预定型弯曲柱纱三维机织间隔复合材料的压缩性能

杜子林 王芮杰 郑连刚 朱文斌 许福军

1. 东华大学 纺织学院,上海 201620;2. 上海捻幅智能科技有限公司,上海 201612

三维机织间隔复合材料(3DWSC)是以三维机织间隔织物为增强体制备的一种新型夹层复合材料[1],其具有一体成型的三维中空结构,不仅克服了传统夹层结构易分层的缺点,还具有比刚度高,以及隔热、隔声和阻尼优异等特性[2-3]。因此,3DWSC在航空航天、国防军工、海洋工程、轨道交通、机车风车、建筑等领域有着广阔的应用前景[4-10]。

3DWSC具有优异的整体特性和设计灵活性,受到广泛研究和关注。现有研究表明,柱纱的高度和形状是影响3DWSC压缩性能的最重要的因素之一。Zhao等[11]研究了不同柱纱高度和面板厚度的3DWSC的力学性能。结果发现,3DWSC的弯曲性能随柱纱高度和面板厚度的增加而降低;平面压缩强度随柱纱高度的增加而减小;柱纱高度对拉伸性能的影响最大。Fan等[12]探究了3DWSC的破坏模式和变形机制,发现芯层柱纱的初始倾斜会导致压缩变形和剪切变形同时发生,芯层塑性旋转使得弹性屈曲后具有较长且稳定的变形期。薛志鹏等[13]研究了不同柱纱倾角对3DWSC平压性能的影响,发现在相同规格条件下,复合材料的抗压性能和弹性模量均随着柱纱倾角的减小而减少,尤其当柱纱倾角小于70°时,复合材料的抗压性能大幅下降。Li等[14]研究发现芯材的破坏形式与柱纱倾角有密切关系。在压缩载荷作用下,3DWSC会因柱纱断裂或倾斜而损坏。当柱纱几乎垂直于面板即柱纱倾角在80°～90°时,3DWSC性能会得到优化。

在3DWSC的制备过程中,重力会使三维机织间隔织物的柱纱呈现“C”字形弯曲,这会对复合材料的压缩和冲击性能产生一定影响。本文采用手糊成型工艺将环氧树脂与三维机织间隔织物进行复合,并在固化成型前对复合材料进行压缩预定型,制备不同厚度的3DWSC,探究柱纱“C”字形弯曲形态对3DWSC平压性能和疲劳性能的影响。

1 结构设计与试验方法

1.1 试验材料

三维机织间隔织物,自制;双酚A型环氧树脂,JL-235,环氧值0.56 mol/(100 g),杭摩佳发新材料有限公司;固化剂,JH-242,杭摩佳发新材料有限公司。

1.2 复合材料的制备

采用玻璃纤维纱线在三维织机上一体织造三维机织间隔织物,具体结构参数如表1所示。三维机织间隔织物由上表层织物、下表层织物和芯层柱纱组成,上下表层织物通过“8”形柱纱连接在一起。

表1 三维机织间隔织物织造参数Tab.1 Weaving parameters of 3D woven spaced fabrics

1.3 复合材料的成型

采用手糊成型工艺制备3DWSC,每平方米织物约需2.366 kg的树脂。预压制备3DWSC的过程如图1所示。先将环氧树脂与固化剂按照100∶33的质量比混合,搅拌5 min后放入真空干燥箱中,抽真空进行消泡处理。用滴管将配制好的树脂均匀地滴涂于间隔织物的两面,树脂在毛细效应的作用下充分浸润织物。随后,将样品放入高度分别为15、12、9和6 mm的模具中,进行压缩后预定型,使柱纱产生不同程度的“C”字形弯曲。最后,将样品放入烘箱中,50 ℃下预固化3 h,随后升温至70 ℃固化7 h,制得高度分别为15、12、9和6 mm的4种不同弯曲程度的3DWSC试样,分别记作3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6。

1.4 平压性能测试

参照GB/T 1453—2022《夹层结构或芯子平压性能试验方法》,使用INSTRON 5967型万能强力仪测试试样的平压性能。试样尺寸为20 mm×20 mm,加载速度为2 mm/min,测试试样厚度分别为15、12、9和6 mm。每个试样至少测试5个样本,结果取平均值。

平压强度按照式(1)计算:

(1)

式中:σ为平压强度,MPa;P为破坏载荷,N;A为试样横截面面积,mm2。

1.5 疲劳性能测试

参照GB/T 35465.1—2017《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法 第1部分:通则》,使用INSTRON 5967型万能强力仪对试样进行循环压缩,测试其疲劳性能。试样尺寸为30 mm×30 mm,测试载荷为试样破坏负载的50%,应力比为0.1,加载速度为100 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 平压性能

图2为不同弯曲程度的3DWSC平压应力-应变曲线,可以看出,不同弯曲程度的3DWSC在平压性能方面存在较大差异。3DWSC-6呈现出3个阶段,即弹性阶段、破坏阶段和致密化阶段。在压缩的初始阶段,3DWSC-6中所有柱纱同时承担载荷,应力随应变呈线性上升趋势,此为弹性阶段;随着压缩的进行,柱纱因断裂及倾斜导致复合材料应力下降,此为破坏阶段;继续压缩,歪斜的柱纱相互支撑,逐渐密实,复合材料进入致密化阶段,应力再次提升。3DWSC-12、3DWSC-9在弹性阶段结束后即进入一个显著的长平台区,这归因于柱纱的歪斜失效。

图2 3DWSC平压应力-应变曲线Fig.2 Flat compression stress-strain curves of 3DWSCs

图3反映了不同弯曲程度的3DWSC的平压性能。

图3 3DWSC的平压性能Fig.3 Flat compression performance of 3DWSCs

由图3a)可知,3DWSC-12和3DWSC-9的平压强度相对较小,分别为0.39 MPa和0.52 MPa,相较于3DWSC-15的平压强度(0.72 MPa)下降了45.8%和27.8%。原因主要是3DWSC-12和3DWSC-9的柱纱弯曲后呈“C”字形,柱纱的惯性矩下降。根据压杆的临界欧拉公式,柱纱惯性矩越小,材料的平压性能越差,因此柱纱弯曲后,材料的平压性能出现下降。可见,3DWSC柱纱的承载能力决定了其平压性能。与3DWSC-12和3DWSC-9的“C”字形柱纱相比,3DWSC-15直立形柱纱的弯曲程度小,其拥有更高的轴压强度。而对于3DWSC-6,其柱纱60%的预压高度(即高度压至原始间隔纱高度的60%)使得柱纱的形态发生了变化,柱纱中的某一段平行并紧靠面板,而其余近似直立的部分起到了承载的作用,因此其平压强度达到了1.04 MPa,较3DWSC-15提升了44.4%。

根据图3b)可知,柱纱弯曲程度的不同也引起了3DWSC平压模量的差异。3DWSC-12和3DWSC-9的平压模量为12.37 MPa和12.03 MPa,相比于3DWSC-15分别下降了50.0%和51.3%,这与3DWSC-12和3DWSC-9的柱纱弯曲程度更大,两者更容易在压缩载荷作用下发生变形有关。而3DWSC-6中柱纱过度弯曲,部分柱纱形成了近似直立的状态,故具有更高的抗轴压刚度;此外,60%的预压高度使得材料密度增加,相邻柱纱间相互接触、挤压并形成支撑,进一步提高了材料的平压模量。

图4对试样压缩应变达到30%时的单位体积吸收能量进行了归纳,可以看出:3DWSC-9和3DWSC-6单位体积吸收能量分别为14.01 J/m3和38.32 J/m3,相比于3DWSC-15单位体积吸收能量(12.49 J/m3)分别提升了12.2%和206.8%。

图4 3DWSC在30%压缩应变下的单位体积吸收能量Fig.4 Energy absorption per unit volume of 3DWSCs under 30% compressive strain

2.2 平压破坏模式分析

图5展示了不同弯曲程度的3DWSC平压破坏前后的纬向截面及平压破坏后的柱纱局部细节图。从图5a)可以看出,3DWSC-15在压缩过程中,柱纱逐渐弯曲、歪斜,柱纱断裂失效和失稳失效同时发生;从破坏后的柱纱局部细节图可以看到,柱纱断裂处断面较为齐整,表现为明显的脆性断裂特征,此外柱纱与面板的连接处存在不同程度的损伤,这导致了柱纱出现失稳现象。图5b)和图5c)中,随着应变的增大,3DWSC-12、3DWSC-9的柱纱屈服并发生弯折,相邻2根柱纱的交接点处存在发白的现象,这与树脂形成了微裂纹并不断扩展有关,此外柱纱与面板的连接处也存在一定的断裂破坏。图5 d)中,3DWSC-6的破坏主要发生在柱纱与面板的连接处,由于芯层内柱纱密度较大,柱纱之间相互支撑,试样破坏以屈服破坏为主。

图5 3DWSC纬向截面及其平压破坏模式Fig.5 Latitudinal cross sections and flat compression failure modes of 3DWSCs

综合4种试样的平压破坏模式可以发现,试样的破坏主要集中在柱纱与上下面板的连接处,以及相邻柱纱的交接点附近。此外,随着柱纱弯曲程度的增加,柱纱的破坏模式由脆性断裂和失稳逐渐转变为屈服破坏。

2.3 疲劳性能

图6展示了不同弯曲程度的3DWSC循环压缩不同次数的应力-应变曲线。

分析图6可以发现:

(1)循环压缩过程中,随着加载次数的增加,应变在逐渐增加;同时,应力-应变曲线存在明显滞后现象,可利用应力-应变滞后回线所围成的面积表征循环加载过程中所消耗的塑性应变能[15]。

(2)在2 500次的循环压缩过程中,3DWSC的应力-应变曲线可以明显地分为2个阶段。在第1阶段(循环压缩1～500次),随着循环压缩次数的增加,试样应变快速增加,树脂基体在压缩载荷的作用下产生横向裂纹,这与基体本身的耐疲劳性能不足有关。在第2阶段(循环压缩500～2 500次),试样每500次循环压缩积累的应变较小且稳定,这与纤维的增强作用延缓了基体裂纹的进一步扩展有关。

(3)3DWSC-15与3DWSC-12在循环压缩2 500次后,材料的力学性能未发生显著变化。而3DWSC-9与3DWSC-6在循环压缩500次后,应力-应变曲线的斜率逐渐由线性变为非线性,试样发生了疲劳破坏,力学性能有所下降;在第2阶段,由于“C”字形柱纱蠕变积累速度放缓,3DWSC-9与3DWSC-6每500次的应变增加稳定。

3 结论

三维机织间隔复合材料的制备过程中,重力会使织物的柱纱呈现“C”字形弯曲,而该弯曲结构会对复合材料的压缩和冲击性能产生一定影响。本文为探究三维机织间隔复合材料柱纱弯曲对其压缩性能的影响,在复合材料成型过程中进行了预定型处理,通过控制复合材料的成型高度得到了4种不同弯曲程度的三维机织间隔复合材料——3DWSC-15、3DWSC-12、3DWSC-9和3DWSC-6,研究其平压性能和疲劳性能,结果表明:

(1)随着柱纱弯曲程度的增加,3DWSC平压强度先降低后提升,其中3DWSC-6的平压强度和平压模量最大,3DWSC-6的平压强度较3DWSC-15提升了44.4%。

(2)3DWSC的平压破坏主要集中在柱纱与上下面板的连接处,以及相邻柱纱交接点附近。此外,随着柱纱弯曲程度的增加,柱纱的破坏模式由脆性断裂和失稳逐渐转变为屈服破坏。

(3)随着柱纱弯曲程度的增加,3DWSC的疲劳性能出现下降。经2 500次循环压缩试验后,3DWSC-9的疲劳性能下降最明显。