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1、l ! ! ! ：堑： 型! 兰! 旦 三维缝合复合材料性能研究 焦亚男李晓久董孚允 ( 天津工业大学，天津，3 0 0 1 6 0 ) 搐要：介绍三维麓合复合材料的制造方法及工艺参数对性能的影响，研究层间断裂韧性和冲击损伤容限。 美t 词：三维缝合复合材料层间断裂韧性冲击损伤容限 中圈法分类号：T s1 0 66 A 传统复合材料层合结构，层间断裂韧性较差。 改善增强结构是提高复合材料抗破坏的有效途径。 用机织、编织、针织、织造成有穿过厚度方向增强的 三维整体结构，近些年已得到发展【l j 。然而，由于 成型和加工的复杂性，费用昂贵，因此使用范围仅限 于受三向应力控制的某些特殊构件。 二维织
2、物穿过厚度缝合，只增加了一个生产工 序，即可制成三维缝合复合材料，它有如下优点：1 ) 三维缝合结构，仍属层合板。对制造二维织物的传 统材料体系和工艺，无需大范围的修改，即可制造出 成本较低的三维缝合结构。缝合可用织物预形件， 亦可是预浸料单向带。但后者由于高粘度树脂没有 固化，缝合时常引起面内纤维的损伤。2 ) 从制造观 点看，织物剪裁和缝合都能自动化和连续操作。在 结构上，可制成具有高层间强度和损伤容限的准各 向同性材料。成型过程中，层合板每层的取向和层 数都可改变，所以它是一种通用性的成型技术。3 ) 缝合改善了层间断裂韧性，对抑制分层扩展有显著 作用。因此，有初始损伤构件承受载荷后可推
3、迟破 坏。4 ) 传统复合材料层合结构对低速冲击引起的损 伤很敏感。缝合提高了冲击损伤容限。 缝合预浸料单向带引起面内纤维损伤，使弯曲 强度降低，缝合使原来纤维的排列受到影响，局部地 方形成树脂块，这样与类似的二维复合材料相比，面 内纤维体积含量有所降低；缝合过程中二维织物中 纤维出现错位，复合材料中出现不连续点，引起局部 应力集中。 虽然三维缝合复合材料存在上述不足之处，但 全面衡量，它仍是有突出优点和较大使用价值。因 此，早在2 0 世纪7 0 年代后期已开始研究，8 0 年代 中期探讨了碳环氧层合板缝合后改善脱层和提高 拉伸强度的问题【2J ，并形成了三维缝合复合材料。 近年来已在飞机翼
4、板，汽车挡板、支撑板和一些简单 承载构件上使用”J 。 l 影响三维缝合复合材料性能的参数 三维缝合复合材料可用织物预形件或预浸料单 向带缝合。预形件缝合后，经R T M ( 树脂传递模塑) 浸渍树脂，而后固化。而缝合预浸料单向带只需固 化这一步。 田1 缝合型式 完成连续的缝合 需要有一个适用的缝 机，选择缝合型式、缝 针和缝线。缝机要有 较长的缝针冲程，机 头与送线装置之间必 须有较大的空隙，以 便缝合不同厚度的材 料。 缝合线迹有两种 基本型式。图1 a 是 用于服装工业的锁式 缝合，在面纱与底纱 之间形成两个缝合线圈，在织物中间相交，产生应力 集中点。图1 b 是改进的锁式缝合，因为穿
5、过织物厚 度，提高了分层韧性和损伤容限，在三维缝合复合材 料中使用较多。另一种是链式缝合如图1 c ，这类似 于针织，缝合线多次挠曲，且操作复杂，使用尚少。 此外，缝合工艺参数对复合材料的性能亦有显 著影响。 1 1 缝线的材料 缝线穿过针眼，缝合中经受弯曲，所以要有可延 伸性和耐磨损。再者其性能不受复合材料固化工艺 的影响。目前常用的是高拉伸强度的碳纤维线， k e v l a r 线和玻璃纤维线。 1 2 缝线的股数 纱线加捻成缝合线，使其成为圆形截面和更紧 密地结合。这样易于穿过针眼和有良好的耐磨损 性。但纱线加捻绞合在一起后，拉伸强度降低。如 碳纤维拉伸强度为3 5 0 0 M P a
6、 ，而加捻后强度为 1 5 4 0 M P a ，降低了5 5 【4 o 1 3 缝线的直径 直径增大，提高了缝合复合材料的层间断裂韧 性，但引起更多的面内纤维损伤，使缝线拉伸强度和 柔性降低。 1 4 缝合密度 它是单位面积缝合的针数，用s t c m 2 表示。密 度增大，复合材料的分层面积减小。冲击试验表明， 缝合密度增加4 倍，分层面积减少4 0 _ 5 一 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第二十三卷第二期 9 7 【1 7 】 (
7、 0H ) 圈2 缝合式样 1 5 缝合式样 经研究看到：“，缝合式样 不是关键问题。但从一种式样 到另一种式样，分层面积的形 状有显著变化。常见的式样有 四种。图2 a 是水平缝合，图 2 b 是斜向缝合，图2 c ，图2 d 分 别为交错缝合与交义缝合。无 论那种式样，都要求尽量靠近 织物的自由边缝合。 2 三维缝合复合材料层间断裂韧性 缝合复合材料的分层( 或称裂纹) 扩展要消耗能 量，使原来材料体系的能量下降。一般用能量释放 率( G ) 表示。分层失稳扩展( 或称持续扩展) 形成断 裂时，记为G I R ( 或G R ) ，它代表材料抵抗失稳扩 展的能力，又称断裂韧性。 在外力作用下
8、，缝合复合材料分层扩展方式研 究较多的为张开型( I 型) ，亦称拉伸型；其次为滑开 型( 型) ，也称面内剪切型。 2 1 缝合对I 型分层断裂韧性的影响 由1 4 层碳纤维单向机织物，用改进锁式缝合，由 不同缝线材料和缝合参数，制成中面边上有初始切 口的双悬臂梁试件( D c B ) ，进行拉伸试验，如图3 。 试验结果与不缝合的同样试件结果对比列于表 1 7 I 。 缝合在厚度方向有了增强纤维。用扫描电子显 微镜观察分层扩展过程看到：缝线基体界面脱胶 后，缝线开始弹性伸长，在分层前端形成纤维桥，产 生了抵抗分层的闭合力，直到最后缝线破坏、拔出。 所以I 型分层断裂韧性明显提高。从表1 看
9、到较不 缝合试件改善4 6 1 4 6 倍。 利用细观力学研究I 型分层断裂的机理- 8o 在 分层闭合力的表达式中包括了缝线的摩擦滑移项， 豆 圈3D c B 拉伸试验图 却为初始切口；a 为分层扩展量；t 是分层尖端到试件墙部的距离；a ( t ) 为张开位移；2 H 为试件厚度，P 为载荷。 桥区纤维的伸长项和缝线在分层平面内破坏的预测 项。通过应力强度因子k m ( a ) 表示为 G IR ( 加) = K jR ( 血) F o 式中：E 0 是正交各向异性模量。图4 和图5 给出理论 分析与试验结果( 图中，为试验值，一为理论值) 围4 G I K 随缝合密度变化 可以看到G l
10、 R 随 缝合密度和缝线直径的 增加而增大。这是因为 高的缝合密度和大的缝 线直径使纤维桥区的闭 合力增大。 圈5G IR 随缝线直径变化 ，nP t 圈6E N F 弯曲试验图 2 2 缝合对型分层断裂韧性的影响 型分层断裂韧性试验所用的试件材料、缝合 型式、缝合参数均与I 型相同。只是在试件中面端 部切口后，进行弯曲试验( E N F ) ，如图6 所示，试验 结果f 9 1 列于表2 。 缝合与不缝合相比，G R 改善系数为2 3 3 3 ，亦出于纤维桥区产生闭合力的结果。从图7 ( 图中d 表示脱胶，s 为伸长，f 表示破坏) 看到梁中 面在面内剪应力作用下，缝线基体界面脱胶，缝线 伸
11、长到破坏的过程。型分层断裂韧性随缝线种 类、缝合密度和缝线直径变化情况与I 型类似。 型分层断裂韧性的理论分析模型已经建 立L 1 。它认为在面内剪应力作用下分层的扩展是 由于分层区上下截面相对滑动引起缝线的弹性伸 长，接着在分层平面内断裂，最后公式为： 裹l 试件参数及I 型断裂韧性试验结果 序号试件 黼戆。勰，。熊，琴群。鼢，檗蓑 O不缝合试件5 80O4 4 l K 4 04 s t 口n 22 股k 4 034 0755 8 620 346 2K 4 08 n m 22 股k 4 0 34 033 55 8 62 8 264 3 K 4 0 1 2 s t 口n 22 股k 4 032
12、 526 5 764 1 0 q3 4 K 6 04 s t h n z3 股k 6 034 07 55 8825 95 9 5K 鲫4 s t c m 24 股k8 034 0755 7429 06 6 6K 8 08 n 梳f4 殷k 8 0 34 033 55 8045 41 0 3 7踟4 s t t m 2T 9 0 0 c8 434 0755 8040 29l 8踟8 砒t 矗T 如0 C8 434 03 55 8 064 21 4 6 注：k 代表k e v l a r ；1 9 0 0 为碳纤维。 圈彻圈目圈 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO :
13、Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 一1 1 8 】- 9 8 - 2 0 0 2 年4 月 衰2 型断裂韧性试验结果 圈7I 塑分屠失稳扩展 G R = A + r 2 ( + 口H ) 2 式中：r 为 粱中面内剪 应力；a 为 剪切变形修 正系数；H 为试件厚度 的一半； A 。为与面 内刚度( A ) 、弯曲刚度 ( D ) 、耦合刚度( B ) 有关 的系数。试验证实了理 论分析的可行性。 由于缝合在分层前 端形成纤维桥，产生闭合力，因之改善了G lR I 、 G R ，。纤维桥的理论，不仅用于室温，在飞机低
14、温 运行时亦有同样效果：川。 3 三维缝合复合材料的冲击损伤容限 冲击损伤容限是材料受冲击损伤后的承载能 力。一般用冲击后的压缩( 【、A I ) 强度和冲击后的拉 伸( T A I ) 强度表达。 损伤容限也可用损伤试件的强度与没有损伤试 件的强度比来度量。即剩余强度的百分数【l “。 为研究缝合对损伤容限的影响，将碳纤维的 ：4 5 o 一4 5 例 6 s 缝合与不缝合层合板用I 玎M 浸 渍环氧树脂制成试件。通过8 8 1 8 N M 的冲击能 量试件产生2 5 4 m m 深压痕( v I D ) 。另一冲击能量 为2 0 8 5 N M + 试件上测得千分之几厘米的表面浅 压痕(
15、B v ) 。在这两种损伤水平下经压缩( 拉伸) 试验得到o u 、T A I 和剩余强度L ”J 列于表3 和表4 。 衰3 缝台与不缝合复合材料的c A J 和剩余强度 从表3 看到，缝合后复合材料的c A I 强度和剩 余强度明显提高。在B v m 水平下，c A I 强度超过 现代工业规定的强度指标( 2 7 5 M 咿a ) l “J ，即使在 V D 水平下亦接近规定指标。在两种损伤水平下， c A J 强度较不缝合材料分别改善1 6 倍和2 2 倍。 不缝合复合材料c A I 强度达不到规定的强度指标。 衰4 缝合与不缝合复台材料的1 w 和剩余强度 从上表看到，缝合时剩余强度略
16、有改善。园缝 合时，复合材料试件厚度有所增加，而应力计算是建 立在厚度基础上，且拉伸时0 。方向纤维起主导作 用，所以B v I D 水平下，缝合试件的应力反而略低一 点，在两种损伤水平下，缝合复合材料的7 IA I 强度 均超过2 7 5 M P a ，而不缝合材料在v I D 水平下，低于 这门槛值。 在v I D 水平下，缝合材料的拉伸损伤容限为 4 3 5 ，而压缩时为8 1 ；且拉伸下的改善亦不如 压缩的高。 4 结语 1 三维缝合复合材料保持了传统的材料体系， 且制造工艺简单，容易实现自动化、连续操作。它能 制造各种形式的构件，所以是一种通用性的成型技 术。 2 三维缝合复合材料有
17、较好的分层抗力，其断 裂韧性G lR 、G R 与不缝合试件相比分别改善4 6 1 4 6 和2 3 3 3 倍。 3 三维缝合复合材料在两种损伤水平下，冲击 后的强度均达到或很接近现代工业规定的强度指 标，且改善了性能。 4 三维缝合复合材料制造时，引起局部面内纤 维损坏和形成树脂块。这些对面内力学性能有一定 影响。 5 三维缝合复合材料的力学性能受缝合参数、 制造方法等因素影响。欲用最小的面内力学性能的 损失，得到较大的层间断裂韧性和冲击抗力，需通过 诸参数的优化。因之，优化设计是三维缝合复合材 料研制和使用中值得重视的课题。 参考文献 l 李嘉禄等全国第十届复合材料学术会议文集长沙：湖南
18、科学 技术出版社，1 9 9 8 ( 1 0 ) ：7 5 3 ”7 2 r r 捌盯A De tdC _ l pS c lT 啪l1 9 9 4 ( 5 0 ) ：3 0 5 3 1 6 3M 岫乜AP 毗dc 。m pS d T 髓h n d1 9 9 9 ( 5 9 ) ：1 6 5 3 1 6 6 2 4M 。I 如AP r o c2 2 r 讨m tS A M P ET e c hG 。n f1 9 9 0 1 2 1 7 1 2 3 0 5L j uDJR e m f o r o e dp l 勰t j c sa n dc 。m p 。n 惜1 9 9 0 ( 9 ) ：5 9 6
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