异形三维圆管状机织复合材料的压缩性能分析

吕丽华 吕婷婷 王晶晶

（大连工业大学，辽宁大连，116034）

1 研究背景

三维圆管状复合材料是采用树脂基体增强三维圆管状机织复合材料，具有质量轻、比刚度和比强度高、耐疲劳性能优异、耐高温耐腐蚀性好等优点，被广泛应用于卫星、导弹、建筑、管道修复、船舶、航空航天等重要领域［1-4］。不同的应用领域对三维圆管状复合材料的设计要求也不同［5］。圆管状复合材料的种类较多，目前常用的三维圆管状预制件有三维编织物、三维针织物和三维机织物［6］。曹海建等人［7］以玻璃纤维为原料，制备了三维四向、三维五向圆管状编织物，以环氧树脂为基体，制成了三维管状编织复合材料；用万能材料试验机测试材料的轴向压缩性能，为该类材料的结构优化设计和性能分析奠定了理论基础［8］。周荣梅等人［9］在圆管状针织横编织物的基础上，设置不同位置段的管或以不封闭管的形式扩展各种针织服装织物，满足了人们对三维结构、色彩鲜艳、外观独特新颖等方面的要求。由于针织物易变形的特点，目前圆管状针织物多用于服用以及医用领域，在三维圆管状复合材料领域研究较少。

针对三维圆管状机织物，顾平［10］利用“压扁-织造-还原”法在普通织机上织造了管状、工字形、十字形等三维异形结构机织物；该方法的使用使得在普通织机上制备三维机织物成为了可能，极大地减少了在织造过程中综框数受限等问题。黄晓梅［11］也采用“压扁-织造-还原”法在织机上完成上下两层织物连续完整的织造，下机后可得到圆管状织物。AMID H等人［12］研究了圆管状机织物作为复合管加强件的可能性，并对4种不同类型纱线织造的圆管状机织物进行了力学性能研究，与管道工业中常用的标准铸铁的拉伸强度进行了比较，认为这种织物增强复合材料可以替代铸铁管。刘佳［13］进行了圆管机织复合材料压缩试验，研究表明：圆管状机织复合材料具有很好的整体性能和承载能力。

综上所述，三维圆管状织物目前的织造形状大多是普通的规则圆管，而对于异形圆管状织物的织造与研究还比较少。我们采用低捻玄武岩长丝束为经、纬纱，在SGA598型小样织机上制备了异形三维圆管状机织物，用环氧乙烯基改性树脂V-118与异形三维圆管状机织物复合，制成了异形三维圆管状机织复合材料，并在RGY-5型万能材料试验机上测试其压缩性能。

2 试验

2.1 原料与设备

试验原料：经、纬纱均为383 tex的低捻玄武岩长丝束；环氧乙烯基改性树脂V-118，固化剂过氧化甲乙酮，促进剂辛酸钴。

主要设备及测试仪器：SGA598型小样织机和RGY-5型万能材料试验机。

2.2 织造及制备

2.2.1 异形三维圆管状机织物的设计

异形三维圆管状机织物示意图如图1所示。其中：圆管部分A2为双层角联锁结构；圆管两侧连接的平板部分A1和A3为四层角联锁结构。

图1 异形三维圆管状机织物示意图

异形三维圆管状机织物的经向截面图如图2所示。

图2 异形三维圆管状机织物经向截面图

2.2.2 异形三维圆管状机织物的织造

选用383 tex低捻玄武岩长丝束为经、纬纱。在SGA598型小样织机上织造异形三维圆管状机织物，在织造过程中，采用顺穿法穿综，穿筘时每筘8入。厚度为2 mm的异形三维圆管状机织物A1和A3的 纱 线 层 数 均 为4层，A2为3层；经 密320根/10 cm，纬密1 181根/10 cm。

2.2.3 复合材料的制备

以异形三维圆管状机织物为增强体，以环氧乙烯基改性树脂V-118为基体，采用手糊成形工艺 制 备 复 合 材 料。V树脂∶V固化剂∶V促进剂=100∶5∶5［14］。

2.3 性能测试

异形三维圆管状机织复合材料的轴向压缩参考GB/T 5350—2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》，径向压缩参考GB/T 5352—2005《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》。试样直径50 mm，壁厚2 mm，长度100 mm，高度30 mm。测试加载速度2 mm/min。

3 测试结果与分析

3.1 压缩性能

采用密度法测定纤维体积含量［15］，计算公式为：Vfρf=ρcVc-ρr（Vc-Vf）。其中：Vf为玄武岩纤维的体积，单位cm3；Vc为复合材料的体积，单位cm3；ρf为玄武岩纤维的单位体积质量，单位g/cm3；ρc为复合材料的单位体积质量，单位g/cm3；ρr为所用树脂的单位体积质量，单位g/cm3。经转化可得纤维体积含量的计算式为Vg=Vf/Vc×100%=(ρc-ρr)/(ρf-ρr)×100%。玄武岩纤维、复合材料以及所用树脂的单位体积质量分别为2.80 g/cm3、2.15 g/cm3、1.70 g/cm3，计算可得纤维体积含量为40.91%。

测试的异形三维圆管状机织复合材料轴向压缩和径向压缩载荷-位移曲线如图3所示。由图3可知，其轴向压缩和径向压缩载荷-位移曲线的变化趋势都是先增加后下降。从图3（a）轴向压缩载荷-位移曲线可知，异形三维圆管状机织复合材料的轴向最大压缩载荷为15 002.90 N，最大载荷位移为3.03 mm。轴向压缩载荷-位移曲线主要分为3个阶段：首先，载荷随着位移呈线性增加，此时树脂与纤维结合良好，复合材料具有良好的弹性性能；其次，随着位移增加，曲线斜率减小，此时树脂与纤维受到载荷开始发生形变，纤维周围的树脂开始出现裂纹，裂纹逐渐向复合材料表面延伸直至材料承受最大压缩载荷；最后，从峰值载荷开始曲线逐渐下降，复合材料受到压缩变形，基体完全开裂，纤维增强体受到挤压而断裂。由于纤维断裂不完全，没有断裂的纤维仍可以起到支撑作用，所以载荷-位移曲线表现为随着位移增加载荷逐渐下降，直至复合材料被完全剪切破坏。从图3（b）径向压缩载荷-位移曲线图可知，异形三维圆管状机织复合材料的径向最大压缩载荷为185.54 N，最大载荷位移为3.97 mm。径向压缩载荷-位移曲线也主要分为3个阶段：首先，载荷也随着位移增加呈线性增加，这是因为基体与增强体之间结合比较好，材料整体受力使管壁表现为较好的弹性；其次，随着位移增加曲线斜率下降，由于接触面积逐渐增大，基体首先发生断裂而增强纤维逐渐受力发生断裂，当达到最大载荷时，复合材料发生整体破坏；第3阶段随着位移增加，压缩载荷逐渐下降，其原理与轴向第3阶段压缩原理相似。

由图3可知，在相同条件下，轴向压缩力学性能远远优于径向压缩力学性能。这是由于轴向压缩时两翼起到了良好的支撑作用，而在径向压缩时两翼并没有起到支撑作用。

图3 压缩载荷-位移曲线

3.2 压缩破坏模式

异形三维圆管状机织复合材料的失效模式主要为剪切破坏，一般表现为纤维断裂、基体开裂以及纤维与基体产生脱黏。试样在轴向压缩初始时，树脂基体首先发生碎裂，这可能是由于在复合材料成形时产生了不可避免的小气泡，导致基体在气泡处首先开裂。随着压缩的进一步增加，复合材料整体受力，纤维增强体发挥抗压作用，直至复合材料被挤压形成表面褶皱凹陷。此时，一部分纤维束首先发生断裂，继续增大载荷，使没有断裂的纤维平均受力增加，从而越来越多的纤维发生断裂，直至复合材料到达承载极限，复合材料发生剪切断裂。由于不是所有的纤维全部发生断裂，还有其他没有断裂的纤维作为支撑，故复合材料受到压缩破坏后仍能保持一定的完整性，如图4（a）所示。

由于异形三维圆管状机织复合材料在径向压缩时两翼不起作用，压缩开始时复合材料的接触面积小；随着压缩的逐渐增加，圆管状机织复合材料表面的树脂基体首先产生纵向延伸裂纹，基体开裂；随后与树脂基体相连的增强纤维逐渐受力断裂，中间圆管状部分与两翼连接的缝隙部分基体开裂严重。载荷增大，材料的接触面积增大，共同受力的纤维数量增多；此时表现为随着压缩位移增大，压缩载荷线性增加，异形三维圆管状机织复合材料具有明显的线性黏弹性，如图4（b）所示。

图4 异形三维圆管状机织复合材料破坏形貌

4 结语

通过合理的设计，采用低捻玄武岩长丝束为经、纬纱，在普通织机上可以织造出异形三维圆管状机织物。以环氧乙烯基改性树脂为基体，通过手糊成形工艺制备了异形三维圆管状机织复合材料。异形三维圆管状机织复合材料承受轴向和径向压缩载荷时，均呈现先增大后减小的趋势，但复合材料的轴向与径向压缩载荷存在明显差异；异形三维圆管状轴向载荷峰值远远大于径向载荷峰值，轴向载荷峰值为15 002.90 N，径向载荷峰值为185.54 N。异形三维圆管状机织复合材料压缩破坏模式表现出明显的剪切破坏；即便材料破坏形式主要为树脂开裂、纤维断裂、纤维与树脂界面脱黏等，但异形三维圆管状机织复合材料仍表现出良好的整体性，无分层现象。