三维编织复合材料圆管轴向力学性能试验研究

黄雨霓 刘振国

【摘要】本文针对三维四向、五向编织T700/环氧树脂复合材料，采用四步法编织工艺，编织圆管预成型件，利用VARTM工艺固化成型，并进行拉伸和压缩试验，得到两类材料圆管的轴向性能数据。试验结果表明：三维四向和五向复合材料圆管轴向性能在破坏前基本保持线弹性，四向材料拉伸和压缩模量相近，五向材料压缩模量大于拉伸模量，两者拉伸强度均远大于压缩强度，且五向材料破坏具有脆性特征。此外，三维四向编织复合材料的轴向力学性能低于三维五向编织复合材料。

【关键词】三维编织；复合材料；圆管；轴向性能

Research on Axial Performances of 3D Braided Composite Circular Tubes

HUANG Yu-ni1LIU Zhen-guo2

( 1. Shanghai Aircraft Design Research Institute, Shanghai, 200232, China;

2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China)

【Abstract】Tube performs for the 3D 4-directional and 3D 5-directional materials were produced by four step braiding method and T-700/epoxy composites were made by VARTM. A study of tensile and compression properties for the two materials were carried out. The results indicate that the axial performances maintain linear elasticity before failure and the tensile strength is much larger than the compressive strength for the two materials. The tensile elastic modulus of the 3D 4-directional material is similar to the compressive elastic modulus. The compressive elastic modulus is larger than the tensile strength for the 3D 5-directional material and the failure?form is characterized by brittle cracks. Moreover, the axial properties of 3D 4-directional braided composites are lower than that of 3D 5-directional braided composites.

【Key words】3D braided; Composites; Tubes; Axial performances

0引言

随着世界航空航天技术的飞速发展，现代航空航天器结构设计提出了大结构尺度和结构超轻型化问题[1]。利用复合材料管件制造出的结构在满足强度及刚度的前提下，至少能实现减重20%的目标[2]，同时还具有良好的抗疲劳、抗腐蚀性的特点。

目前，航空航天复合材料管件的制造方法主要有缠绕工艺和卷管成型工艺等，由于制造工艺的特点决定了其存在着一定的不足，难以满足航空航天高性能管件的要求。缠绕工艺生产的管件，轴向拉伸强度较低、外表面粗糙、易渗漏，管连接件较难成型，而卷管成型工艺生产的管件易出现分层现象[3]。三维编织复合材料是一种先进的复合材料，它是现代复合材料制造技术和编织技术相结合的产物，克服了用其他方法成型的管件的某些不足，具有高强度、高模量、高抗损伤容限和抗冲击等优异性能，在航空、航天领域具有广泛的应用前景。文献[4]指出三维编织工艺技术结合RTM成型工艺是实现高性能复合材料管件制造的低成本技术途径之一。

本文所用管件采用三维整体编织技术和VARTM工艺制作，对相同编织角、相同体积分数的三维四向、五向编织T700/环氧树脂复合材料进行了拉伸和压缩试验，获得了这些编织复合材料的主要轴向性能，并对破坏形式进行了分析。

１三维圆管的编织

三维编织工艺，就是由增强纤维束形成编织预成型件的过程。本试验采用四步法编织三维四向和五向的圆管预成型件，所用试样预成型件由北京柏瑞鼎科技有限公司提供。所选用的纤维为T700-6K碳纤维，圆管预成型件实物如图1所示。

图1三维编织圆管预成型件

Fig.1The perform of 3D braided circular?tube

２三维编织圆管的成型

由图1可看出，本试验所用三维编织圆管结构致密，纤维体积含量较高，为充分发挥三维编织结构的优势，选用VARTM工艺固化成型。本文选用的树脂为TDE-85#环氧树脂，固化剂为70#酸酐，促进剂为苯胺[5]。胶液配比为树脂：固化剂：促进剂=100：100：1；固化工艺为：130℃恒温2小时，150℃恒温1小时，160℃恒温8小时，180℃恒温3小时。

3试验描述

参照GB/T1446–2005，GB/T3354–1999，以及ASTM有关试验标准要求，确定试样的尺寸参数。本次试验在WDW-100微机控制电子万能试验机上进行，加载速度2mm/min，测试温度为室温。

本文试样有三维四向和三维五向两种材料，编织角有30°、40°和50°三种，纤维体积分数60%，分别进行拉伸和压缩试验，相关参数见表1。试样尺寸如图2所示。由于是薄壁圆管，为方便加载，试样端头使用加强铝件，圆管和加强铝件之间用高强胶粘接。为测量管件模量，试样中部粘贴应变片。

表1试样相关参数

Table 1Related parameters of samples

４试验结果和分析

图3为试样应力-应变曲线，由图可知，曲线在试样破坏前基本保持为一条直线，这说明三维编织圆管在拉伸和压缩破坏前是线弹性的。由图中直线斜率和表2数据可知，三维五向圆管模量明显大于三维四向圆管，这是由于五向材料有轴向纱的缘故。

由表2可知，在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，三維四向和五向材料圆管的拉伸模量和压缩模量都减小，且编织角越大，变化越剧烈。四向材料拉伸模量和压缩模量相近，压缩模量略大于拉伸模量。五向材料压缩模量明显大于拉伸模量。

图2拉伸和压缩试样结构图

Fig.2The diagrams of tensile and compressed samples

(a)拉伸应力-应变曲线

(a) Stress-strain curves of tensile tests

(b) 压缩应力-应变曲线

(b) Stress-strain curves of compressed tests

图3三维编织圆管应力-应变曲线

Fig.3Stress-strain curves of 3D braided circular tubes

表2三维编织T-700/TDE-85#圆管轴向性能

Table2Axial performances of 3D braided T-700/TDE-85 circular tubes

由于粘接强度不够和工艺不稳定的原因，拉伸试样破坏形式大部分为脱胶，仅得到1号试样的拉伸强度537.5MPa，但可得出其他材料的强度的大概范围。由表2可推知，在相同编织角和纤维体积分数条件下，五向材料的拉伸强度高于四向材料。四向材料1号试样在加载初始阶段试验力-位移曲线基本为一直线，当试验力达到一定值时开始发出轻微的响声，基体或界面发生破坏，并随着载荷的增加而声音逐渐增大，在此过程中圆管明显变细被拉长，达到试验力峰值时瞬间发生断裂，如图4所示，纤维在断口处被拉断。

图4拉伸试样破坏图

Fig 4Failure diagram of tensile sample

（a）Diagram of 4-directional material

（b）Diagram of 5-directional material

图5压缩试样破坏图

Fig.5Failure diagram of compressed sample

比较表2中拉伸强度和压缩强度可知，拉伸强度远大于压缩强度。在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，三维四向和五向材料圆管的压缩强度都减小，五向材料减小趋势不明显。相同编织角和纤维体积分数情况下，五向材料压缩强度远大于四向材料，甚至为四向材料的2倍。可见，轴向纱的加入，能很大程度上提高材料的轴向压缩性能。由图5(a)可以看出，四向压缩试验圆管的破坏形式主要是沿着编织角方向的斜面纤维和树脂同时断裂，表现出明显的剪切破坏特征。纤维和树脂同时断裂说明在圆管受压的过程中树脂基体也起到了较大的承载作用。图5(b)看出，五向试样断裂均发生在试件的试验段内。与三维四向试样断裂形式不同的是，五向编织复合材料圆管的断口都较为平整，且纤维基本沿横截面断裂。沿纵向分布的轴向纱的加入使五向材料的失效模式更趋向于脆性破坏。

5结论

５.１采用三维编织四步法编织预成型件，利用VARTM工艺制造三维整体编织增强环氧 TDE-85#的复合材料管，对于高性能复合材料管件的制造进行了探索。

５.２三维四向和五向编织复合材料的纵向拉伸和压缩应力-应变曲线在试件破坏前基本保持线性关系，四向材料拉伸和压缩模量值相近，五向材料压缩模量明显大于拉伸模量。

５.３在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，拉伸模量、压缩模量和压缩强度均减小。

５.４三维四向和五向材料压缩强度均小于拉伸强度，五向材料压缩强度远大于四向材料。由于五向引入了轴向纱，试件的失效方式均趋向于脆性破坏。

［１］范华林，孟凡颢，杨卫．碳纤维格栅结构力学性能研究[J]．工程力学，2007，24(5)：42-46.

［2］冼杏娟，李端义．复合材料破坏分析及微观图谱[M]．北京：科学出版社，1993：1.

［3］吴晓青，李嘉禄，崔振兴，王晓生．三维整体编织复合材料管的设计与制造[J]．玻璃钢/复合材料，1998(4).

［4］劉振国．高性能复合材料管件制作工艺的比较及三维编织技术的应用[J]．材料工程，2009（S2）：109-112,118.

［5］吴晓青,李嘉禄．TDE-85#环氧树脂VARTM工艺性研究[J]．中国塑料,2003，17(3)：44－47.

［责任编辑：曹明明］