三维全五向编织复合材料的压缩性能

曹海建，钱 坤，徐文新，李 雅，臧 红

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏无锡 214122;2.江苏旷达汽车织物集团股份有限公司，江苏常州 213179)

三维编织复合材料是一种新型结构材料，具有层间结合力强、抗冲击性能好等特点，在航空航天、轨道交通、船舶、建筑等领域得到了广泛的应用［1－2］。目前，三维编织复合材料种类大致可分为:三维四向、三维五向及三维全五向编织复合材料等。其中三维五向编织复合材料是在传统三维四向编织结构基础上发展起来的，它通过在三维四向结构部分编织空隙沿轴向添加轴纱(第五向纱)来实现，这种结构使材料的纤维体积分数和轴向力学性能得到较大提高，为该结构材料作为主承力构件提供了可能［3－5］。近年来，国内外许多学者研究发现，三维五向编织复合材料中仍剩余较多编织空隙无轴纱占据，限制了三维五向编织材料力学性能的大幅度提高。因此，文献［6－7］尝试在所有编织空隙中加入轴纱，实验结果表明，该结构材料的纤维体积分数和力学性能均得到大幅提高，并将此结构材料称为三维全五向编织复合材料。皮秀标等［8］从细观结构层次建立了三维全五向编织复合材料的单胞模型，并分析了材料的空间结构形态，探讨了编织工艺参数间的关系，并对纤维体积含量进行了模拟计算，发现计算值与实测值具有较好的一致性。

总体看来，目前关于三维全五向编织复合材料的相关研究还较少。本文将基于四步法1×1编织工艺，分别制备三维五向、三维全五向编织结构复合材料，并对比分析上述2类结构材料的压缩性能，研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响，研究结果将为该类结构材料的优化设计及综合性能研究奠定重要的基础。

1 编织复合材料的制备

1.1 原料与设备

纤维原料:1 200 tex高强无碱玻璃纤维，中材科技股份有限公司提供。

树脂基体:E51环氧树脂(黏度19 Pa·s，密度1.24 g/cm3)，70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)，无锡树脂厂提供。

仪器设备:全自动模块组合式编织平台，北京柏瑞鼎科技有限公司;RTM注射系统，法国 Isojet公司。

1.2 复合材料的制备

三维编织复合材料预制件(编织物)的制备参见文献［9］。第1步，预制件(编织物)预处理。将预制件置于烘箱中加热烘干，去除水分，待烘干后，取出称其净重，备用。第2步，模具表面处理。利用浸有乙酸乙酯的清洁布擦除模具表面残留的脱模剂和油污，并晾干。第3步，预制件放入模具。将预制件放入模具，合上模具，放入烘箱中预热30 min，烘箱温度60℃;设置注塑速率，注塑头、管道和树脂储存罐温度，注塑压力等工艺参数，并辅以抽真空工序。第4步，预制件复合成型。将配制好的树脂基体注入模具，注塑过程中模具不可随意移动，待注塑完毕后，切断树脂流动管道，密封模具注塑口和树脂回流口，关上烘箱，保温固化处理24 h。第5步，待模具冷却后，打开模具、取出制备好的三维编织复合材料，备用。

2 压缩性能

2.1 测试设备

采用美国3385H型INSTRON万能材料试验机进行压缩性能测试。最大施加载荷为250 kN，位移分辨率为0.001 mm，所有实验均采用位移加载的方式进行，纵向压缩加速度为5 mm/min。采用电子引伸计测量试样件在压缩过程中的微小变形，最大量程为10 mm，系统根据试样的位移、载荷、变形等数据自动绘出相应的应变-应力曲线。

2.2 测试方法

参照GB 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》进行压缩性能测试。为有效分析轴纱数量和编织角等工艺参数对材料压缩性能的影响，制作了4组不同工艺参数的试件，试件尺寸为10mm×10mm×30mm;因试件截面为方形，在受到压缩载荷作用时容易发生端部损坏，因此要求在测试前对试件的上下底面进行平整抛光整理，并剔除有缺陷、不符合尺寸要求的试件，每组试件选取5个有效测试值，取其平均值作为参考。压缩试件的工艺参数如表1所示。

表1 压缩试件的工艺参数及压缩测试结果Tab.1 Process parameters and com pressive testing results of com p ressive sam p les

2.3 结果与分析

2.3.1 压缩特性

观察三维全五向编织复合材料压缩性能测试，可以发现，测试过程中试件无明显变形和声响产生，但在试件即将破坏的瞬间，由于环氧树脂基体开裂和玻璃纤维的大量断裂，试件产生剧烈的声响，表现出明显的脆性破坏特性。三维全五向编织复合材料压缩断口形貌如图1所示。由图可知，标准三维全五向编织复合材料试件(见图1(a))，材料发生压缩破坏时，沿试件的编织方向即纵向，断裂面与受力方向基本呈45°夹角，为明显的弯剪破坏特征，材料的上下底面仍然保持平整光滑，无纤维束脱散裂开现象;对于存在复合缺陷的试件(见图1(b))，产生树脂对纤维的浸渍不良、干斑和空隙等不良现象时，复合成型后的材料必然形成若干弱承力区域，在受到诸如压缩载荷等作用时，这些弱承力区域易产生基体开裂脱黏，并逐渐延伸致最终导致材料提前失效;对于上下底面不平整的试件(见图1(c))，在受到压缩载荷作用时，试件上下底面受力不均，凸起的部分首先与压缩夹具面接触而受力，形成应力集中，材料易产生裂纹并以某一角度延伸，最终使材料产生局部压缩破坏而失效。

图1 三维全五向编织复合材料的压缩破坏形貌Fig.1 Compressive breakage images of three-dimensional full five-directional braided composites.(a)Breakage image of standard samples;(b)Breakage image of samples with complex-defects;(c)Breakage of sampleswith unevenness upper and lower face

2.3.2 压缩性能

三维五向、三维全五向编织复合材料的压缩性能如图2所示。结合表1可知，三维五向、三维全五向编织复合材料的压缩应力—应变曲线规律相似。在压缩测试起始阶段，应力随应变在短时间内呈现非线性变化趋势;随着载荷进行，应力随应变呈现线性变化趋势，表现为明显的弹性变形特征;当载荷达到最大值时，试件失效断裂，应力急剧下降。

当编织角相同时，三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向结构。当编织角为31°时，三维全五向1#试件的压缩应力为194.0 MPa，三维五向2#试件的压缩应力为118.5 MPa;当编织角为19°时，三维全五向 3#试件的压缩应力为385.9 MPa，三维五向 4#试件的压缩应力为199.8 MPa。这是因为三维全五向编织结构比三维五向结构有更多的轴纱，极大地提高了材料的轴向压缩性能。

图2 三维编织复合材料拉伸应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress and strain curves of three-dimensional braided composites

纤维体积分数相近时，三维全五向编织复合材料的拉伸性能好于三维五向结构。三维全五向3#试件的纤维体积分数为 52.3%，压缩应力为385.9 MPa;三维五向2#试件的纤维体积分数为53.2%，压缩应力为118.5MPa。这是因为三维全五向编织复合材料中所有空隙均有轴纱占据，导致编织物与树脂基体复合时，树脂富集区大大减少，从而极大地提升了材料的抗压强度。

当编织角增大时，三维编织复合材料的压缩性能明显下降。对于三维全五向编织复合材料，3#试件的编织角为19°，压缩应力为385.9 MPa;1#试件的编织角为 31°，压缩应力为194.0 MPa，下降49.7%;对于三维五向编织复合材料，4#试件的编织角为19°，压缩应力为199.8 MPa;2#试件的编织角为31°，压缩应力为118.5 MPa，下降40.7%。这是因为，当编织角增大时，编织纱更多的趋向于横向，导致其对轴向承载的贡献度下降，材料整体抗压性能下降［10－11］。

3 结语

1)观察三维全五向编织复合材料的压缩破坏形貌发现，标准试件断裂面与受力方向基本呈45°夹角，呈现弯剪破坏特征;存在复合缺陷的试件，易出现弱承力区域，导致试件提前失效;上下底面不平整试件，易出现应力集中现象，导致试件局部破坏失效。

2)三维编织复合材料的压缩特性:在压缩起始阶段，应力随应变在短时间内呈非线性变化趋势;随着载荷进行，应力随应变呈线性变化趋势，表现为明显的弹性变形特征;当载荷达到最大值时，试件失效断裂，应力急剧下降。

3)编织角、纤维体积分数相近时，三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向结构;随着编织角的增加，三维五向、三维全五向编织复合材料的压缩性能均明显下降。

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