含硅芳炔树脂复合材料用2.5D预制体的力学性能测试与分析

郭洪伟，张立泉，邓诗峰，周光明，朱梦蝶

(1. 中材科技股份有限公司，南京 210012；2. 华东理工大学，上海 200237；3. 南京航空航天大学，南京 210016)



含硅芳炔树脂复合材料用2.5D预制体的力学性能测试与分析

郭洪伟1，张立泉1，邓诗峰2，周光明3，朱梦蝶1

(1. 中材科技股份有限公司，南京 210012；2. 华东理工大学，上海 200237；3. 南京航空航天大学，南京 210016)

摘 要：简述了2.5D预制体在国内外的发展动态和局限性，设计加工了两种不同结构的2.5D预制体，采用含硅芳炔树脂RTM复合工艺复合制，对两种不同结构的复合材料进行了力学性能测试并对结果进行了对比分析。

关键词：硅芳炔树脂；复合材料；2.5D预制体；力学性能

0前言

先进复合材料是以碳纤维、芳纶纤维、石英玻璃纤维、碳化硅纤维和陶瓷纤维等高性能纤维预制体与耐高温的高聚物、金属、陶瓷和碳(石墨)等构成的复合材料。预制体指利用高性能连续纤维在三维立体空间按设定的结构、功能、形状尺寸，连续有序地多方向相互联接形成的纤维增强材料。其主要应用于航空、航天等新技术领域，其结构、形状的可设计性是预制体的主要特点。相对于平面，预制体的纤维不仅在层内连续而且层与层之间相联接，为结构整体制提供了可能。

在国外，2.5D预制体增强复合材料快速制技术倍受重视，成为复合材料发展的新趋势。如俄罗斯针对先进复合材料的技术特点和经济性要求，研制开发了低成本的2.5D预制体，广泛用于的防热材料、透波材料等，满足了多功能一体化的高技术指标要求。国内由于该方面的研究起步较晚，织造与设计、制备存在脱节，其结构设计及制造技术也有待于进一步提高，其应用也受到了限制。本文通过制备石英纤维2.5D预制体试样并采用含硅芳炔树脂进行复合性能测试，了解2.5D预制体复合后力学性能之间变化关系，以解决工程应用中的一些问题。

12.5D预制体的结构和参数设计

预制体的结构、纤维的种类、纤维表面状态及浸润剂、复合材料基体以及纤维与基体的界面情况等决定了复合材料的基本力学性能。通过对其基础结构及工艺参数设计的调整、细观结构模型分析及结构优化等，可以达到优化复合材料使用性能的目的。

2.5D结构是指相邻两层经向纤维相互交换位置时引入纬向纤维形成的一种整体结构。一般情况下，经向纤维呈波浪型屈曲状态，纬向纤维呈直线型。2.5D结构预制体的仿形性好、工艺可操作性强。2.5D制备工艺较成熟，能够一次制备具有异型截面的预制体，如各种实心等厚和变厚度块状板块、等截面和变截面筒状、加强筋型预制体、多通管型预制体等，可以用普通或专用织机实现。按经向和纬向纤维交织方式可将2.5D结构分为浅交直联和浅交弯联两类。浅交直联结构见图1，浅交弯联结构见图2。

2.5D结构中直联结构预制体的交织点少，相较弯联结构预制体变形量大，所以工程上根据复合材料部件的实际使用和复合工艺情况进行选取和设计。2.5D结构预制体的工艺参数与纤维体积分数之间的计算关系见式(1)：

(1)

式中:

Vf——预制体的纤维总体积分数，%；

Vj、Vw——分别为经向和纬向的纤维体积分数，%；

nj、nw——分别为经、纬向纤维的层数；

ρj——经向纤维弯曲率；

ρs——为纤维材料的密度，g/cm3；

Pj、Pw——分别为经、纬向纤维的密度，根/cm；

Nj、Nw——分别为经、纬向纤维的线密度，tex；

h——预制体厚度，mm。

采用石英纤维作为原材料进行预制体的结构选取和工艺参数设计。设计工艺参数包括预制体结构、几何尺寸、经纬密度，并根据工艺参数按公式(1)计算出纤维体积分数，研究不同结构预制体工艺参数与含硅芳炔树脂复合材料力学性能之间的关系，具体参数设计情况见表1。

制备2.5D直联和2.5D弯联两种结构参数的石英纤维预制体，树脂体系选用含硅芳炔树脂，采用树脂传递模塑成型(RTM)复合工艺，制备复合材料力学性能测试用弯曲强度试样和层间剪切强度试样，使用DXLL-5000型电子拉力机(上海德杰仪器设备有限公司)，对两种结构参数的复合材料试样进行力学性能测试。依照GB/T 1449-2005标准对制备的复合材料试样进行测试，测试内容包含弯曲、拉伸、压缩和剪切，并对实验结果进行对比分析。

22.5D预制体复合材料力学性能测试与分析

2.12.5D预制体复合材料弯曲强度分析

两种结构2.5D预制体增强复合材料的力学性能弯曲强度实验结果见表2。

试验结果分析：从表2中两种不同结构石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料的弯曲强度、弯曲模量的比较可以看出，直联结构的石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料相对于弯联结构预制体的复合材料而言具有更好的力学性能。这是由于预制体的结构及工艺参数决定的，纤维弯曲必然影响力学性能的发挥；同时，经密和纬密也是影响材料力学性能的重要参数，且经向纤维对厚度方向上的力学性能贡献较大，使得预制体在经向和纬向上的力学性能差异较大。

2.22.5D预制体复合材料拉伸强度分析

两种结构2.5D预制体增强复合材料的拉伸强度力学性能实验结果见表3。

2.5D预制体复合材料经向拉伸强度与纱线密度关系曲线见图3。由图可以看出，在纤维体积含量定值情况下，经向拉伸强度与经纱密度成正比，经纱密度越大其拉伸强度越大；经向拉伸强度与纬纱密度成反比，纬纱密度越大经纱强度越小。而纬向拉伸强度与预制体密度的关系与经纱正好相反。

试验结果分析：在工艺参数设计相同的情况下，由于预制体单元结构的不同，某方向纱线倾角越小、纤维体积含量越高，该方向的模量和强度就越高；虽然浅交直联结构经向纤维体积含量小于浅交弯联，但浅交直联结构经纱倾角比浅交弯联小，因此两种结构沿经向的拉伸模量相差不大。

2.32.5D预制体复合材料压缩强度分析

两种结构2.5D预制体增强复合材料的压缩强度力学性能实验结果见表4。

2.5D预制体复合材料经向压缩强度与纱线密度关系曲线见图4。由图可以看出，在纤维体积含量定值情况下，经向压缩强度与经纱密度成正比，经纱密度越大其压缩强度越大；经向压缩强度与纬纱密度成反比，纬纱密度越大经纱强度越小。而纬向压缩强度与预制体密度的关系与经纱正好相反。对比图4的变化曲线，究其原因，是因为随着纬纱密度的增大，经纱倾角增大，沿经向的压缩强度也会随之减弱。

试验结果分析：可以发现拉伸性能较好的复合材料其压缩性能也较好，这是由于拉伸和压缩性能都主要由该方向的纱线倾角和体积含量决定。压缩模量与拉伸模量差别不大。同种2.5D预制体复合材料的压缩强度明显小于拉伸强度。

2.42.5D预制体复合材料层间剪切强度分析

两种结构2.5D预制体增强复合材料的层间剪切强度力学性能实验结果见表5。

2.5D预制体复合材料层间剪切强度与纱线密度关系见图5，同拉伸和压缩强度分析所用2.5D预制体复合材料织造参数相同。

通过观察上述两条曲线可发现，随着经、纬纱密度的增大经向层间剪切强度都随之增大。经纱密度的增大导致经向纱线体积含量增大从而使经向层间剪切强度增大；纬纱密度增大则使经纱倾角变大，厚度方向上纱线含量增加，抵抗层间剪切能力增强，因而层间剪切强度变大。

实验结果分析：2.5D预制体复合材料的经向剪切性能稍强于纬向，一方面是由于织造参数不同，经向体积含量高于纬向体积含量，另一方面则是由于经纱有一定的弯曲，在厚度方向能分担部分载荷，从而导致经向剪切性能优于纬向；对比浅交直联结构和浅交弯联结构的经向层间剪切性能可以发现，浅交弯联结构经向层间剪切性能要优于浅交直联，这是由于浅交弯联结构沿厚度方向的纤维体积含量要普遍高于浅交直联，因此其抵抗层间剪切能力较高。

3结论

本文设计加工了两种不同结构、相同工艺参数的2.5D预制体，采用含硅芳炔树脂RTM复合工艺复合成型，对两种不同结构的复合材料板进行了力学性能试验，包括拉伸、压缩、弯曲和层间剪切，获得了两种结构试样的拉伸强度与模量、弯曲强度与模量、层间剪切强度，并将测试结果进行了对比，得出以下结论：

(1) 拉伸性能方面，浅交直联试件的经向拉伸强度和模量均大于弯联结构，因为在经向体积含量相近的情况下，预制体经向模量与经纱倾角的变化成反比例关系。由于弯联结构纬纱体积含量高于直联结构，所以弯联结构的纬向拉伸强度高于直联结构。

(2) 压缩性能方面，直联结构的模量均高于弯联结构，即拉伸性能较好的复合材料其压缩性能也较好。这是由于拉伸和压缩性能都主要由该方向的纱线倾角和体积含量决定。同种2.5D预制体复合材料的压缩强度明显小于拉伸强度。

(3) 层间剪切性能方面，由于经向体积含量高于纬向，且经纱有一定弯曲，在厚度方向能承担部分荷载，所以预制体经向的剪切性能高于纬向；又因为浅交弯联经纱倾角较大，纱线在经向厚度面内贡献较大，所以浅交直联结构经向剪切强度小于浅交弯联结构。

(4) 预制体的经密和纬密也是影响材料力学性能的重要参数，且经向纤维对厚度方向上的力学性能贡献较大，使得预制体在经向和纬向上的力学性能差异较大。因此，预制体结构及工艺参数的变化，将会影响2.5D预制体复合材料的力学性能。2.5D预制体织造工艺、工艺参数设计和结构变化等种类很多，本项目仅对其具有代表性的部分结构进行了研究。此外，本项目的研究仅限于含硅芳炔树脂基2.5D预制体增强的复合材料，随着高性能复合材料应用领域的不断扩展，还需加强2.5D预制体多种结构、多种高性能纤维、其它树脂体系、陶瓷基体以及碳基体的高性能复合材料力学性能的研究。

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Mechanical Properties Test and Analysis of 2.5D Preforms Used for Silicon-Containing Arylacetylene Resin Composites

Guo Hongwei1，Zhang Liquan1，Deng Shifeng2，Zhou Guangming3，Zhu Mengdie1

(1. Sinoma Science & Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210012；2. East China University of Science and Technology，Shanghai 200237；3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016)

Abstract:Two 2.5D woven performs in different structures were designed and processed.They were used to mold composite materials with silicon-containing arylacetylene resin as matrix by RTM process.The mechanical properties of these differently-structured composites were tested，and the test results were analyzed and compared.

Key words:silicon-containing arylacetylene resin；composite；2.5D preform；mechanical property

中图分类号：TQ171.77+7

文献标识码：A

收稿日期：2016-03-01

作者简介：郭洪伟，男，1975年生，工程师。主要从事高性能纤维预制体方面的研究。

修回日期：2016-03-03