正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能

申晓 刘向东 田伟 祝成炎

摘 要：为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足，研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。以高强涤纶长丝为原料，分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件，依据均衡对称准则设计4种复合结构，选用双酚A环氧乙烯基脂为基体，制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。结果表明：准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中，复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。

关键词：复合结构;三维机织物;复合材料;经向拉伸性能;经向弯曲性能

中图分类号：TS195.644

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）02-0006-06

Abstract：In order to make up for the performance defect of 3D woven composite with single structure， mechanical properties of orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven composites with combined structure were investigated. The high-strength polyester filament yarn was used as the raw material to weave four-layer orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven structures as preformed units， and four kinds of combined structures were designed according to the principle of symmetry. Orthogonal woven composites， quasi-orthogonal woven composites and combined 3D woven composites were prepared by using bisphenol A epoxy vinyl ester as the matrix. Tensile and bending properties of the composites at warp direction were tested. The results indicated that tensile and bending properties at warp direction of the quasi-orthogonal woven composites were better than that of the orthogonal woven composites. Among the combined 3D woven composites， the effect of combined sequence was greater than the combined ratio. When the orthogonal structure was laid on the surface of the composites， the composites could get better mechanical properties.

Key words：combined structure; 3D woven fabric; composite; tensile property at warp direction; bending property at warp direction

三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料，具有良好的可设计性并且由于厚度方向上存在增强纤维，其强度、刚度、抗冲击性和抗疲劳性优良[1]。目前，三维机织复合材料已经成功的应用于航空风扇叶片、风扇外壳、起落架支架及汽车挡泥板等领域[2-3]，但随着应用领域的不断扩大和性能要求的不断提升，如何在现有三维机织复合材料力学性能及损伤机理的研究基础上提升材料性能越来越受到人们的关注[4-5]。

典型的三维立体机织物的結构形式主要有正交结构、准正交结构和角联锁结构3种，这3类结构中经纱、纬纱和垂纱的交织关系具有较大的不同[6]。正交结构中经纬纱线呈直线状排列，垂纱在表层与纬纱交织并转向将织物内部纱线连接成一个整体;准正交结构与正交结构相似，垂纱贯穿连接织物整体，不同的是经纬纱有一定的屈曲;角联锁结构的经纱在层间穿插连接，呈一定的倾斜角[7]。研究发现正交结构机织物的抗冲击性能最优，准正交机织结构次之。正交结构单元能够有效抵抗剪切作用，适合作为冲击面;准正交结构单元对抗拉伸作用有优势[8-9]。由此可见，预制件结构不同的三维机织复合材料其性能存在一定的差异，正交和准正交结构在性能方面各有所长。杜善义[10]指出复合化是新材料的重要发展阶段，采用多种特殊工艺使材料复合或交叉结合可以制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料不具备的性质和使用性能。正交、准正交结构的复合使用，可以弥补单一结构在性能方面的不足，使两种结构性能取长补短，制备出力学性能更优异的复合材料。

因此本文选用高强涤纶长丝为原料，织造四层正交和准正交三维机织物作为预制件，依据均衡对称准则设计4种不同的复合方式，制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，探讨不同预制件结构、复合方式对复合材料经向拉伸和弯曲性能的影响，以期制备性能更优良、更符合航空汽车领域要求的复合材料。

1 实 验

1.1 实验原料及设备

实验原料：高强涤纶长丝（垂纱线密度111 tex、经纬纱线密度222 tex）（浙江海利得新材料有限公司），双酚A环氧乙烯基脂901-VP（上纬（上海）精细化工有限公司），环烷酸钴（上海富晨化工有限公司）。

实验设备：三维剑杆织机（江苏通源纺机有限公司），MTS Landmark万能材料试验机（MTS系统（中国）公司），微机控制电子万能试验机（深圳市瑞格尔仪器有限公司），真空灌注设备（上海特速电机有限公司），YG（B）141D型数字式织物厚度仪（温州大荣纺织仪器有限公司）。

1.2 三维机织预制件织造

四层正交和准正交三维机织预制件结构如表1所示，预制件规格如表2所示。

1.3 复合方式设计与成型工艺

合理设计预制件复合结构可以优化复合材料的力学性能，研究发现均衡对称铺放可以避免成型过程中因拉-剪、拉-弯耦合引起的翘曲变形[11]。因此本文依据均衡对称铺层准则，如图1所示设计4种复合方式的预制件结构，图1中A代表四层正交三维机织结构，B代表四层准正交三维机织结构。

本文采用真空灌注成型工艺制备复合材料，所用树脂为（预促）双酚A环氧乙烯基脂，树脂与固化剂的质量配比为100∶1.5。分别制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，试样基本物理参数如表3所示。

从表3中可以看出几种试样之间厚度、平方米质量及纤维含量等均有一定的差异，这些因素均会对复合材料的最终性能产生影响。但本文在进行成型实验时，实验条件保持不变，因此推测发生这一现象的原因为：一方面，两种结构本身不同，正交结构表面比较紧密平整，而准正交结构则稀松不平整;不同的预制件结构使其复合材料的树脂含量不同，准正交复合材料的树脂含量更高;另一方面，复合预制件在真空灌注过程中，厚度方向所受的压力有略微变化，且不同预制件表面的相互接触均会使树脂浸润产生差异。所以，复合材料物理性能产生这些差异的根本原因是预制件结构和复合方式等的差异。

1.4 试样测试

复合材料在使用时会在外力作用下发生变形，往往存在蠕变、损伤、断裂、弯曲等问题，拉伸及弯曲性能是评价复合材料力学性能的重要指标[12]，被广泛用于复合材料力学性能的表征。

1.4.1 经向拉伸实验

按照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》的要求进行操作，复合材料试样尺寸为250 mm×25 mm（长×宽）。使用MTS Landmark万能材料试验机测试，拉伸速率为5 mm/min，测试结果取5次有效测试结果的平均值。

1.4.2 经向三点弯曲试验

按照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》的要求进行操作，复合材料试样尺寸为100 mm×15 mm（长×宽），跨距为60 mm。采用微机控制电子万能试验机测试。加载速度为2 mm/min，测试结果取5次有效测试结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 预制件结构对力学性能的影响

2.1.1 预制件结构对经向拉伸性能的影响

使用MTS Landmark万能材料试验机测试正交机织复合材料和准正交机织复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，分析预制件结构对复合材料拉伸性能的影响。图2为正交、准正交三维机织复合材料经向拉伸强度和断裂伸長率测试结果。

由图2可以看出，不同预制件结构的复合材料表现出不同的拉伸特性。试样2的拉伸强度和断裂伸长率均高于试样1。试样2的拉伸强度比试样1高76.85%。试样2的断裂伸长率比试样1高83.33%。

准正交结构与正交结构最显著的差异为经纱是否屈曲以及经纬纱交织点的多少。准正交结构的经纱与每一层的纬纱之间均发生交织，故交织点较正交结构多，在拉伸作用下需要更高的载荷使其发生断裂损伤。准正交结构中经纱存在屈曲，拉伸过程中由于树脂基体的断裂伸长率较低，树脂基体先产生裂纹损伤，但树脂与纤维之间仍存在良好界面，增强预制件开始成为承受载荷的主体，经纱由屈曲状态发生伸直变形继而发生经纱与树脂基体的同时断裂，使得准正交机织复合材料获得更大的断裂伸长率。

2.1.2 预制件结构对经向弯曲性能的影响

使用微机控制电子万能试验机测试正交机织复合材料和准正交机织复合材料的弯曲强度和外表面层弯曲应变，分析预制件结构对复合材料弯曲性能的影响，图3为正交、准正交三维机织复合材料经向弯曲强度和外表面层弯曲应变测试结果。

由图3可以看出，试样2的弯曲强度和外表面层弯曲应变均高于试样1。但弯曲性能的差异并没有拉伸性能大，试样2结构的弯曲强度比试样1结构大17.87%，外表面层弯曲应变比试样1结构高出46.65%。

复合材料承受弯曲载荷时，上表面主要承受压力作用，下表面主要承受拉伸作用。经观察弯曲过程中表层树脂发白并产生裂纹，上表面部分纤维及树脂整体拱起，下表面部分纤维被拉断，但材料并没有发生明显弯曲折断。由于准正交结构的经纱发生屈曲，当载荷作用于试样表面时，下表层树脂先发生断裂损伤，增强纤维开始作为主要承载部分，屈曲状态的经纱可以延缓经向的弯曲断裂破坏，使得准正交机织复合材料获得更高的弯曲强度和更大的最外表层弯曲应变。

2.2 复合方式对力学性能的影响

2.2.1 复合方式对经向拉伸性能的影响

2.2.1.1 复合方式对拉伸断面形态的影响

拉伸断面形态可以较为直观的反映复合材料拉伸过程中增强纤维与树脂基体的破坏状态，本文观察4种复合三维机织复合材料的正面和侧面形态，图4为复合三维机织复合材料拉伸断面形态。

从图4中可以看出试样3并没有发生齐断，断口倾斜程度较大，断口附近伴随着分层现象且分层发生在所有层间界面，试样表面并未发现明显裂纹;试样4断口相对较齐整，断口附近无明显分层，试样表面有纬向分布的裂纹;试样5断口也产生了一定程度的倾斜，断口附近有分层现象，试样表面也未发现明显裂纹;试样6断口平齐，断口附近伴有分层现象，试样表面有少许纬向裂纹分布。其中，试样5与试样6两种试样的分层均发生在正交、准正交结构之间的界面。

由于准正交结构表面粗糙，可以形成良好界面，所以准正交结构与准正交结构之间存在良好的层间界面性能。观察对比4种试样，分层现象导致复合材料拉伸断裂的不同时性，产生倾斜的断口。当正交结构位于材料表面时，由于其断裂伸长率较小，树脂基体还未产生裂纹，便发生了断裂损伤，因此试样表层并没有产生明显裂纹。

2.2.1.2 复合方式对拉伸性能的影响

使用万能材料试验机测试4种复合三维机织复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，分析复合方式对复合材料拉伸性能的影响。表4为复合三维机织复合材料经向拉伸强度和断裂伸长率测试结果。

表4可见，试样3拉伸强度最小，试样4的拉伸强度比试样3增加19.71%。试样5和试样6的拉伸强度均大于试样3。然而试样5和试样6虽然复合比例相同，但是由于预制件复合顺序的不同，试样5的拉伸强度明显大于试样6，正交结构在复合材料表层时拉伸强度更高。在试验过程中试样5与试样6所能承受的最大载荷相差并不大，但由于试样5厚度较小，因此具有更高的拉伸强度。对比试样4与试样6发现，两种材料的拉伸强度并没有随着准正交结构复合比例的增大而产生明显变化。

分析试样的断裂伸长率可得，试样4的断裂伸长率最大，这是由于准正交结构复合材料本身的断 裂伸长率高且层与层之间断裂伸长率一致，不会因为正交结构的存在而发生抑制作用。试样5比试样6的断裂伸长率高出28.83%，由于复合材料在受到拉伸作用时，断裂伸长率低的结构先发生断裂，分析可得试样5结构外表面层A发生断裂后，芯层的BB仍然能继续承受载荷，而试样6中，芯层的AA先发生断裂且与外表面层的B发生层间界面破坏，外表面层的B结构相互独立，不能像试样5芯层的BB继续承受较大载荷。试样3与试样6比较发现，并不是简单地在复合结构中引入准正交结构就可以增大材料的断裂伸长率。

综上分析，材料中包含准正交结构可以增大材料的拉伸强度和断裂伸长率。按照抑制裂纹传播理论，在低延伸率材料周围有高延伸率材料存在时，高延伸率材料较好的韧性能够抑制低延伸率材料断裂裂纹的继续传播，使试样继续承担部分载荷，复合材料将表现出更高的性能[13]。因此正交、准正交结构复合使用可以提升复合材料的性能，且复合顺序对拉伸强度的影响大于复合比例，正交结构铺设在复合材料表层可以使材料获得更大的拉伸强度和断裂伸长率。

2.2.2 复合方式对经向弯曲性能的影响

2.2.2.1 复合方式对弯曲断面形态的影响

弯曲断面形态可以较为直观的反映复合材料弯曲过程中增强纤维与树脂基体的破坏状态，本文观察4种复合三维机织复合材料的正面和侧面形态，图5为三维机织复合材料弯曲断面形态。

图5可见试样3的下表面层发生明显的断裂，部分纤维拔出且产生分层现象。试样4和试样5的上表面均发生一定的压缩变形，下表面树脂产生裂纹，但试样4下表面的裂纹一直延伸到增强纤维处，试样5下表面的裂纹仅在材料表面分布。试样6的下表面层产生较深的裂纹，一直向材料厚度方向延伸。

準正交结构经纬纱之间的交织不如正交结构紧密，使得树脂更容易浸入，且织物表面不平整从而与树脂之间产生更大的接触面积形成良好的界面层，因此准正交预制件存在的复合结构中，没有发生分层现象。

2.2.2.2 复合方式对弯曲性能的影响

使用微机控制电子万能试验机测试4种复合式复合材料的弯曲强度和外表面层弯曲应变，分析预制件结构对复合三维机织复合材料弯曲性能的影响，表5为复合三维机织复合材料弯曲性能测试结果。

观察表5，试样3弯曲强度最小，试样4的弯曲强度比试样3增大6.36%。试样5与试样6两种不同结构的预制件复合可以使材料拥有更高的弯曲强度。尤其是正交结构在材料表层时，弯曲强度相较于试样3升高了38.33%，相较于试样4提高了30.06%。材料在承受弯曲载荷时，下表面层外侧结构变形大于内层结构，试样5中下表面层外侧的A发生破坏后芯层BB还未达到破坏应变可以继续承受载荷;而试样6中下表面层外侧弯曲应变较大的B发生破坏时，芯层AA的应变程度也已濒临破坏，因此试样5的弯曲强度大于试样6。

在上文的分析中，试样2的外表面层弯曲应变大于试样1，但在复合结构中，试样3的外表面层弯曲应变却比试样4大68.31%。这是由于试样4在承受弯曲载荷时，上下表面分别发生压缩破坏和拉伸破坏，而由于试样1本身的最外层弯曲应变较低，试样3上表面层还未发生压缩破坏，下表面层便已经发生拉伸破坏，破坏后上表面层依然可以继续承受载荷。试样5外表面层弯曲应变比试样6大63.18%。

综合上述分析，准正交结构的使用可以增大材料的弯曲强度，但材料弯曲强度并不随着准正交结构复合比例的增大而增大。相较于复合比例，两种预制件的复合顺序对复合材料的弯曲应力影响更大，正交结构铺设在复合材料表层可以使材料获得更大的弯曲强度和外表面层弯曲应变。

3 结 论

为弥补单一结构三维机织复合材料性能方面的不足，制备性能更加优异的三维机织复合材料，本研究以正交和准正交四层三维机织物为预制件，设计4种复合三维机织结构，制备正交、准正交及4种复合三维机织复合材料，对制得的6种复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。主要研究结论如下：

a）准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料。

b）复合顺序对复合材料经向拉伸性能的影响比复合比例更显著，但并不是简单地在结构中选用准正交预制件就可以增大复合材料的断裂伸长率，正交结构铺设在复合材料表层可以使材料获得更大的拉伸强度和断裂伸长率。

c）准正交结构的使用可以增大材料的弯曲强度，但并不随着准正交结构复合比例的增大而增大。对比准正交结构的复合比例，不同结构预制件复合对复合材料弯曲强度的影响更大，正交结构铺设在复合材料表层可以使材料获得更大的弯曲强度和外表面层弯曲应变。

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