研究复合材料三维编织预成型件

研究复合材料三维编织预成型件/间层的剪切变形先进纺织复合材料的教育部重点实验室，复合材料研究所，天津工业大学，天津300387，中华人民国

纺织和制衣部门，生物与农业工程系，美国加州大学戴维斯分校

【摘要】这项研究提出了具有不同的面料密度的三维角联锁预成型件的面剪切和层间剪切行为。对三维织物预成型件进行画框剪切试验，分析了剪切应力与剪切角度的非线性曲线和变形机理。设计了一个新的测试方法来确定的层间剪切性能表征。经过层间剪切试验后的样本，通过调查拉出的纱线和中间结构发现变形和破坏机制。结果表明织物密度对三维联锁预成型件面剪切和层间剪切性能有重要的影响，并且织物密度的增加，剪切行为减小。织物密度越低，可变形性越好。层间剪切破坏模式是从织物上引出的粘结剂纱线。希望该研究可以为建立理论模型提供试验基础。

1.引言

连续纤维增强复合树脂基材料引起了很多重视，这都是由于它们所具有的优势，例如高性能，加工周期短，维修和焊接的可能性[1–4]。虽然层压复合材料具有优异的面力学性能，但是层间复合材料的应用围因厚度受到限制，这是由于差的层间性质。三维纺织结构复合材料具有厚度优势，好的破坏误差和有利的影响，抗疲劳优点[5–9]。

作为三维纺织结构加强的复合材料的一种，三维角联锁织物已被广泛地应用于工程领域，归于它在传统织机简单和有效地加工[10–12]。另外，三维角联锁织物最吸引的优点是具有近终成形能力的制造复合材料[13]。三维角联锁预成型件有卓越的机械性能和好的可成形性（图1）。随着预成型技术的发展，可以生产出形状复杂和不同尺寸的结构件。

图1三维角联锁织物的半球成形

在复合材料生产的结构集成制造中，三维角联锁是根据最终复合材料产品形状预成型，该形状可以是复杂的[14–16]。对于三维织物，平面的行为和层间的行为是最重要的变形，并且剪切行为材料变形的主要模式[17〜19]。研究三维角联锁织物层和层间的剪切行为是有价值的，因为在生产中它们被广泛应用，尤其是成形工艺。

二维织物的面剪切行为已有比较好的研究。Zhu等人[20,21]通过实验测试仔细研究了二维织物面表征特性，并且发现了发现纱线的减少是起皱的一个关键。Hivet等[22,23]使用相框测试方法]研究了二维织物剪切性能，并指出在实验过程中，剪切结果对纱线的力敏感。拉伸力随剪切角增大而增大。Lomov等[24,25]通过相框试验提出对在三种不同预力状态的非平衡2/2斜纹玻璃/ PP织物的剪切测试，并且研究在纱线方向的拉力载荷对织物的剪切抗力的影响及可重复性的方法。基于二维Lin等人[26]建立了织物的几何形状来模拟的面剪切的有限元模型，仿真结果与实验相同。Cao等。[ 27 ]比较了相框剪切试验结果，这些结果来于用于制定标准的测试设置获得准确的和适当的材料特性的七个不同实验室的。Chen等[28] 开发了有限元模型来预测层压板面和层间的剪切性能。然而，三维角联锁织物的面/层间的剪切行为很少有报道。Charmetant等[29]建立了半球模型来仿真三维织物成形。

在这篇文章，报道了一份仔细研究了关于不同织物密度的三维角联锁织物面剪切和层间剪切行为。记录了剪切应力和剪切角度曲线和面剪切测试的起皱位置，并且它们相互比较，分析了层剪切试验的应力-位移曲线。另外，面剪切非线性曲线的三个阶段被表征。呈现层间剪切破坏形态并且被比较从而在剪切测试

过程中获得三维机织物的结构效应。它可以为研究成形性和理论分析提供基础。

2.实验的具体容

2.1材料

图2是三维角联锁织物的图片和半球横截面。织物样本是用玻璃纤维细丝制成的。它们的规格列在表1。三维角联锁织物结构的草图示意图如图3 来图解说明具体的预成型结构。对于这种架构，由三组不同的纱线系统组成，即经纱，纬纱和粘合纱，它提出了一个层到层的角联锁结构，其中经纱和纬纱都几乎直，粘合纱显示出不同的起伏，连接卷曲的纬纱层的上层和下层，使它们接合，形成一个稳定的织物结构[10]。非卷曲经纱和纬纱敷设在0°/90°序列里，彼此无编织。粘合纱的线密度小于该经线和纬线的线密度，它只是在预成型体起到了部分的连接作用。这种结构特征保证了沿经线和纬线方向的高刚度和高强度。

图2三维角联锁变形照片；（a）是表面（b）是横截面表1三维角联锁变形的结构参数

图3三维角联锁变形的示意图

2.2部层剪切测试

相框测试是一种有效的方式表征织物的部层剪切性能。三维织物的剪切试验根据相框的大小，样本的特征如图4所描述。为了防止大的变形时由夹具施加在预成型件的压力，剪切变形的中心区域是100mmX100mm，且四角落部份被切掉。剪切试验在岛津1kNE万能试验机器上以10 mm / min的十字头速度进行的。三个样本每个结构都被测试。在实验过程中，相框试验被改善是为了确保纯剪切载荷，例如，以最小化边缘约束和促进织物的夹持，等等[30-34]。

图4用于剪切试验的织物样本的示意图

问题：

（1）图像帧的臂由滚动轴承连接而不是轴连接。框架之间的摩擦是剪切的结果的一个重要因素，由于在剪切的初始阶段，纱线之间小的剪切力。之前摩擦- 位移曲线和改进后的摩擦- 位移曲线如图5所示。可以看出，框架的摩擦保持稳定且小，改善后的值在0.04–0.08 N围，摩擦不会影响试验结果。

图5改善前后摩擦力的比较

（2）纱线的定位得到了提高。剪切结果和样本的定位高度相关，尤其是对带有较低卷曲的织物。如图6所示，定位不当，在剪切力测试时，可引起大的纱线力纱线或者纱线松弛。因此，样品中的纱线应与框架平行。四个框架子啊中央位置开槽（如图7），槽的宽度等于,夹持部件中织物的宽度。当织物放在槽中，纱线不能移动。没有一个纱线出现偏差，纯剪切载荷可以得到。

图6剪切变形后处于两个不同位置的纱线状态

图7相框法的示意图

（3）一个新型的板是用来防止在测试过程中织物滑动。不同类型的板用于相框试验中，最佳的折中是在粘合橡胶（如图8）的铝板。用超级胶水将两个板粘合到织物的每一面，然后将其拧入相框。由于它良好的弹性，橡胶层使纱线无滑动。这种技术可以导致在应变区域好均匀性，对织物行为有轻微的影响。这些板也可以用于其它的测试。

图8板的示意图

2.3层间剪切测试

层间剪切行为是重要的变形方式，尤其是对于三维织物[37]。设计一个新的测试装置来表征三维角联锁织物的跨层剪切性能，根据美国材料与试验协会：C273标准。在拉伸试验机的加载装置的示意图如图9所示。这是一台通用的岛津1kNE测试机器。图10给出层间剪切测试的样本图。测试的样本尺寸是分别沿经向和纬纱方向是50 mm X40 mm，并且十字头速度为1mm/min。首先用超