国产T300级碳纤维二维纺织结构复合材料的力学性能研究

国产T300级碳纤维二维纺织结构复合材料的力学性能研究王怡敏; 燕春云; 王永利
【期刊名称】《《高科技纤维与应用》》
【年(卷),期】2019(044)004
【总页数】6页(P46-51)
【关键词】二维编织; 机织物; 层合复合材料; 力学性能
【作者】王怡敏; 燕春云; 王永利
【作者单位】江苏恒神股份有限公司江苏丹阳 212300
【正文语种】中文
【中图分类】TQ342+.74
0 引言
二维编织复合材料是通过二维编织技术，先将纤维束直接编织成所需的各种变截面的不规则预成型体，然后以预成型体作为增强材料进行浸胶固化而直接形成复合材料结构。

二维编织过程的机械化能够很大程度上降低复合材料制件的生产时间，提高生产效率。

另外，二维编织能适用于多种成型工艺，从而使这些复杂制件的生产过程变得更加简单易行，在提高生产效率的同时，能够一定程度上降低生产成本，因此二维编织复合材料结构制品倍受关注[1]。

二维编织复合材料已被应用于航空航天、汽车、体育休闲等领域[2-5]，随着编织结构复合材料加工技术与设备的进一步发展，其应用领域将越来越宽广。

但目前使用国产碳纤维制作二维编织预成型
体的情况仍不常见，其力学性能仍需进行探究[6-12]。

本文分别将国产碳纤维二维编织物、经编织物、机织物作为增强材料，制成铺层结构复合材料，然后分别进行力学性能测试。

在表征国产碳纤维二维编织结构复合材料力学性能的同时，比较二维编织结构复合材料与经编织物、机织物结构复合材料的力学性能优劣。

1 实验材料
实验采用江苏恒神股份有限公司生产的HF10-3K、HF10-12K碳纤维和EL306环氧树脂体系。

碳纤维的主要性能参数见表1。

表1 碳纤维和树脂的主要性能参数材料密度/(g/m3)拉伸强度/MPa拉伸模量
/GPaHF10-3K/12K1.783 530232
2 样品制备
2.1 增强材料的制备
2.1.1 二维编织物的制备
设备采用江苏恒神股份有限公司的二维编织机，在直径为165 mm的圆柱型芯模上对HF10-12K碳纤维进行编织。

编织结构为2×2，编织角45°，织物克重为400 g/m2。

二维编织织物图片如图1(a)所示。

编织一层完成后，对织物进行定型处理，尽量减少纤维束间的移动，以保证编织角度，然后沿着芯模轴向裁下贴附在圆柱型芯模表面的织物。

用CAD软件测量织物照片上定型前、定型裁剪后不同位置的纤维夹角，测试方法如图2所示。

分别得出二维编织物定型前、定型裁剪后不同位置的编织角，如表2所示。

表2 定型前、定型裁剪后不同位置的编织角位置/cm1020304050607080定型前/°4545.44544.945.145.545.745.2定型后/°464746474646.54747
由表2可知，织物贴附在芯模表面时编织角均值为45.2°，裁剪下的二维编织物编织角为46.6°，这说明定型裁剪过程对编织物的结构影响较小。

图1 织物图片
图2 编织角测量
2.1.2 经编织物的制备
设备采用德国LIBA公司进口的多轴向经编机，对HF10-12K碳纤维进行铺层经编，织物中纤维排列方向为±45°，单方向纱层克重为200 g/m2，织物总克重为400
g/m2，织物图片如图1(b)所示。

为避免定型过程对测试结果的影响，对经编织物进行定型处理。

2.1.3 机织物的制备
设备采用德国Dornier进口的剑杆织机，分别使用HF10-3K、HF10-12K碳纤维
织造克重为200 g/m2、400 g/m2的机织物，分别标记为3K机织物、12K机织物，分别如图1(c)、(d)所示。

为避免定型过程对测试结果的影响，对机织物进行
定型处理。

2.2 层压板的制备
选择2.1中介绍的织物作为增强材料，EL306环氧树脂作为基体，采用VARI(真空辅助树脂灌注)工艺进行复合材料成型。

根据ASTM D 3039-14《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》、ASTM D 6641-16《采用组合加载压缩(CLC)试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性
能的试验方法》、ASTM D 790-15《未增强与增强塑料及电绝缘材料弯曲性能标准试验方法》、ASTM D2344-16《聚合物基复合材料及其层压板短梁强度标准试验方法》制作层压板，环氧树脂与固化剂的质量比为100 ∶85，固化制度为
80 ℃×3 h+130 ℃×3 h。

3 试验
3.1 C扫测试
为检测复合材料质量，确定试验数据的有效性，利用超声C扫检测成像系统对2.2
中的各种板材进行C扫测试。

3.2 力学性能测试
室温条件下，在INSTRON 3382电子万能材料试验机上分别对四种复合材料进行拉伸、压缩、弯曲和短梁测试，试样的受载荷方向均沿纤维方向或纤维的垂直方向。

每种试样重复试验6次。

4 试验结果与分析
4.1 织物结构分析
图1中的四种织物分别采用不同的生产工艺，所以织物中纤维的存在状态会有一
定的差异。

如图1(a)所示，二维编织物组织结构为2×2型，两个方向的编织纱线
产生交织时的间隔组织点为两个；在交织的位置，由于同根纤维在织物内外侧的转变，会产生纤维的屈曲。

但二维编织工艺能直接编织出等截面或者异形截面的预制体，使二维编织复合材料具有良好的制件结构整体性。

如图1(b)所示，经编织物表观平整度高，纤维平行伸直。

这是由于经编织物中的
纤维是通过平行展纱后进行铺放，纤维呈现无屈曲状态，可以充分发挥纤维的力学性能。

经编过程中，对纤维的机械损伤较小，并且起到固定多层纤维作用的捆绑纱也有助于提高复合材料的层间剪切性能。

如图1(c)、(d)所示，织物组织结构均为2/2斜纹，织物内部的纤维存在状态与图
1(a)相类似。

4.2 C扫图分析
以用于拉伸测试的板材为例，C扫测试结果如图3所示。

图3 四种层合板的C扫对比图
C扫图是层压板成型质量的反应，图像用不同颜色来反映出能量信号穿过制件到达下表面再反射回来时的能量强度。

当声波遇到缺陷时，接收器接收到的能量百分比会更高，导致C扫图的颜色由白色向红色渐变。

图3的二维坐标对应C扫时的板
材位置，图像颜色越趋近于白色，说明板材成型质量优良。

另外，C扫图的颜色越均匀，说明板材具有越高的结构一致性。

由于复合材料为各向异性材料，所以C扫图颜色呈现为淡蓝色。

对比图3中几种
织物增强复合材料的C扫图能够看出，12K机织物增强复合材料相对于其他材料
结构较为均匀，二维编织物、经编织物复合材料次之，3K机织物增强材料相对较差，这主要是由于3K机织物复合材料中的织物层数较多，从而使复合材料在成型时产生结构不均匀的概率更大。

另外，从图3中能够看出，这几种板材结构均较
为均匀，成型质量良好。

4.3 力学性能分析
4.3.1 拉伸性能
四种织物增强复合材料的拉伸强度和拉伸模量如图4所示。

图4 复合材料的拉伸强度和拉伸模量
由图4可知，经编织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度最大，12K机织物、
二维编织物和3K机织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度相近，比经编织物增强复合材料强度低约15%。

这主要是由于在织物生产过程中，经编织物中的纤维
为直接铺放，纤维呈现为平直状态，而机织物和二维编织物为两个方向的纤维交织而成，纤维呈现为屈曲状态，纤维的屈曲会使试样受拉伸载荷时不能完全发挥纤维的力学性能，从而导致强度较低。

相似地，3K机织物增强复合材料中纤维屈曲程度虽然相对较小，但其增强织物中的纱线交织点数量是12K机织物增强复合材料
的2倍，同样会影响复合材料的拉伸强度。

四种织物增强板材的模量无明显差别。

4.3.2 压缩性能
四种织物增强复合材料的压缩强度和压缩模量如图5所示。

图5 复合材料的压缩强度和压缩模量
由图5可知，经编织物、3K机织物增强复合材料的压缩强度相近且较高，12K机
织物、二维编织增强复合材料的压缩强度低约30%。

这可能是由于经编织物中纤维经展纱后呈现片层状态，而3K机织物中纤维的屈曲程度相对于二维编织物和12K机织物较。

板材受压时，纤维排布与受载荷方向越接近，纤维与树脂的界面更利于载荷的传递。

另外，具有相似屈曲状态的二维编织物和12K增强的复合材料具有相近的压缩强度。

几种复合材料的压缩模量较接近。

4.3.3 弯曲性能
四种织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量如图6所示。

图6 复合材料的弯曲强度和弯曲模量
由图5可知，经编织物增强复合材料的弯曲强度最高，3K机织物次之，二维编织物和12K机织物相对较差。

四种复合材料的弯曲模量相接近，最大相差约10%。

4.3.3 剪切性能
四种织物增强复合材料的剪切强度如图7所示。

图7 复合材料的剪切强度
由图7可知，3K机织物的剪切强度约为其他织物的2倍，这主要由于3K机织物增强复合材料的铺层层数约为其他材料的2倍。

层数越多，板材中增强材料与树脂的接触面积越大，界面结合力约为其他织物的2倍，从而使板材的剪切强度更高。

由以上可知，使用国产碳纤维生产的二维编织物增强复合材料结构均匀，成型质量良好，其力学性能与相同克重的机织物相接近。

5 结论
(1)对二维编织织物的定型处理，能尽量减少纤维间的滑动，织物贴附在芯模表面时编织角为45.2°，裁剪下的二维编织物编织角为46.6°，定型裁剪过程对编织物的结构影响较小。

(2)四种织物增强复合材料结构均较为均匀，成型质量良好。

(3)经编织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度最大，12K机织物、二维编织物和3K机织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度相近，比经编织物增强复合材料强度低约15%；经编织物、3K机织物增强复合材料的压缩强度相近且较高，12K 机织物、二维编织增强复合材料的压缩强度低约30%；经编织物增强复合材料的弯曲强度最高，3K机织物次之，二维编织物和12K机织物相对较差。

四种复合材料的弯曲模量相接近，最大相差约10%；3K机织物的剪切强度约为其他织物的2倍。

(4)使用国产碳纤维生产的二维编织物增强复合材料结构均匀，成型质量良好，其力学性能与相同克重的机织物相接近。

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