异制件用三维编织复合材料的拉伸性能.pdf

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1、第2 7 卷第9 期 2 0 0 6 年9 月 纺织学报 J o 哪a lo f r e 姬l eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 9 S e p 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 9 0 0 0 1 0 4 异制件用三维编织复合材料的拉伸性能 焦亚男，李嘉禄 ( 天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要通过对具有不同减纱结构参数的三维编织复合材料试件做纵向拉伸实验，分析了该类材料的拉伸性能随 编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。结果表明，纤维体积含量相同时，减纱使复合材

2、料的强度有所降 低，初始模量变化不大；减纱点缺陷对复合材料拉伸性能影响较小，试件断裂断面位置具有随机性；如出现一段纱 线空缺对性能影响较大，试件大都在减纱截面断裂；如必须减纱才能完成制件的外形尺寸，应使减纱点在整个制件 内均匀分布，每个截面的减纱数量不超过总数的1 0 。 关键词三维编织；异制件；减纱；拉伸性能 中图分类号：T B 3 3文献标识码：A T e 璐n ep r o p e m e so f3 - Db 喇d e dc o m p o s i t e sw i t hp r 施l e dp i e c e J I A OY a n a I l ，UJ i a l u ( 死”够n

3、 研鼬D r 啪可矿A d m n c e dc D ，印姚肠妣砌b ，彬，lP o 加B 如n 如u 砌】e 倦蚵，研n3 0 0 1 6 0 ，吼i M ) A h t r a c tI h el o n g i t u d i n a lt e n s i l et e s t sw e r ec o n d u c t e do nt h e3 一Db r a j d e dc o m p o s i t e s 研mV a r i o u sy 锄 c u t t i n gd o w np 跏e t e r s T h ee 丘e c to fb r a i d i n gp a

4、m m e t e r so nt h et e n s i l ep r o p e r t i e sw a sd i s c u s s e d ，印dt l l e f 越l u r em e c h a r l i s mo fm a t e I i a l sw a si n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wm a tw h e n 山ef i b e rv 0 1 u I n ef 壬a c t i o ni s e q u i v a l e n t ，c u t t i n gd o w no fy 锄sr e d u

5、 c e st h es t r e n g 山o ft l l ec o m p o s i t e s ， b u t h a sl i t t l ee H - e c to nt h ei n i t i a l m o d u l u s T h ed e f e c t i V ep o i n tr e s u l t e df 而my 哪c u t t i n gd o w nh a ss m a l li n n u e n c eo nt e n s i l e p m p e r t y ，a I l dt h e f 壬a c t u r es e c t i o no

6、 fs a m p l e sp r e s e m sar a n d o mc h a r a c t e r i s t i c L a c k i n gy 锄i nac e r t a i n1 e n 对hh a sm o r e i n n u e n c eo nt e n s i l ep r o p e 啊，a I l db r e a I 【a g eo c c u r sm o s t l ya tt l l ey 锄l a c k i n gs e c t i o n w h e ny a mc u t t i n gd o w n i sn e c e s s a

7、r yt om e e tt l en e e d so fc o n t o u rs i z e ， t h ey a mc u t t i n gd o w ns h o u l db ed i s t I i b u t e du n i f o n l ：l l yi nt l l e w h o l ec o r n p o s i t em a t e r i a l ，a I l dt h en u I I l l k ro fy 锄c u t t i n gd o w ni ne v e I ys e c t i o ns h o u l db en om o l - et

8、l l a l l1 0 o f t l l et o t a l K e yw o r d s 3 一Db r a i d i n g ；p r 幽l e dp i e c e ；y a mc u t t i n gd o w n ；t e n s i l ep m p e n y 随着航空航天事业的发展，2 0 世纪7 0 年代开 始采用编织工艺制造三维整体复合材料构件。它一 方面提高了织物层间剪切强度，消除了分层，具有显 著的抗冲击损伤和抗裂纹扩展能力2o ；另一方面在 编织时可以改变工艺过程，直接仿形编织成截面异 形、沿轴向变截面和开孔、分叉的各种预制件，复合 后无需加工即可使用。在工

9、程实践中，沿编织轴 方向截面变化的异形件，必须通过编织过程中增减 纱线数量或改变纱线排列来实现，增减纱工艺是为 实现复合材料构件外形尺寸要求而实施的工艺方 法4 | ，纱线数量和排列的变化对力学性能会产生一 定影响。本文以纱线数量变化中的减纱构造为例， 研究了不同减纱方法对材料拉伸性能的影响，以优 化异制件编织减纱工艺，为今后的应用提供参考。 1 三维异形编织预制件 三维编织按携纱器排列形式分为圆形编织和方 收稿日期：2 0 0 5 1 2 2 2修回日期：2 0 0 6 0 4 一1 9 基金项目：天津市自然科学基金资助项目( 0 2 3 6 0 4 9 1 1 ) 作者简介：焦亚男( 1

10、9 7 1 一) ，女，副教授，博士。主要研究领域为三雏编织复合材料设计与成型。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【2 】纺织学报第2 7 卷 形编织b 1 。规则结构预制件截面为矩形或圆环形， 沿长度方向截面不变化。异形结构是相对规则结构 而言的，异形截面指截面为工字形、T 字形、盒形等 矩形组合形状或圆形组合形状，但沿编织轴向截面 不变化；变截面构件是指沿制件的长度方向其横截 面尺寸是变化的。例如航天领域常用的锥套体预制 件，它的横截面是一种连

11、续的、均匀变化的不等截 面，编织过程如果从尺寸较大的一端开始，为保证纤 维体积含量沿轴向一致，需要逐渐减掉部分纱线。 根据三维四步法编织的运动规律和纱线交织情 况哺7 ，减纱有2 种方式：一是减掉一定数量的整根 纤维束；二是减小纤维束细度。减纱参数包括减纱 数量、减纱截面数量、减少细度等，通过合理设计减 纱工艺参数，可以生产不同锥度的异制件。 2实验部分 2 1实验设计 为研究不同结构参数下减纱方法和纱线构造对 复合材料力学性能的影响，设计了几种采用不同减 纱方法编织预制件的方案，具体如表l 所示。 表l 三维编织预制件的减纱方案 为了研究预制件减纱截面纱线构造，设计了两 类减纱截面结构。一类

12、是纱线断开位置处只是一 点，没有形成一段距离，用R A 表示。如图l 中符号 “”表示纱线在此点断开。另一类是剪断处相隔 2 3 个花节长度，使这段预制件中纱线总量少于其 它位置，用m 表示。图1 中2 个圆圈或2 个方块之 间的距离表示纱线空缺部分。 图1 两类减纱截面结构图 2 2 材料和试件 试件采用碳纤维预制件增强环氧树脂。碳纤维 是日本产的r 1 3 0 0 B 一3 0 0 0 4 0 B 合股而成的1 2K 纤维 束，即每束内有1 20 0 0 根单丝，纤维束线密度8 0 0t e x ， 纵向拉伸模量2 3 0G P a 。预制件用四步法方形l l 编织工艺制作，编织结构为三维

13、四向。按表l 所示 减纱方法和两类减纱截面结构进行减纱，复合后制 成试件。试件两端粘贴有加强片，试件的形状和尺 寸如图2 所示。 单位：m 图2 试件形状和尺寸 2 3 拉伸性能测试 拉伸实验参照G B1 4 4 7 8 3 以及相关的A s T M 测试标准。实验在日本岛津公司的A G 2 5 0 K N E 型 万能材料试验机上进行。采用s G 5 0 1 0 型纵向引伸 仪测量试件的变形。 表2 、3 分别给出了R A 、R I 类试件测量结果的 平均值。 表2I 认类试件拉伸测试数据平均值 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from

14、www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第9 期焦亚男等：异制件用三维编织复合材料的拉伸性能【3 】 表3 砒类试件拉伸测试数据平均值 对于减纱试件，断口大都位于减纱截面处，减纱 截面纤维体积含量的计算式为 N N = 宁髟 ( 1 ) 式中，K 为减纱截面纤维体积含量( ) ；为编织 纱线的总根数；f 为减掉的纱线数量；K 为整体试 件的纤维体积含量( ) 。 3 结果与分析 3 1 断裂试件观察 三维编织复合材料是由碳纤维预制件增强环氧 树脂构成，是一种各向异性的结构材料。组分材料 预制件在有些区域可能会出现排列过密或不平直， 复合过程中树脂的浸

15、渍有时会不均匀或出现气泡。 所以断裂载荷和变形除受工艺参数、结构参数的影 响外，制造工艺中的薄弱环节亦起一定作用。破坏 过程大致经历基体材料出现裂纹并扩展、个别纤维 束与基体界面脱开、纤维或拔出或直接断裂几个 阶段。 R A 类试件纱线断开处只是一个点，在复合后由 树脂粘结又形成一个整体，与没有减纱的截面很类 似。拉伸破坏为脆性断裂，截面位置有随机性，如 图3 所示。 图3I 认类试件断裂状态照片 R I 类试件拉伸呈脆性破坏。由于纱线剪断处 相隔一段长度，这段试件的纱线总量少于其它位置。 断裂截面位置除R I T 1 0 组外，均发生在纱线总量减 少的截面。R I T 1 0 组是在两个截面

16、剪断纱线，每个 截面减纱较少，断裂截面有随机性，见图4 。 图4m 类试件断裂状态照片 3 2 实验数据分析 3 2 1 整体试件与减纱试件性能比较 对于R A 类减纱截面结构，减纱试件的强度均 小于整体试件。当减纱试件的编织角、纤维体积含 量与整体试件相近时，其刚度亦接近于整体件；当减 纱试件与整体试件编织角相近，而纤维体积含量较 大时，其刚度大于整体试件。 对于R I 类减纱截面结构，编织角、纤维体积含 量与整体试件相近时，其各组强度、刚度均小于整体 试件。 R A 类减纱截面结构试件的拉伸强度、拉伸刚度 均大于R I 类。 3 2 2 减纱数量与拉伸性能的关系 不同的减纱数量对拉伸性能的

17、影响不同，在同 一截面减纱数量3 0 根与1 0 根相比，强度降低了 4 0 ，刚度降低了3 2 。 3 2 3 减纱截面数量与拉伸性能的关系 同样的减纱数量分布在1 个截面或多个截面对 拉伸性能的影响亦不同。R A 类试件中，同样减纱 1 0 根分布在1 个截面的R A J 1 0 与分布在2 个截面 的R A T 1 0 相比，2 个截面断纱时，无论强度、刚度均 有降低。R I 类试件中，同样减纱1 0 根时，2 个截面 断纱的试件强度略低，但刚度升高。这是由于拉伸 试件断裂时断面呈现随机性，且断口处纤维体积含 量较高。 3 2 4 纤维体积含量与拉伸性能的关系 拉伸性能和试件的纤维体积含

18、量有直接关系。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【4 】 纺织学报第2 7 卷 以R A T 1 0 与R A T 1 0 G 的2 组典型数据为例进行比 较，当减纱方案与减纱数量相同，纤维体积含量从 5 2 5 9 提高到5 9 6 5 时，相对应的强度提高了 2 ，刚度提高了4 5 ；R A 类样本中，减纱J 3 0 组的 强度比无减纱组下降了3 0 ，但初始模量却增加了 2 5 ，主要是由于纤维体积含量增加了1 0 的原 故；R I 类试件出

19、现了减纱段，部分减纱截面的纤维 体积含量降低，形成整体试件的薄弱环节，J 3 0 组和 I N 组试件相比，减纱截面即断口处纤维体积含量降 低了1 2 ，因此模量下降了5 8 。由以上分析可以 看出纤维体积含量对刚度的影响较大。 4结论 1 ) 减纱使复合材料的强度降低，R A 类试件刚度 略有变化，而R I 类试件刚度降低明显。从一个侧面 亦说明在编织过程中出现一定数量的断纱点对复合 材料的力学性能影响很小，而出现一段空缺纱线则 对复合材料的力学性能影响较大。 2 ) 由实验数据分析可知，为保证复合材料有足 够的强度和刚度，一般情况下每个截面的减纱数量 应控制在总纱线数量的1 0 以下较为安

20、全。如果 减纱数量较多，应分布在多个截面上并使截面间距 超过纤维的抽拔长度。 3 ) 在编织角、纤维体积含量相近的情况下，减纱 方法对力学性能略有影响。 4 ) 对复合材料进行设计时，应综合考虑制作工 艺、编织角、纤维体积含量的影响，并对其进行优化， 以满足使用需求。 参考文献： K o 胁J l l 【K I e 姬l eS 咖c t l l r 砒C 锄p o s i t e s M N e wY 0 r k ： E 1 v i e rP U b l i s h e r 1 9 8 9 1 2 9 1 7 1 陶肖明，冼杏娟，高冠勋纺织结构复合材料 M 北 京：科学出版社，2 0 0 1

21、2 9 2 3 0 0 吴德隆，沈怀荣纺织结构复合材料的力学性能 M 长沙：国防科技大学出版社，1 9 9 8 4 焦亚男，李嘉禄，周清四步法三维截锥状编织物的工 艺研究 A 见：王玉林第十二届全国复合材料学术 会议( I c c M 1 2 ) 论文集 c 天津：天津大学出版社， 2 0 0 2 1 0 6 1 1 0 6 4 UW ，H a m m a dM ，E l - S l l i e k hA S t m c t u m l 蛐a l y s i so f3 - D b m i d e d p r e f b 衄s f o rc o m p i t e s p a n I ：t l

22、 l e f o u r - s t e p p 陀f o I m s J JT e x tI n s t ，1 9 9 0 ，8 1 ：4 9 1 5 1 4 W a n gYQ ，W 蛐gASD 0 nt l I et o p o l o 舀c a ly 帅栅c t u r e o f3 - Dr e c t a I l g I l l a r 髓dt I l b I l l 盯b r a i d e d p m f o m s J C o m p o s i t e sS c i e n c e 蛐dT e c l I l o l o 盯，1 9 9 4 ，5 1 ：5 7 5 5 8 6 陈利，李嘉禄，李学明三维编织中纱线的运动规律 分析 J 复合材料学报，2 0 0 2 ，1 9 ( 2 ) ：7 1 7 4 、j 1 J 1 j 1 J 1 J 1 2 3 4 5 6 7 rrl-rL r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark