三维编织与层合复合材料力学性能对比试验

张 迪， 郑锡涛， 孙 颖， 范献银

(1.西北工业大学 航空学院， 西安710072； 2.天津工业大学 复合材料研究所， 天津 300160)

三维编织与层合复合材料力学性能对比试验

张 迪1， 郑锡涛1， 孙 颖2， 范献银1

(1.西北工业大学 航空学院， 西安710072； 2.天津工业大学 复合材料研究所， 天津 300160)

对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺(RTM)加工的三维多向编织和层合板复合材料的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合材料利用帘子布制成，分别为0°单向板、90°单向板和层合板[0/(±45)2/90]2s。采用相同的拉伸、压缩和剪切试验方法对各类试样进行试验。结果表明：与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低；编织结构也是影响编织试样力学性能的重要因素。同时，对试样的破坏模式也进行了讨论，发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。

复合材料；三维编织；试验；力学性能；破坏模式

近30年来，国内外学者开展了大量针对三维编织复合材料的研究工作[1～10]。三维编织复合材料作为一种新型复合材料具有很多传统材料所不具有的优点，它突破了传统复合材料层合结构的概念，具有复杂的空间网络互锁结构，且克服了传统的复合材料层合板层间性能弱、抗冲击性能差等弱点，目前已在航空航天、生物医疗、体育用品等方面得到应用[11～13]。文献[14～19]分别对三维四向、五向和六向编织复合材料进行拉伸、压缩以及弯曲力学性能及破坏机理的试验研究，李翠敏等[20]研究三维四向、五向编织复合材料的剪切性能及剪切破坏模式，钟崇岩等[21]研究不同编织方法对三维全五向编织复合材料拉伸性能的影响，曹海建等[22]对比研究三维全五向和三维五向编织复合材料的压缩性能。

但截至目前，从碳纤维复合材料体系来看，前期大量研究工作主要是针对层合复合材料或者单一编织结构制备的三维编织复合材料的独立研究，鲜有利用相同原材料和相同工艺制备的不同结构复合材料的对比研究。目前主要缺少两个方面问题的研究：(1)三维编织复合材料作为一种新型复合材料，缺少其与传统经典层合复合材料的力学性能对比研究；(2)三维编织包含三维四向、三维五向、三维六向和三维七向等编织结构，缺少不同编织结构制备的编织材料的力学性能对比研究。这在很大程度上阻碍三维编织复合材料的相关理论研究和工程应用。

本工作首次对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺(RTM)加工的多种三维多向编织和层合复合材料的力学性能，以期通过试验分析三维编织复合材料与层合复合材料之间力学性能的差异，同时分析不同编织结构和编织角对三维编织材料力学性能的影响。

1 试验

分别对三维编织复合材料与层合复合材料进行拉伸、压缩和剪切三类试验。三维编织试样分为四种编织结构(三维四向、三维五向、三维六向和三维七向)和两种编织角(20°和40°)；层合板试样铺层分别为0°单向板、90°单向板和多向层合板，其中多向层合板铺层形式选用航空工程中常用的具有代表性的对称均衡铺层方式[0/(±45)2/90]2s。所有试样均选用T700-12K碳纤维为增强相、TDE86环氧树脂为基体相。各类试样的纤维体积含量如表1所示，试样均由天津工业大学复合材料研究所制备。

拉伸试验参照标准ASTM D3039进行，拉伸试样长度和宽度分别为250mm和25mm(0°单向板宽度为15mm)，厚度为3.5mm，拉伸试样两端粘贴长为50mm，宽为25mm，厚为2mm的铝制加强片，见图1。压缩试验参照ASTM D6641标准进行，采用组合加载压缩(CLC)试验夹具，压缩试样长度和宽度分别为140mm和12mm，厚度为3.5mm，见图2。剪切试验参照ASTM D5379 标准进行，剪切试样长76mm，宽为20mm，厚为5mm，缺口高度为10mm，见图3。所有力学性能试验均在室温环境下由型号为CSS-44100电子万能试验机完成，拉伸试验加载速率设置为2mm/min，压缩试验加载速率设置为1.3mm/min，剪切试验加载速率设置为2.0mm/min。所有试样均采用电阻应变片采集应变数据，电阻应变片正反面对称粘贴，参见图1、图2和图3。每组有效试样5件。

表1 各类试样纤维体积含量(%)

(注：0°代表0°单向板，90°代表90°单向板，Laminate代表多向层合板，3D4d代表三维四向，3D5d代表三维五向；A和B分别代表20°和40°编织角，其余以此类推)

图1 拉伸试样几何尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimens

图2 压缩试样几何尺寸Fig.2 Dimensions of compressive specimens

图3 剪切试样几何尺寸Fig.3 Dimensions of shear specimens

三维编织试样的制作过程为：首先所有试样均根据要求厚度采用相应的编织工艺编织成预成型件，然后采用树脂传递模塑工艺(RTM)固化成型，最后严格按照试验标准的尺寸及精度要求裁剪成标准试样，裁剪不会影响试样的基本力学性能。虽然三维编织剪切试样V型缺口的加工会造成一部分的纤维断裂，但是在剪切力所作用的剪切平面上纤维依旧完好，所以所测性能依旧能够代表材料的剪切性能。

2 结果与分析

各类试样的拉伸、压缩和剪切试验结果见表2，表2中所列数据为每组五个试样的平均值。从表中可以看出，对于拉伸和压缩性能，各类试样的统计结果离散系数基本都在15%以内；而剪切试样的试验结果离散系数较大。下面将对比分析各类试样的力学性能。

2.1 三维编织复合材料与层合复合材料性能对比

各类试样力学性能对比如图4所示。对于纵向拉伸和压缩性能，弹性模量与强度分布规律基本一致，0°单向板最高，90°单向板最低，三维多向编织试样均高于多向层合板试样。对于剪切性能，三维多向编织试样普遍高于单向板和多向层合板试样。因为复合材料的纵向性能主要由纤维束决定，在纤维体积含量相同情况下，0°单向板纵向纤维含量最多，90°单向板无纵向纤维，三维编织试样纤维在空间呈网状互锁交错分布，等效到纵向的纤维含量高于多向层合试样，故三维编织试样强度和模量高于多向层合板试样。

表2 各类试样力学性能数据

图4 编织与层合试样力学性能对比 (a)纵向拉伸强度；(b)纵向压缩强度；(c)剪切强度；(d)纵向拉伸模量；(e)纵向压缩模量；(f)剪切模量Fig.4 Mechanical properties comparison between braided and laminated structures (a)longitude tensile strength;(b)longitude compressive strength;(c)shear strength;(d)longitude tensile modulus;(e)longitude compressive modulus;(f)shear strength modulus

2.2 不同编织结构和编织角的三维编织材料性能对比

●If finding frost in the morning, spread ashes of yak dung and firewood directly on crops.

图5对比了四种编织结构在两种内部编织角下的纵向拉伸、压缩和剪切性能。

从图5可以看出，编织结构对材料性能有所影响。对于内部编织角为20°的四种编织试样，三维五向编织试样的纵向性能最高，其拉伸强度略低于三维四向编织试样，这主要是由于两种试样的编织纱线行列数不同以及三维五向复杂的编织结构使得编织过程中容易对纱线造成损伤导致的。纵向拉压强度与弹性模量的变化规律基本一致，三维四向编织试样的剪切性能最高。这主要是因为在纤维体积含量相同时，三维五向编织试样由于加入了第五向轴纱，直接导致纵向性能的提高，和剪切性能的降低，而六向和七向试样增加横向和法向纱，这对纵向性能几乎没有影响，但导致纵向性能的降低，也不足以弥补剪切性能的下降，所以在四种编织试样中三维五向编织试样的纵向性能必然最高，三维七向编织试样的力学性能最低。对于内部编织角为40°的四种编织试样，三维六向编织试样的纵向拉压性能最高，纵向拉压强度与弹性模量的变化规律基本一致，这与20°编织角时得到的结论不一致。由于编织角较大，在纵向加载过程中，纤维和基体更容易分离，从而产生裂纹，而三维六向编织结构引入了纬纱，纬纱有效地减缓了裂纹的生长速率，并且使编织纱和轴纱更有效地结合在一起，提高试样的模量和强度，而当法向纱加入后，编织结构更加复杂，等效到纵向的纤维含量明显降低，同时也提高了孔隙率，从而导致纵向拉压性能大幅下降。三维四向编织试样的剪切性能依然最高，并随着纵向、横向和法向纱的引入，剪切性能逐渐降低。

图5 不同编织结构力学性能对比 (a)纵向拉伸强度；(b)纵向压缩强度；(c)剪切强度；(d)纵向拉伸模量；(e)纵向压缩模量；(f)剪切模量Fig.5 Mechanical properties comparison of different braided structures (a)longitude tensile strength;(b)longitude compressive strength;(c)shear strength;(d)longitude tensile modulus;(e)longitude compressive modulus;(f)shear strength modulus

编织结构相同时，20°编织角试样的拉伸和压缩性能普遍高于40°编织角试样，40°编织角试样的剪切性能普遍高于20°编织角试样，只有图5c中编织角为20°的三维五向编织剪切试样例外，这可能是由于试验误差所致。因拉压性能主要由纤维束在纵向的承载能力决定，而剪切性能主要由纤维束在±45°方向的承载能力决定，因此，当编织角较小时，纤维束在纵向的承载能力加强而在±45°方向的承载能力减弱，故而纵向拉伸、压缩性能较高而剪切性能较低。试验数据表明，内部编织角对材料的拉伸、压缩和剪切性能有显著影响，内部编织角越小，纵向拉伸与压缩弹性模量和拉伸强度越高，剪切模量和强度越低。

3 破坏方式的分析与讨论

拉伸试验加载直到试样断裂，压缩和剪切试验加载到试样发出断裂声且试验机操作界面显示的载荷出现明显下降时停止，并认为所加载荷已经达到试样的破坏载荷，试样发生破坏。由于层合复合材料的破坏模式分析已经相当充分，本工作主要讨论三维编织复合材料的破坏模式。

3.1 拉伸破坏模式

图6给出了拉伸试样的破坏模式。拉伸试样的破坏模式比较分散，有中间工作段横向断裂(图6a)，有靠近加强片处的横向断裂(图6b)，有沿表面取向角方向的断裂(图6c)和纵向劈裂(图6d)。它们的破坏模式主要是纤维和基体的断裂，横向断裂的断口方向基本与试样的加载方向垂直，且断口较平整，表明试样受力均匀。出现纵向劈裂的试样全是内部编织角为20°的试样(三维四向2件，三维五向2件，三维七向1件)，因为内部编织角越小，编织纱对试样的横向力学性能贡献越小，对试样纵向劈裂的抑制作用越小；另外由于三维四向和三维五向编织试样没有第六向轴纱，试样的横向性能较弱，故也会导致纵向劈裂，后续可以通过材料的横向试验来进行辅助验证。

图6 拉伸试样破坏模式 (a)工作段横向断裂(3D7d-B)；(b)靠近加强片处的横向断裂(3D4d-B)；(c)沿表面取向角方向的断裂(3D4d-A)；(d)纵向劈裂(3D5d-A)Fig.6 Failure characteristics of tensile specimens (a)transverse rupture on working section(3D7d-B);(b)transverse rupture near strengthening plate(3D4d-B);(c)fracture along the surface orientation angle(3D4d-A)；(d) longitudinal fracture(3D5d-A)

3.2 压缩破坏模式

压缩试样的破坏模式分散性小，图7给出了压缩试样的典型破坏模式。编织角为20°的三维四向与五向编织压缩试样的破坏模式与其他编织试样不一致，靠近试样端部沿表面取向角方向发生断裂，而不是在试样中间发生断裂，呈现剪切破坏模式，如图7a所示。这是因为它们都缺少六向纱，所以横向性能较弱，而且与40°编织角相比，20°编织角试样的编织纱对横向性能贡献小，故导致试样产生上述破坏模式。编织角为40°的三维四向和五向编织试样都是在试样中部产生裂纹，出现压溃，破坏模式如图7b所示，说明三维编织复合材料的破坏机制与编织角有较大关系。此外，三维六向编织试样的压缩破坏出现在试样中部，呈劈裂模式，如图7c所示，三维七向编织试样的破坏均发生在中部，图7c，d为其主要破坏模式。观察以上试样的断口，可以看出压缩破坏模式主要是纤维屈曲、纤维压剪断裂、基体压剪断裂及纤维与基体界面分离等剪切破坏。

3.3 剪切破坏模式

图8给出了剪切试样中典型的破坏模式。层合试样主要表现为横向开裂和分层，如图8a所示，这主要是因为层合试样在同一层上纤维分布较为均匀，而不同层上所承担的剪切载荷不同；而三维编织复合材料主要表现为横向的剪切断裂以及断口附近沿编织方向的基纤分离，这主要是因为三维编织试样的编织纱线呈空间网状互锁结构，在纱线交错节点上应力较为集中，比较容易发生断裂和基纤分离。

图7 编织试样的压缩破坏模式 (a)沿表面取向角的断裂(3D4d-A)；(b)中部压溃破坏(3D4d-B)；(c)压缩劈裂(3D6d-A)；(d)压缩剪切断裂(3D7d-A)；Fig.7 Failure characteristics of compressive specimens (a)fracture along the surface orientation angle(3D4d-A); (b)crushing in the center(3D4d-B);(c)compression splitting(3D6d-A);(d)Compression shear fracture(3D7d-A)

图8 剪切试样的破坏模式 (a)横向开裂与分层(层合板)；(b)横向剪切断裂(3D4d-A)Fig.8 Failure characteristics of shear specimens (a)transverse rupture and delamination (laminate)；(b)transverse shear fracture(3D4d-A)

4 结论

(1)通过三维编织试样和层合试样的性能对比可知，除了0°单向板的纵向力学性能最好外，三维编织复合材料的拉、压、剪性能普遍高于典型多向层合板。

(2)对20°编织角的材料，三维五向编织结构纵向力学性能最高；对40°编织角材料，三维六向编织结构纵向力学性能最高；编织角为20°和40°的三维七向编织结构其纵向力学性能均最差；对于相同编织角的编织复合材料，编织结构越复杂，剪切性能越差。

(3)编织材料的编织角越小，则材料的纵向力学性能越好，剪切性能越差。

(4)三维多向编织复合材料的破坏模式主要是基体开裂和纤维断裂。拉伸试验中，拉伸试样的破坏模式较分散，有垂直于加载方向的横向断裂，也有沿加载方向的纵向劈裂；压缩试验中，压缩试样破坏模式较典型，出现了沿表面取向角方向的断裂模式；剪切试验中，编织试样的破坏模式主要是沿横截面的断裂。

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Comparative Investigation of Mechanical Properties between 3D Braided and Laminated Composites

ZHANG Di1， ZHENG Xi-tao1， SUN Ying2， FAN Xian-yin1

(1. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Institute of Composite Materials, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China;)

The mechanical properties between three-dimensional (3D) braided and laminated composites were comparatively studied. These two sorts of composites were produced by the same carbon fiber, resin matrix and the same preparation process (RTM). There were totally four kinds of 3D multi-directionally braided composites, which contain 3D four-direction (3D4d), 3D five-direction (3D5d), 3D six-direction (3D6d) and 3D seven-direction (3D7d) braiding respectively. And the three kinds of laminated composites manufactured utilizing tire cord fabric were 0°, 90° and[0/(45)2/90]2slaminates. The mechanical properties of braided and laminated specimens were measured by the same tension, compression and shear testing methods. The results show that the properties of laminated composites are worse than that of 3D-braided composite except 0° unidirectional laminates. As to the braided composites, the smaller the braiding angle is, the better longitudinal properties and worse shear properties are. The braiding fabric is also an important factor which affects the mechanical properties. Meanwhile, the failure modes were also discussed, and the results show that, braiding fabric and the braiding angle are the main factors that affect the failure mode.

composites; three-dimensional braid; experiment; mechanical property; failure mood

2014-11-12；

2014-12-26

西北工业大学研究生创意新种子基金(Z2015045)；陕西省国际科技合作与交流计划项目(2015KW-017)

郑锡涛(1964—)，男，教授，研究领域为复合材料力学性能宏细观分析，(E-mail)zhengxt@nwpu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.015

TB332

A

1005-5053(2015)03-0089-08