三维编织复合材料T型梁的低温场弯曲性能

刘 军， 刘 奎， 宁 博， 孙宝忠， 张 威

(1. 上海飞机制造有限公司， 上海 200436； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620)

三维编织复合材料T型梁是由三维异形整体编织而成，由多向纤维束构成的空间网状结构复合材料，具有比传统层压复合材料更好的结构整体性，较高的损伤容限和断裂韧性。相比于矩形梁，工程结构中常用的T型梁结构具有更高的抗弯强度和刚度，可减轻结构件质量，节约材料。由于三维编织复合材料T型梁优异的性能，在航空航天、汽车等领域具有广泛应用[1]。

为更好地了解和应用三维编织复合材料结构，针对三维编织复合材料T型梁结构力学性能的研究已吸引不少研究者关注。文献[2-4]分别针对三维编织复合材料T型梁的抗弯性能进行有限元模拟分析和实验，以及建立特殊的细观结构模型，采用刚度合成法预测其弯曲性能。Yan等[5]和欧阳屹伟等[6-8]分别采用实验和有限元法研究了三维编织复合材料T型梁结构的弯曲疲劳性能。王欢等[9]采用悬臂梁自由衰减振动的实验方法测试了三维编织复合材料T型梁的模态性能，分析了纤维体积分数对其固有频率和阻尼的影响。以上研究主要针对三维编织复合材料T型梁的弯曲性能、疲劳性能和模态性能，为三维编织复合材料T型梁的应用提供了研究基础，但这些研究主要集中在常温下，Zhang等[10]研究了三维编织复合材料T型梁高温下的横向冲击性能，在不同温度环境下尤其是低温下的力学性能研究还鲜见报道。

本文采用碳纤维一体编织成型三维编织复合材料T型梁作为预成型体，制备成复合材料；自制低温环境箱，与MTS 810.23型材料测试系统相结合测试三维编织复合材料T型梁低温环境下的弯曲力学性能，研究不同筋高高度T型梁在不同低温下的弯曲力学响应，为三维编织复合材料T型梁在低温环境下的应用提供研究基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

T700S-12 K型碳纤维(东丽碳纤维美国有限公司)，通过1×1型四步法进行T型梁整体编织成型。JA-02型环氧树脂(常熟佳发化学有限责任公司)，其玻璃化转变温度(Tg)约为 110 ℃，密度为1.12～1.14 g/cm3。

1.2 预成型体编织

三维编织复合材料T型梁预成型体成型过程如图1所示。三维编织复合材料T型梁预成型体织造方法采用1×1型四步法方形编织技术。编织T型梁预成型体时，将T型划分为如图1所示A、B的2个矩形。A部分为底板纱线排列，B部分为筋高纱线排列，分别依次完成4步编织循环，8步则完成整个T型编织循环。携纱锭子的运动方向用箭头进行标识，每次推动携纱锭子运动1个位置。通过纱线排列组合，将T型梁筋高位置的纱线分别按矩阵0×0、5×3和9×3进行排列设计，底板位置纱线均按矩阵3×15进行排列设计，共编织出3种不同筋高高度的T型梁预成型体。图2示出编织成的预成型体，编织角为18°～23°。

图1 三维编织复合材料T型梁预成型体编织过程Fig.1 Braiding process of 3-D braided composite T-beam preform

图2 三维编织复合材料T型梁预成型体Fig.2 3-D braided composite T-beam preform

1.3 复合材料制备

基于真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)制备三维编织复合材料T型梁。预成型体通过抽真空完全注入环氧树脂后在烘箱内依次于90 ℃加热2 h，于110 ℃加热1 h，最后在130 ℃加热4 h，固化结束后在室温下冷却24 h。按照测试要求进行切割得到3种筋高高度三维编织复合材料T型梁试样，如图3所示。试样长度均为 150 mm， 3种筋高高度分别约为0、5和10 mm。通过燃烧法测得纤维体积分数约为55%，复合材料密度约为 1.5 g/cm3。

图3 不同筋高高度三维编织复合材料T型梁Fig.3 3-D braided composite T-beam with different flange height

1.4 低温场弯曲加载测试

利用MTS 810.23型材料测试系统结合自行设计的低温环境系统进行三维编织复合材料T型梁低温场准静态弯曲加载测试。图4示出低温场准静态弯曲加载测试系统。低温环境系统与试样加载一体化设计，将试样两端置于装置两端夹持槽内，中间跨距100 mm，通过液氮提供冷源，温控仪和热电偶组成温度控制系统。测试20、-20、-50和-80 ℃共 4个测试温度点，依据GB/T 9979—2005《纤维增强塑料高低温力学性能试验准则》，在不同测试温度下保温15 min，每个温度点测试 3个试样，分别测试3种筋高高度T型梁试样，加载速度为2 mm/min。

图5 三维编织复合材料T型梁不同测试温度下载荷-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of 3-D braided composite T-beam at different temperature

图4 低温场准静态弯曲加载测试系统Fig.4 Quasi-static bending testing system with low temperature environment system

2 结果与讨论

2.1 载荷-位移曲线

图5 示出不同筋高高度三维编织复合材料T型梁在不同测试温度下弯曲加载测试得到的代表性载荷-位移曲线。

从图5(a)中发现，20 ℃时不同筋高高度T型梁的初始载荷随位移增加均呈线性增加，斜率则随筋高高度不同而出现较大不同。斜率随筋高高度增加而增大，说明抗弯刚度也随之越大，筋高高度为 10 mm 的T形梁具有最大的抗弯刚度。筋高高度为0 mm的T型梁几乎线性增加到峰值载荷后即发生断裂破坏，载荷-位移曲线下降；筋高高度为5 mm的T型梁在达到最大载荷前呈现略微的屈服，随即发生断裂破坏，曲线下降；筋高高度为10 mm的T型梁达到最大载荷前发生较大的屈服，直至达到最大载荷，试样断裂失效。这是由于筋高高度为0 mm时，试样较易失效断裂，随着筋高高度的逐渐增高，试样能够较好地抵抗弯曲断裂，产生一定的屈服，直至达到最大破坏载荷而失效。由图5(b)可知，测试温度为 -20 ℃ 时，与 20 ℃ 时的弯曲响应行为类似，不同筋高高度的T型梁均产生不同程度的屈服破坏。由测试温度为-50和-80 ℃时的载荷-位移曲线可以发现，随着测试温度的降低，复合材料T型梁的屈服逐渐减小，尤其是0和5 mm筋高的T型梁线性增加到最大载荷后迅速下降，发生明显的脆性断裂行为，筋高高度为10 mm的T型梁在-80 ℃时快速达到最大载荷后，也发生明显的脆性断裂破坏。说明三维编织复合材料T型梁由常温时的不同程度屈服断裂破坏转变为低温下的脆性断裂破坏。

2.2 弯曲性能分析

为分析筋高高度和温度对三维编织复合材料T型梁准静态弯曲加载响应的影响，从载荷-位移曲线上分别提取T型梁所受峰值载荷，峰值载荷对应的失效位移和弯曲失效能量吸收等数据列于表1中，并进行三维作图分析筋高高度和温度对复合材料T型梁弯曲载荷、失效位移以及吸收能量的影响，如图6所示。由图6(a)可以发现，T型梁所受最大载荷随着T型梁筋高高度增加而逐渐增加，随着测试温度降低逐渐增大。筋高高度越高、温度越低，T型梁所能承受的峰值载荷越高，筋高高度为 10 mm、测试温度为-80 ℃时，T型梁所受载荷最大；筋高高度越小、温度越高，T型梁所能承担的载荷能力越弱；筋高高度为0 mm、测试温度20 ℃时，T型梁所受载荷最小。

表1 三维编织复合材料T型梁低温场测试结果Tab.1 Testing results of 3-D braided composite T-beam at low temperature

图6 温度和筋高高度对三维编织复合材料T型梁弯曲性能影响Fig.6 Effect of temperature and flange height on bending properties of 3-D braided composite T-beam.(a) Load; (b) Failure displacement; (c) Energy adsorption

由图6(b)可知，失效位移随筋高高度增加而减小，随测试温度降低而略微增大，筋高高度越小，温度越低，T型梁失效位移越大。筋高高度为 0 mm、测试温度为-80 ℃时，T型梁失效位移最大；筋高高度越高，温度越高，T型梁失效位移越小，筋高高度为 10 mm，测试温度为20 ℃时，T型梁失效位移最小。

由图6(c)得知，复合材料T型梁能量吸收随筋高高度增加逐渐增多，随测试温度降低能量吸收也增多。筋高高度越高、温度越低，T型梁所吸收的能量越多，筋高高度为10 mm，测试温度为-80 ℃时T型梁所具有的吸收能量最多；筋高高度越小、测试温度越高，T型梁的能量吸收能力越弱， 筋高高度为 0 mm， 测试温度为20 ℃时，T型梁所具有的吸收能量最小。

从图6可以看出，筋高高度对T型梁弯曲性能影响相比于温度影响更为显著，这是由于筋高的存在显著提高了梁的截面惯性矩，随筋高高度增加，T型梁截面惯性矩越大，抗弯刚度越高，承载能力更强，采用T型梁结构是有效提高梁承载性能的重要方式。低温增强效应主要源于对复合材料基体性质的增强作用，影响效应远小于增加T型梁筋高带来的结构增强效应。

2.3 试样损伤形态

图7示出不同筋高高度的三维编织复合材料T型梁在-80 ℃时的表面弯曲破坏形态。可以看出：筋高高度为0 mm的T型梁断口发生在与试样长度方向垂直的中线位置，基本呈弯曲断裂；随筋高增加，断口与试样长度方向成一定角度出现，筋高越高，断口出现角度越大，逐渐呈剪切断裂破坏，这是由于筋高高度增加，T型梁抗弯强度增加，不易直接弯曲断裂。图8 示出筋高高度为10 mm的三维编织复合材料T型梁在不同低温环境下的弯曲损伤形态。可见：较高温度下损伤区域不规则，表面纱线未发现明显断裂，主要为较多树脂开裂；随着温度降低，纱线断裂损伤越明显，断口清晰，表现为脆性断裂。

图7 不同筋高高度三维编织复合材料T型梁在-80 ℃时的弯曲破坏形态Fig.7 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with different flange height at -80 ℃

图8 10 mm筋高高度三维编织复合材料T型梁在不同低温下的弯曲破坏形态Fig.8 Bending failure morphology of 3-D braided composite T-beam with flange height of 10 mm at different low temperature

3 结 论

对不同筋高高度的三维编织复合材料T型梁在不同低温下进行弯曲性能测试分析，得到以下结论。

1)随着测试温度降低，三维编织复合材料T型梁承载载荷增加，位移增大，能量吸收增加；随着筋高高度增加，三维编织复合材料T型梁抗弯刚度增强，载荷增加，位移减小以及能量吸收增加。相比于温度，筋高高度对于三维编织复合材料T型梁的弯曲性能影响更为显著。

2)随着测试温度降低，三维编织复合材料T型梁失效模式由较高温度下不同程度的屈服断裂失效转变为低温下的脆性断裂失效；随着筋高高度增加，三维编织复合材料T型梁失效模式弯曲断裂失效转变为剪切断裂失效。