据标准在圆管上裁取高度为30 mm的压缩试件5个.试验在岛津AG-250KNE型万能材料试验机上完成，加载速率为2 mm/min.

表2 试件编织参数Tab.2 Structure parameters of composite pipes

1.5 三点弯曲实验

圆管弯曲实验采用三点弯曲实验方案，实验装置如图4所示.

图4 三点弯曲实验装置Fig.4 Test device of three-point bending

参照GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》.对于复合材料薄壁圆管，若采用常用的实验装置，容易产生应力集中和挤压破坏，会降低试件的弯曲刚度和强度，因此需加辅助装置，将压头和支座的支点处设计成加一倒角的半圆环做过渡装置，如图4（a）所示，压头和支座为Φ36 mm的半圆.

圆管弯曲试验样品长度为350 mm，跨距L为300 mm.弯曲实验可在岛津AG-250 KN试验机上完成，如图4（b）所示，每种样品实验数量为3个.复合材料圆管的弯曲强度和模量是按复合材料力学的方法进行计算，弯曲强度σ和弯曲模量E的计算式为

式中：PB为破坏载荷；l为跨距；f为试样对应P的跨中挠度；D为圆管外径；d为圆管内径.

2 结果与分析

2.1 复合材料圆管的压缩实验结果与分析

图5给出了各个圆管试样压缩试验的载荷-位移曲线.

图5 圆管试件载荷-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of compression

从图5中可以看出：①在圆管达到压缩破坏前，载荷-位移曲线基本呈线性状态；②对于混编圆管，当编织角较大时，圆管在达到最大载荷后曲线呈较平缓的下降趋势，失效后强度退化变得缓慢，说明圆管的强度保留率较好.

图6和图7分别给出了各复合材料圆管的平均压缩强度和模量.

图6 复合材料圆管平均压缩强度Fig.6 Average compression strength of composite pipe

图7 复合材料圆管平均压缩模量Fig.7 Average compression modulus of composite pipe

从图6和图7中可以看出：①对于混杂比相同的复合材料圆管，编织角越小，圆管的压缩强度和模量越大：G-60型圆管比G-30型圆管压缩强度降低了约27%，2G/2K-60型圆管比2G/2K-30型圆管压缩强度降低了约22%.这是由于编织的复合材料管中纤维方向与管的轴向取向较好，压缩时大部分的载荷由纤维方向承载，此时复合材料管具有高强度和高模量，大大增强了管抵抗轴向变形的能力.随着编织角度的增大，纤维方向受到的分力减小，纤维横向受到的载荷增大.由于纤维在纵向（纤维方向）的强度远大于纤维横向强度导致纤维在较小压缩载荷时发生断裂.所以随编织角度的增大，复合材料管的压缩强度逐渐减小.另外，对于混杂比为3:1、1:1、1:3的混编圆管，编织角为45°时，圆管的压缩模量较低.②当编织角相同时，随芳纶纤维含量增加，圆管压缩强度先降低后增加：当编织角为 30°时，混杂比为 3:1、1:1、1:3 时混编圆管的压缩强度比纯玻璃圆管压缩强度分别降低了约19.6%、30.7%、25.5%，混杂比为1:1时圆管压缩强度最低，且混编圆管压缩强度均小于纯玻璃纤维圆管的压缩强度.从中可以看出，在纯玻璃圆管中加入芳纶纤维会明显降低圆管的压缩强度，这和芳纶纤维压缩性能较差有关.

2.2 弯曲实验结果与分析

2.2.1 编织角对复合材料圆管弯曲性能的影响

图8给出了圆管三点弯曲实验的载荷-位移曲线.

储能式螺柱焊焊接需要将设置好的能量额度冲入电容内，随后焊接时，能量从电容中一次性全部释放，用于焊接，焊接时间为1-5毫秒。储能式螺柱焊的焊接能力有限，一般运用于焊接直径3-10毫米的螺柱。

图8 三点弯曲实验载荷-位移曲线Fig.8 Load-displacement curve of three-point bending

由图8可见，在应力水平达80%前线性很好，以后稍有偏离.当纤维混杂比一定时，载荷位移曲线随编织角的增大逐渐下移.对编织角较大的材料，在达到最大载荷前，曲线表现出较明显的非线性.另外，当载荷超过材料的最大载荷时，材料并没有像脆性材料那样立刻断裂，而是出现一定程度的卸载，表明了试件损伤破坏的积累过程.从图中还可以看出，在纯玻璃圆管中加入芳纶纤维后，这种现象更明显.这说明加入芳纶纤维后圆管的弯曲韧性明显增大.

根据公式（1）和（2）计算复合材料圆管的弯曲强度和模量，复合材料圆管平均弯曲强度和模量如图9和图10所示.

从图9中可看出：当混杂比一定时，编织角越小，圆管的弯曲强度越大.混杂比为1:3时，G/3K-30型圆管的弯曲强度高达103.5 MPa，比G/3K-60型圆管弯曲强度提高了约45%.对于圆管的平均弯曲模量，从图10中可看出，纯玻璃纤维圆管和玻璃纤维和芳纶混杂比为1:1和1:3时，随编织角增加，圆管的弯曲模量依次降低；对于混杂比为3:1时的混编圆管，编织角为45°时圆管的弯曲模量最小，且3G/K-45型圆管的弯曲模量仅为0.88 GPa，比3G/K-60圆管的模量降低了约23.4%，这可能和3G/K-60圆管的纤维体积含量较大有关.

图9 复合材料圆管平均弯曲强度Fig.9 Average bending strength of composite pipe

图10 复合材料圆管平均弯曲模量Fig.10 Average bending modulus of composite pipe

2.2.2 混杂比对复合材料圆管弯曲性能的影响

混杂比对复合材料圆管弯曲性能有重要影响.树脂基纤维增强复合材料在受载时，纤维承担了较大的载荷，材料破坏主要由纤维断裂引起.由于玻璃纤维的断裂应变小于芳纶纤维的断裂应变，使用位移加载时，玻璃纤维先于芳纶纤维断裂，断裂的玻纤周围还存在没有达到断裂伸长的芳纶纤维，树脂的存在使玻璃纤维与芳纶纤维间存在一定的包围粘接，因此已断的玻璃纤维束仍有部分的承载能力，同时，混杂复合材料圆管中未断裂的芳纶纤维可继续承载.

3 破坏模式与机理分析

3.1 压缩破坏模式与机理分析

在实验过程中，随着加载进行，复合材料圆管的径向尺寸变大，且加载面的尺寸大于另一端的尺寸大小，一般在圆管内部产生压裂破坏.

各组试件压缩后的破坏模式在宏观上表现为2种基本的破坏模式：局部屈曲和劈裂破坏，如图11所示.

图11 复合材料圆管的压缩破坏形式Fig.11 Compression failure modes of composite pipe

图11（a）为局部屈曲破坏模式，是指圆管在压缩过程中，纤维束在某些区域发生屈曲，使基体挤压和剪切，然后基体发生断裂，随着屈曲变形的增大，纤维受到很大的拉伸变形而断裂，导致圆管表面产生褶皱，但由于剩余其他纤维的支撑，圆管破坏后整体仍保持完整性.在圆管试件中这种破坏模式占大多数，主要发生在除 2G/2K-60、G/3K-60、G/3K-45外的其他圆管中.

图11（b）为劈裂破坏模式，其特点是在压缩过程中由于载荷迅速增大而导致裂纹迅速扩展，从而引起样品的突然破坏.裂缝沿纤维编织方向扩展，基体破坏，部分纤维断裂，在试件表面产生劈裂破坏现象.2G/2K-60、G/3K-60和G/3K-45圆管属于劈裂破坏模式.这是由于在压缩初期载荷急剧增大，加之试件的内部缺陷导致裂纹迅速扩展，初始的主要能量耗散方式就是有限的几个裂纹扩展，从而引起试件突然破坏.

不同混杂比的复合材料圆管压缩破坏现象也有所不同.对于纯玻璃纤维圆管，如图11（c）所示，在压缩过程中由于纤维可能受到弯曲、局部屈曲以及横向剪切力而导致圆管内部会产生许多小裂纹，且向各个方向不断扩展，在圆管内部和外部沿圆管轴向编织角方向有明显的裂痕，脆性破坏明显.对于混杂比3:1的复合材料圆管3G/K-30，如图11（d）所示，由于圆管中存在的芳纶纤维，随着加载进行，玻璃纤维由于横向剪切断裂，芳纶纤维产生屈曲.由于芳纶纤维屈曲变形的影响，破坏后的混杂圆管并没有表现出如纯玻璃纤维圆管那样明显的脆性破坏.而对于芳纶含量较高的圆管G/3K-30，圆管表面的褶皱较圆管3G/K-30更加明显，这和芳纶纤维大的延展性和变形能力有关.

3.2 弯曲破坏模式与机理分析

复合材料圆管弯曲受力时主要承受拉、压2种应力状态，上表面受压，下表面受拉，本实验中圆管的弯曲失效主要是由于上表面受压导致的破坏.

圆管在弯曲破坏时有2种失效模式：第1种，弯曲时顶部受压缩沿编织角方向发生分层破坏；第2种，弯曲时顶部受压缩产生压缩破坏.

图12为不同试件的弯曲破坏照片，对于纯玻璃纤维圆管如G-60，圆管上表面纤维和基体断裂，有明显弯曲折痕，沿编织角度方向发生分层破坏，下表面受拉但没有产生破坏，圆管表现为明显的脆性破坏.

图12 弯曲破坏后的复合材料圆管试件Fig.12 Bending failure modes of composite pipe

当玻璃纤维和芳纶纤维混杂比为3:1时，圆管弯曲破坏模式与纯玻璃纤维圆管相似，均为沿编织角度方向发生分层破坏，脆性破坏不如纯玻璃纤维圆管明显.由于芳纶纤维大的延展性和变形性，随芳纶含量增加，2G/2K-60、G/3K-45和G/3K-60这3种圆管在受压侧产生了严重的皱折现象，材料没有表现出明显的脆性断裂，在弯曲变形下材料的韧性较好.2G/2K-30、2G/2K-45和G/3K-30这3种圆管弯曲破坏时顶部发生压缩破坏，在受拉面（下表面）上沿轴向出现许多颜色明显变浅的拉痕，裂纹的扩展沿圆管轴向表现出规律性，但未发生完全断裂.

4 结论

通过对二维混编复合材料圆管的压缩和弯曲实验，得到如下结论：

（1）当编织角相同时，玻璃/芳纶混杂比为1:1时圆管的压缩强度最低；对于混杂比相同的混编圆管，编织角为45°时圆管的压缩模量最低.

（2）圆管编织角相同时，随芳纶含量增加，圆管的弯曲强度先降低后增加，混杂比为1:3时圆管的弯曲强度最高，G/3K-30复合材料圆管的弯曲性能最好.

（3）圆管编织角为30°时，随芳纶含量增加，圆管的弯曲模量逐渐增加；当编织角分别为45°和60°时，随芳纶含量增加，圆管弯曲模量先降低后增加，玻璃/芳纶混杂比为3:1时圆管的弯曲模量最低.

（4）纯玻璃纤维复合材料圆管的压缩和弯曲脆性破坏较混编圆管明显，压缩破坏模式主要为局部屈曲和劈裂破坏；弯曲破坏时主要是由上表面受压产生的分层破坏和压缩破坏.

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Investigation of compression and flexural performance of 2D braided hybrid composite pipe

MA Xiao-fei，ZHANG Guo-li，ZHU You-xin，CHEN Guang-wei
（Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Quasi-static axial compression and three point bending tests are performed to study the compression and flexural performance of glass/kevlar hybrid composite pipe.The effect of braiding angle and fiber hybrid ratio on the compression and flexural performance of composite pipe are investigated and the fracture features are also analyzed.It is found that when the braiding angle is 30°， 45°and 60°respectively， the compression strength of composite pipe with glass/kevlar hybrid ratio 1:1 is the lowest.The compression strength of 2G/2K-60 is 58.4 MPa， it decreases about 31.7%compared with pure glass fiber pipe G-60.In addition， with the same braiding angle，the bending strength of the tube is the highest with glass/kevlar hybrid ratio 1:3.The tube G/3K-30 has the best bending performance.When glass/kevlar hybrid ratio is 3:1， 1:1 and 1:3 respectively， the smaller braiding angle is，the bigger compression strength and bending strength will be.It is found that the fiber hybrid ratio and braiding parameters have an important influence on the compression and flexural failure mechanism of composite pipe.

composite；2D braided pipe；hybrid；compression strength；bending strength

TB332

A

1671-024X（2014）03-0017-07

2013-12-18

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA03A201）；教育部科学技术研究重点项目（211007）；天津市高等学校科技发展基金计划项目（2012ZD02)

马小菲（1987—），女，硕士研究生.

张国利（1964—），男，研究员，硕士生导师.E-mail：guolizhang@tjpu.edu.cn