体育器械用复合材料的力学性能研究

李建萍 ，苏占国

( 1 兰州理工大学，甘肃兰州730050；2 延安大学，陕西延安716000 )

三维机织复合材料由于具有可设计性强、柔韧性好和变形能力强等特性而被广泛应用于体育器械、航空航天等领域［1］。然而，在实际应用过程中，三维机织复合材料还存在成品具有非均匀性以及各向异性等问题，断裂件的失效分析案例中还可见源区存在裂纹或者空隙等缺陷存在［2-3］。通常情况下影响三维机织复合材料力学性能的影响主要包括板厚和拉伸方向，以及自身各向异性等［4-5］，在此基础上，为了系统研究体育器械用三维机织复合材料的力学性能，从单轴拉伸、板厚和拉伸方向等角度考察了其对三维机织复合材料力学性能的影响，以期为高综合性能的体育器械用三维机织复合材料的开发与应用提供必要参考。

1 试验材料与方法

试验材料包括东丽12K-T700SC 型纤维（径向纤维和纬向纤维）、3K-T300SC 型纤维（Z 向纤维）、TDE-86 型环氧树脂。采用层间互锁型进行三维机织复合材料的制备，复合板厚度5mm、径向纤维束和纬向纤维束分别为8 层和9 层，相邻层的纬向纤维采用Z 向纤维素缠绕连接的方式进行，三维机织复合材料的结构示意图如图1 所示；体育器械用三维机织复合材料组分材料的物性指标见表1。

表1 体育器械用三维机织复合材料组分材料的物性指标[6-8]Table 1 Physical properties of component material in 3D woven composite for sports equipment

图1 体育器械用三维机织复合材料的示意图（a）整体结构（b）纤维方向（c）正视图Fig.1 Schematic diagram of 3D woven composite materials for sports equipment

体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸性能测试根据GB/T 33613-2017《三维编织及其树脂基复合材料的拉伸性能试验方法》和GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》［9］，在Zwick/Roell 100KN 型万能拉伸试验机上进行；根据ASTMD3518-2001《聚合物基复合材料的拉伸试验 在±45°层压板面内剪切响应的测试方法》，在Zwick/Roell 050KN 型万能拉伸试验机上进行沿±45°纤维方向拉伸实验。三维机织复合材料的拉伸试件示意图如图2 所示，加载速率为0.5mm/min。采用华为P30 型手机对拉伸断裂后的试样进行宏观形貌拍摄。

图2 体育器械用三维机织复合材料的拉伸试件示意图Fig.2 Schematic diagram of tensile test piece of 3D woven composite for sports equipment

2 结果及讨论

2.1 单轴拉伸

图3 为体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线，拉伸试件尺寸为250mm×20mm×5mm。可见，3 根平行试样的应力- 应变曲线基本相同，试件在达到最大载荷时都发生了脆性断裂。在较低的载荷下（＜150MPa），三维机织复合材料单轴拉伸试件的表面未出现明显损伤，而当外加载荷到达270MPa 时则在试件表面上出现了少量脱落，继续增加载荷至极限载荷时，拉伸试件表面剥离现象愈发显著。

图3 体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线Fig. 3 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表2 为体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸性能测试结果。对比分析可知，3 根平行试样的弹性模量、拉伸强度和失效应变差异性较小，弹性模量平均值为52.81GPa、拉伸强度平均值为900.88MPa、失效应变平均值为1.71%。可见，三维机织复合材料的单轴拉伸性能测试具有较高的可靠性。

表2 体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸性能测试结果Table 2 Test results of uniaxial tensile properties of 3D woven composites for sports equipment

2.2 尺寸效应对单轴拉伸的影响

进一步考察了单轴拉伸试件宽度对单轴拉伸性能的影响，图4 为体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸应力- 应变曲线。对比分析可知，试件宽度为15mm、17.5mm 和20mm 时的应力- 应变曲线差异性较小。表3 中同时列出了不同宽度三维机织复合材料的单轴拉伸试验结果。可见，试件宽度为15mm、17.5mm 和20mm 时的弹性模量分别为54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸强度分别为911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效应变分别为1.70%、1.70%和1.71%。

图4 体育器械用三维机织复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of 3D woven composite for sports equipment

表3 不同宽度三维机织复合材料的单轴拉伸试验结果Table 3 Uniaxial tensile test results of 3D woven composites with different width

2.3 ±45°方向拉伸

图5 为体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的剪切应力- 剪切应变曲线，图中实线和虚线分别表示应变片（SG）和三维DIC 技术获得的应力-应变曲线。对比分析可知，SG 和DIC 技术对应的应力-应变曲线都实现了较好地吻合，在应变范围6% 内，两种技术得到的应力- 应变曲线基本吻合，沿±45°方向拉伸的剪切应力- 剪切应变曲线可以获得较好稳定的力学性能测试结果［10-11］。

图5 体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的剪切应力-剪切应变曲线Fig. 5 Shear stress-strain curve of 3D woven composites for sports equipment in ± 45°direction

表4 为体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的力学性能测试结果。可见，5 组试样的剪切模量和极限剪切强度差异性较小，剪切模量平均值为5.395GPa、极限剪切强度为75.587MPa。

表4 ±45°方向拉伸的力学性能测试结果Table 4 Test results of mechanical properties in the direction of ± 45°

图6 为体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的宏观破坏形貌图。对比分析可知，5 组试样的宏观破坏形貌都表现为沿纤维束方向断裂的特征，断裂角基本都在60°附近，侧面形貌中可见三维机织复合材料严重分层的现象。

图6 体育器械用三维机织复合材料±45°方向拉伸的破坏形貌Fig. 6 Failure morphology of 3D woven composites for sports equipment under ± 45 ° tension

3 结论

（1）三维机织复合材料的单轴拉伸试验结果表明，3 根平行试样的弹性模量、拉伸强度和失效应变差异性较小，弹性模量平均值为52.8GPa、拉伸强度平均值为900.9MPa、失效应变平均值为1.71%。3 根平行试样的单轴拉伸失效模型基本相同，都表现为纤维束断裂、基体开裂和纤维间开裂的特征。

（2）试件宽度为15mm、17.5mm 和20mm 时的弹性模量分别为54.25GPa、54.31GPa 和52.81GPa，拉伸强度分别为911.00MPa、900.22MPa 和900.88MPa，失效应变分别为1.70%、1.70%和1.71%。

（3）沿±45°方向拉伸的剪切应力- 剪切应变曲线可以获得较好稳定的力学性能测试结果；5 组试样的剪切模量和极限剪切强度差异性较小，剪切模量平均值为5.4GPa、极限剪切强度为75.6MPa。5 组试样的宏观破坏形貌都表现为沿纤维束方向断裂的特征，断裂角基本都在60°附近，侧面形貌中可见三维机织复合材料严重分层的现象。