二维与三维机织复合材料力学性能的实验研究

主要力学性能参数。可以看到， 三 维结构的拉伸强力和弹性模量均 高于层合板， 但层合板的应变要大 于三维结构， 这主要由两个原因造 成： 一是纤维含量不同； 二是层合 板纱线存在屈曲， 承受拉伸作用时 纱线潜能的一部分浪费在垂直方 向推开另一系统的纱线， 造成其模 量的显著降低
［ 53 ］
图 :） 可以看到， 三维经向拉 伸 试 样 （ 图 1’） 破坏后， 断口为平断口， 纤维束明显都被拉断、 抽拔； 三维 经向压缩破坏断口的照片 （ 图 :’ ） 显示， 破坏面与试样的表面成一定 的夹角， 为剪切破坏。同时二维机 织复合材料的拉压破坏形式与三 维的基本一致， 只是由于二维材料 中纱线张力不均匀， 拉伸破坏时断 裂不一致。 综上所述， 三维正交机织复合 材料和二维层合板的拉伸强度均 明显高于自身的压缩强度。这里 拉伸与压缩强度的差异主要是因 为复合材料拉伸和压缩破坏机理 不同： 拉伸强度主要由纤维束的拉 伸强度决定， 而压缩强度主要是由 纤维束和基体之间的界面性能以 及纤维束的压剪组合破坏情况所
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3227 ， 试件加工成哑铃状 （ 图 3） 。 图 3 中 !、 "、 #、 $ 和 % 分别表示总 长 （ 最小） 、 端头宽度、 厚度、 中间平 行段长度和夹具间距离。中间平 行段 宽 度 & 为 52 ;;。 实 验 在 ABCA D?522 计 算 机 控 制 电 子 万 能 实 验 机 上 进 行， 加载速度为 > ;; E ;F-。压 缩 实 验 参 照 标 准 ?G E ) 5447$3227 ， 试件 尺 寸 （长 H 宽 H 厚） 为 37 ;; H 52 ;; H 57 ;;， 分别沿材料经、 纬向加载， 加 载方 式 如 图 > 所 示， 实 验 在 IC$ A)JKC >>93 计算机控制电子实验 机上进行， 加载速度为 > ;; E ;F-。
>! 实验结果及分析
图 4 为两材料的拉伸应力 L 应变曲线， 表 3 列出了两种材料的
表 #" 复合材料力学性能参数表 三维正交机织复合材料 属! ! 性 拉伸 拉伸强度 （ <=’） 拉伸模量 （ ?=’） 泊松比 破坏模式 压缩 压缩强度 （ <=’） 压缩模量 （ ?=’） 破坏模式 图 >! 试件压缩加载示意图 二维机织层合板 经! 向 4278 >4 5@8 3: 28 35 拉伸 >2:8 45 538 54 剪切、 分层 4248 :4 328 45 28 3> 拉伸 >398 4: 558 94 剪切、 开裂 纬! 向 4:>8 49 3>8 44 28 59 拉伸 4>28 @4 5>8 79 剪切、 开裂
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二维与三维机织复合材料力学 性能的实验研究
戎! 琦! 邱夷平! ! 东华大学纺织学院 （ 中国）
合材料 （ 玻璃纤维 ) 不饱和聚酯树
摘! 要： 对超厚三维正交机织复合材料及二维机织层合板分别进行了拉伸和压缩实 验， 研究比较了两种复合材料刚度和强度特性的差异。研究发现无论是三维 机织材料的拉压还是二维层合板的拉压应力应变曲线都近似为直线， 而且具 有脆性破坏的特点； 三维复合材料的拉压强度要高于二维层合板。这主要是 由于材料不同的增强相结构及纤维含量造成； 不同的破坏模式对材料强度影 响很大。 关键词： 超厚三维正交机织复合材料，层合板， 拉伸试验， 压缩试验
76=51 0*)A.43 *? P=7.?*A8=: -3456785 4.: Q*9; E*576=5， ’GRR ， ’& （ % ）： $!$ K $&& H" L4. -，L*.< M，,6=>=. N -1 F*:=35 ?*A EA=; :7867.< 6@=A9*9=8@4.7843 EA*E=A67=5 *? 6@A==; :79=.57*.43 *A6@*<*.43 C*>=. 8*9E*576=51 0*)A.43 *? P=7.?*A8=: -3456785 4.: Q*9E*5 ;
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表 !" 复合材料参数表 参! 数 纱线类型 纱线线密度 （ ./0） 纤维体积分数 （6 ） 树脂类型 材料厚度 （ ;;） 二维平纹机 织层合板 #$%&’(( 122 75 不饱和聚酯 57 三维正交机织复合材料 经向 #$%&’(( 3 422 358 5 纬向 3 422 398 7 不饱和聚酯 57 图 3! 哑铃状试件示意图 " 纱线 552 38 :
图 &" 压缩破坏图
’GGG ， ’R （ I ）： ’$’ K ’R$ 76=5， !" L4. -，L*.< M S，,6=>=. N -1 /=@4>7*A *? HO *A6@*<*.43 C*>=. QTP- 8*9E*576=51 -4A6 UU1 T2V 4.: 4.43W67843 9*:=37.< 4EEA*48@=5， Q*9E*576=5 -4A6 V1 VEE37=: ,87=.8= 4.: F4.)?486)A7.<， IJJJ ， H’ （ H ）： I&H K IR’
图 %" 拉伸破坏图
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［ "］
维机织复合材料的强力模型， 并对 三维正交结构在拉伸和剪切载荷 作用下的破坏方式分别进行预测。
［ 7］ 易洪雷等 通过总结三维机织复
! @ "# 实验材料 超厚三维正交机织物在三维 多剑杆织机上织造而成， 纤维损伤 较小， 采 用 A#B%1 技 术 固 化 成 形， 材料平均厚度 "C ??， 图" 为 结构示意图。二维层合板和三维 正交机织复合材料具体参数详见 表 "。 ! @ !# 实验方法 拉伸实验参照标准 D; ) % "EE5F
图 "! 三维正交机织物示意图
对三维 正
交碳 ) 环氧复合材料的细观结构、 弹性模量及裂纹扩展做了分析讨 论。%*+ 等
［ , - .］
对三维正交机织复
合材料 做 了 大 量 的 研 究， 包括用 /01 进行单胞分析、 热弹性能及实 验特性分析 等 。 2*34 等 CE
［ 5， 6］
在两
! 国际纺织导报 !$$% 年第 "" 期
脂） 与二维层合板 （ 玻璃纤维 ) 不饱 和聚酯树脂） 分别进行拉伸和压缩 实验， 分析对比两种材料的刚度、 强度特性以及材料失效破坏模式， 其目的是为材料的应用提供参考 依据， 丰富复合材料基础数据库。
,! 实验部分
水平重复单胞的基础上建立了三
"! 引言
传统的层合板沿厚度方向的 性能很差， 具有易分层、 抗冲击性 能差、 损伤容限低的缺点。三维机 织复合材料由于引入沿厚度方向 的纤维， 使得沿厚度方向的性能提 高很多。美国宇航局制定的 #$% 计划发展先进复合材料， 使机织复 合材料在大型民航客机中得到更 广泛的应用。随着机织复合材料 在航天、 航空等领域越来越广泛的 应用， 对三维机织复合材料进行了 大量的研究。 &’( 等
［ 5> ］ 。 决定
。
图 7 为三维正交复合材料及 二维层合板的压缩应力 L 应变曲 线。可以看到， 二维层合板的压缩 强度及模量都要小于三维结构的 复合材料， 原因主要是层合板的纱 线存在屈曲， 并且三维结构的材料 其阻止了材 存在 " 方向绑定纱线， 料中纱线的弯曲起拱， 在增大材料 压缩破坏应变的同时， 也提高了压 缩破坏强度。 从试 样 的 破 坏 照 片 （ 图 1、
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" 国际纺织导报 !""# 年第 $$ 期
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合材料力学性能的研究， 发现三维 机织复合材料力学性能不仅取决 于纤维和基体性能， 还与三维增强
［ ": ］ 对三 结构密切相关。 $*88’9 等
种不同结构的三维机织复合材料 的 拉 伸 性 能 作 了 研 究。 ;<*+=>
［ "" ］ 对三维结构的夹心材料与一 等
般材料的力学性能作了分析， 并对 其影响因素作了总结。 以上大量的研究对象都是厚 度低于 ": ?? 的复合材料， 在很多 实际应用时， 特别是在航空航天等 军事、 民用领域， 这个厚度远不能 满足实际需要， 因此织造、 研究超 厚三 维 复 合 材 料 显 得 尤 为 重 要。 本文通过对超厚三维正交机织复
! 国际纺织导报 #$$% 年第 !! 期
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Байду номын сангаас
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图 !" 三维正交复合材料及二维层合板的拉伸应力 # 应变 曲线
图 $" 三维正交复合材料及二维层合板的压缩应力 # 应变 曲线
!" 结论
通过对三维正交机织复合材 料和二维层合板的拉压性能进行 研究对 比 分 析， 我们得到以下结 论： # 两种复合材料的拉压应力 应变曲线均近似成线性关系， 破坏 认为是脆性破坏。 # 三维复合材料的拉压强度 都要高于二维层合板的拉压强度， 这主要是由于材料的纤维含量、 层 合板纱线存在屈曲以及织造工艺 等因素造成的。 # 不同的拉伸、 压缩破坏机理 造成了材料的拉压强度的差异， 实 验数据证实， 材料拉伸强度明显高 于自身的压缩强度。 参 考 文 献