四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能.pdf

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1、第2 9 卷第2 期 2 0 0 8 年2 月 纺织学报 J 0 u m a lo f r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9 F e b N o 2 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 8 ) 0 2 。0 0 4 6 0 4 四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能 唐予远1 2 ，陈彩虹3 ，孙宝忠1 ( 1 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0 ；2 中原工学院纺织学院，河南郑州4 5 0 0 0 7 3 中原工学院服装与艺术学院，河南郑州4 5 0 0 0 7 ) 摘要为研究四步法三维玻璃纤维环氧编织复合

2、材料在不同应变率下的拉伸破坏模式，对四步法三维玻璃纤 维，环氧编织复合材料在准静态和高应变率载荷下的单向拉伸性能进行了测试。运用间接分离式H o p k i n s o n 拉杆 ( s H T B 杆) 测试了应变率在8 0 0 21 0 0s “范围内单轴向上的拉伸性能，同时测试了材料在准静态下的力学性能，并 与高应变率下的力学性能做比较。结果表明：四步法三维玻璃纤维，环氧编织复合材料是应变率敏感材料；随着应 变率的增加，其拉伸模量和最大应力都增加，而相应最大应力的应变则减小。 关键词四步法三维编织复合材料；s H T B 杆；拉伸性能；应变率 中图分类号：r 1 1 s3 0 2 3文献

3、标识码：A D y n a m i ct e n s i l eb e h a V i o ro f4 一s t e p3 - Db r a i d e df a b r i cc o m p o s i t e s T A N GY u y u a n l 一，c H E Nc a i h o n f ，s u NB a o z h o n 9 1 ( 1 c o z 蛞e 妒7 如i b ，D 0 n 曲M 讹m 毋，鼢。n 跏o i2 0 1 6 2 0 ，劬i 船；2 z k t 泷c o z 妇P ，砒吲n 加矗“把0 ， 加如，劢e ，皓如o “，m M 凡4 5 0 0 0 7

4、，吼i 船；3 儿， 加矾d A 疗c o 如萨，肋0 7 w 眦几胁础眦妒 砒肋如g y ，劢e ，咖o “，胁加n4 5 0 0 0 7 ，劬i n o ) A b s t r 舵tT h eu n i a x i a l t e n s i l ep r o p e n i e so f4 - s t e p3 一Db r a i d e d 铀r i cE - G l a s s e p o x yc o r n p o s i t e sa tq u 商s t a t i c a n dh i g hs t m i nr a t e sl o a d i n g sh a v eb

5、e e ni n v e s t i g a t e dt oe v a l u a t et h et e n s i l e f a i l u r em o d ea td i f 玷r e n ts t m i n m t e s T h eu n i a x i a lt e n s i l ep m p e r t i e sa t h 培hs t m i nr a t e sf r o m8 0 0t o21 0 0s _ w e r et e s t e du s i n gt h es p l i t H o p k i n s o nt e n s i o nb a r (

6、 S H T B ) t e c h n i q u e T e n s i l ep I o p e n i e s a tq u a s i s t a t i es t r a i nr a t ew e r ea l s ot e s t e da n d c o m p a r e dw i t ht h o s ei nh 唔hs t r a i nr a t e s T h er e s u l t si n d i e a t et h a tt h es t r e s ss t m i nc u n r e sa r er a t es e n s i t i v e ，

7、a n dt e n s i l em o d u l u s ，m a x i m u mt e n s i l es t r e s sa n dc o r r e s p o n d i n gt e n s i l es t r a i na r ea l s os e n s i t i V et ot h es t r a i n r a t e T | l et e n s i l em o d u l u s ，m a ) 【i 啪mt e n s i l es t r e s so f4 s t e p3 Db m i d e df 孔r i cE G l a s s e p

8、 o X yc o m p o s i t e si s H n e a d yi n c r e a s e dw i t ht h es t r a i nm t e W i t hi n c r e a s i n g0 ft h es t r a i nr a t e ，t h et e n s i l e f a i l u r eo ft h e4 一s t e p3 一D b r a i d e df 曲r i cE G l a s s e p o x yc o H l p o s i t es p e c i m e n sh a sat e n d e n c yo ft r

9、 a n s i t i o nf 而md u c t i l ef a i l u r et ob r i t t l e f a j l u r e K e yw o r d s4 - s t e p3 - Db r a i d e df a b r i cc o m p o s i t e ；s p l i tH o p k i n s o nt e n s i o nb a r ；t e n s i l ep r o p e r t y ；s t r a i nm t e 三维编织复合材料在厚度方向存在增强纤维， 克服了层压复合材料低断裂韧性和层间剪切强度的 缺点，目前在工程领域得到越

10、来越广泛的应用。 在工程应用中( 如弹道冲击，瞬态加、减速装置 等) ，三维编织复合材料经常承受高速加载( 或称为 高应变率载荷) 。而目前国内外对三维编织结构复 合材料的研究主要集中在建立模型预测编织复合材 料准静态弹性力学性能【2 “1 ，还没有涉及编织复合 材料高应变率力学性能的研究；到目前为止，对平行 纤维束、单向纤维增强复合材料以及织物增强复合 材料的高应变率力学性能有很多研究，而三维编织 复合材料高应变率力学性质尚未见文献报道。 东华大学的刘芳等对三维编织复合材料高应变 率下的拉伸性能做了测试“ o ，但是因为没有能正确 解决拉伸时的初应力问题，造成初应力过大，以致试 验结果无法和

11、准静态结果比较。本文采用 收稿日期：2 0 0 7 一0 3 2 8修回日期：2 0 0 7 1 0 一1 2 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 1 9 9 0 2 0 1 6 ) ；上海市自然科学基金资助项目( 0 4 z R l 4 0 0 9 ) 作者简介：唐予远( 1 9 6 3 一) ，男，博士。研究方向为三维纺织结构多孔复合材料的动态力学性能。E l I 】a i l ：t y y l 2 3 0 3 脚i e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remov

12、e the watermark 第2 期唐予远等：四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能 4 7 H o p k i n s o n 拉杆测试三维编织复合材料在高应变率 下的拉伸性能，同时用I n s t m n 材料机测试材料在准 静态下的力学性能，以便和高应变率下的性能 比较。 l 间接式S H T B 原理 S H T B 主要由2 段弹性杆、2 个应变片、1 台超动 态应变仪、1 个数据采集卡和l 台计算机组成。2 段 弹性杆在制作上选用与纤维增强复合材料阻抗较匹 配的材料，一般以弹簧钢制作，2 个应变片采用半导 体应变片。冲击加载过程中产生的以杆中纵波速度 传递的应变波信号由应变片和高

13、速数据采集卡采 集。该装置测试原理如图1 所示。 气枪 撞击杆 接击杆试样I ，_ 互承压块 输出杆 撞击杆 I o 承监块 精出什 一 i l l l l i l l l l i l l 囫鬯竺一 l 卫剁卫斗l 当气枪中的撞击杆发射时，与输入杆撞击，在撞 击面产生拉伸脉冲，并通过界面进入输出杆，所以输 出杆的入射脉冲的长度是撞击杆长度的2 倍。这个 入射脉冲通过输出杆和承压块，传入输入杆，在输入 杆自由端面反射，形成拉伸波( 输入波) ，因为承压块 不承受拉伸，所以拉伸波透过试样，部分进入输出杆 形成透射波，部分反射形成反射波。在输入杆和输 出杆上贴有应变片，于是可从输入杆的应变片上测 得

14、入射波应变值e ，( ) 和反射波应变值e ，( f ) ，从输 出杆的应变片上测出透射波应变值e ，( ) ，又因为在 大多数情况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截 面积相等的2 根杆，依据一维应力波理论及试件中 应力、应变均匀性假设，可导出应变、应变率和应力 方程8 I ： ， 一r t e ( ) = 竽Ih ( ) 一，( ) d ( 1 ) ( ) ：竽 ，( ) 一e 。( ) ( 2 ) 出) = E “z ) ( 3 ) 式中：c 为弹性波在杆中的波速；Z 。为试件试验段的 原长( 即两夹持口试样长度) 揖( f ) 、e ，( ) 分别为作 用在试件上的入射波和透射波的应变

15、值；A 和A 。分 别为杆和试样的初始横截面积，E 为杆的 模量。 2 试验用四步法三维编织物试样规格 采用四步法l l 的纯玻纤三维编织物，见图 2 ( a ) 。用环氧树脂和3 甲基6 亚甲基二胺固化剂以 3 ：l 体积比混合液作为基体，采用树脂传递模塑工艺 复合固化成形。成形后复合材料纤维的体积含量约 为5 0 。横截面尺寸为( 9 0 0 2 ) m m 1 6m m ，将 长度切割成7 0m m 长的试件进行拉伸测试。其试样 如图2 ( b ) 所示。 图2四步法三维编织物与其成形后的复合材料 F i g 24 一s t e p3 一Db r a i d e df 矗b r i c

16、( a ) a n di t sc o m p o s i t e s ( b ) 3 结果和讨论 本文对三维编织复合材料进行了4 种应变率的 拉伸试验，其应变率分别为0 0 0 1 、8 0 0 、12 0 0 、 27 0 0s 一，其中0 0 0 1s 一是在I n s t r o n 机上测得，其余 在S B 拉杆上测得，每个应变率的试验次数以取 得3 个重复性较好的试验结果为准。图3 示出试验 所得原始波形。从图可看出，要得到同一材料的不 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remo

17、ve the watermark 4 8 纺织学报第2 9 卷 同应变率下的力学性能，就必须使输入波的幅值不 同，随着幅值的增加，其应变率才会增加。从图还可 以看出，随着输入波幅值的增加，其透射波的宽度逐 渐变窄，并且其上升沿变得更加陡峭。这说明材料 幽 脚 芷 o 棚 辎 量 籀 ( a ) 8 0 0 8 、 出 岳 在更短的时间产生破坏。图4 示出不同应变率下的 应力与时间曲线、应变率与时间曲线及应力与应变 曲线。图5 示出应变率与拉伸模量曲线、应变率与 最大应力曲线和应变率与相应最大应变曲线。 ( b ) 12 0 0 s 图3 不同应变率下典型的信号图 F i g 3T y p i

18、c a ls i g n a la td i f f r e n ts t m i n r a t e ( a ) 应力与时间曲线 28 0 0 2 4 0 0 20 0 0 16 0 0 l2 0 0 8 0 0 4 0 0 0 时间s ( b ) 应变率与时间曲线 出 脚 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 ( c 1 27 0 0 s 十O0 0 1r O24681 0 1 21 41 61 8 2 0 应变慌 图4 不同应变率下的应力与时间、应变率与时问和应力与应变曲线 ( c ) 应力与应变曲线 F i g 4

19、C u r v e s0 fs t r a i n t i m e ( a ) ，s t m i n r a t e t i m e ( b ) a n ds t r e s s s t r a i n ( c ) a td i f r e r e n ts n 面n r a t e 应变率s - 1 ( a ) 拉伸模量 应变率s - 1 ( b ) 最大拉伸应力 透 制 堪 垂 囊i 毯 罂 5 0 0 应变率s _ 1 ( c ) 相应拉伸应变 图5四步法三维编织复合材料在不同应变率下的拉伸模量、最大拉伸应力和相应拉伸应变 F i g 5 M o d I l l u s ( a ) ，t

20、 I l ep e a ks 眦s s ( b ) a n dt l l ep e a ks t m i n ( c ) o f4 一s t e p3 - Db r a j d e d 胁r i cc o m p o s i t e sa td i 能r e n ts t m i n r a t e 3 1 三维编织复合材料的刚度 从图5 ( a ) 中可看出，随着应变率的增加，复合 材料的刚度几乎呈线性的增加，其关系可以用下式 拟合： E = 3 9 6 65 + 0 0 0 54 ( 4 ) 3 2 三维编织复合材料的最大应力 从图5 ( b ) 中可知，随着应变率的增加，复合材 料的最大

21、应力几乎和刚度一样呈线性增加，其关系 如下： 仃m 缸= 2 7 3 4 7 63 + O 0 6 25 芒( 5 ) 崩R斟 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期唐予远等：四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能 4 9 3 3 三维编织复合材料的失效应变 在不同应变率下三维编织复合材料的失效应变 如图5 ( c ) 所示，在应变率和失效应变之间，并不像 最大应力和刚度那样线性明显，它有斜率绝对值逐 渐变小的趋势，但不很明显，所以依然能用一个线性

22、 关系来表达： e = 1 6 4 8 45 0 0 0 45 ( 6 ) 3 4 三维编织复合材料的损伤 图6 是不同应变率下的三维编织复合材料试样 拉伸破坏图。从图中可以看出，试样对应变率是敏 感的，在准静态下，明显看出是剪切破坏，有纤维拔 图6 三维编织复合材料在厚度方向上不同 应变率下的拉伸失效图 F i g 6 F a i l u r em o d e lo f4 一s t e p3 - Db r a i d e df h b r i cc o m p o s i t e s a l o n gd e p t ha td i 珏b r e n ts t r a i n r a t e

23、 ( a ) Q u a s i s t a t i c ； ( b ) S t r a i n r a t e8 0 0s - 。；( c ) S t m i n r a t e12 0 0s ； ( d ) S t m i n r a t e21 0 0s 一1 出，破坏是由纤维控制的，但随着应变率的增加，基 体破坏增加，大量的纤维被抽拔出来，且由准静态的 剪切破坏逐渐转变成了纵向破坏。 4结论 三维编织复合材料的准静态和高应变率( 8 0 0 、 l2 0 0 、21 0 0s 。1 ) 试验分别在I n s t m n 和间接式分离 s H T B 上完成。其在高应变率下的拉伸应力与应

24、变 曲线被获得，并与准静态下的应力与应变曲线进行 了比较。结果证明应力与应变曲线对应变率是敏感 的。随着应变率的增加，失效应变下降，特别与准静 态相比，高应变率下的失效应变下降更为急剧。其 拉伸的刚度和最大拉伸应力随着应变率的增加线性 增加。在不同应变率下的试样破坏图表明：在准静 态试验中，是剪切破坏，并伴有纤维拔出，高应变率 下，基体大量破坏，更多更长的纤维被拔出，形成纵 向破坏。黼 参考文献： 1 R e i dSR ， z h o uG I m p a c tb e h a v i o ro f f i b r e r e i n f o r c e d c o m p o s i t

25、e m a t e r i a l sa n ds t n J c t u r e s lC c a m b r i d g e E n g l a n d ：W 0 0 d h e a dP u b l i s h i n gL i m i t e d ，B o c aR a t o nB o s t o n N e wY o r kW a s h i n 昏o n ，D C ：C R CP r e s s ，2 0 0 0 2 s u nHY ，Q i a ox P r e d i c t i o no ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e

26、s o f3 一d i m e n s i o n a lb r a i d e d c o m p o s i t e s J c o m p o s i t e s S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，5 7 ：6 2 3 6 2 9 3 T a n gzx ， P o s t l eR M e c h a n i c so ft h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d e ds t m c t u r e sf o r c o m p o s i t em a t e r i a l s

27、p a n ： p r e d i c t i o no ft h ee l a s t i cm o d u l u s J c o m p o s i t es t m c t u r e s ， 2 0 0 1 5 1 ：4 5 1 4 5 7 4 T a n gzx ， P o s t l eR M e c h a n i c so fm r e e d i m e n s i o n a l b r a i d e d8 t m c t u r e sf o rc o m p o s i t em a t e r i a l s p a r t ：n o n l i n e a r

28、f i n i t ee l e m e n td e f o 硼a t i o n a n a l y s i s lJJ C o m p o s i t e S t 兀l c t u r e s ，2 0 0 2 ，5 5 ：3 0 7 3 1 7 5 G uB P r e d i c t i o no ft h eu n i a x i a lt e n s i l ec u r v eo f4 一s t e p3 一 d i m e n s i o n a lb r a i d e dp e r f o m J c o m p o s i t es t m c t u r e s ，

29、2 0 0 4 6 4 ：2 3 5 2 4 1 6 s u nx ，S u nc M e c h a n i c a lp m p e r t i e so ft h r e e d i m e n s i o n a l b m i d e dc o m p o s i t e s J c o m p o s i t es t m c t u r e s ，2 0 0 4 ，6 5 ： 4 8 5 4 9 2 7 S u nBz ，uF ，G uBz I n n u e n c eo f8 t r a i nr a t eo nt h e u n i a x i a lt e n s i

30、l eb e h a v i o ro f 4 - s t e p 3 一Db r a i d e d c o m p o s i t e s J C o r 印o s i t e s 胁A ，2 0 0 5 ，3 6 ( 1 1 ) ：1 4 7 7 1 4 8 5 8 M e y e r sMc D y n a m i cB e h a v i o ro fM a t e r i a l s M N e w Y o r k ：J o h nW i l e v & s o n s ，I n c ，1 9 9 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark