编织与层合复合材料拉压性能对比试验研究

罗贵

（中国民航大学工程技术训练中心，天津　300300）

编织与层合复合材料拉压性能对比试验研究

罗贵

（中国民航大学工程技术训练中心，天津300300）

利用相同材料分别制备不同编织角的三维四向、五向、六向、七向编织复合材料试样与0°单向、90°单向和［0/（45）2/90］2 s层合复合材料试样并进行纵向拉伸与压缩试验，获得其主要力学性能参数及破坏形式，分析内部编织角、编织结构对编织材料纵向拉伸与压缩性能的影响。结果表明，内部编织角是三维编织复合材料纵向力学性能的主要影响因素，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越好；编织结构也是纵向力学性能影响因素；内部编织角和编织结构影响材料的破坏模式。通过试验研究得到的结论，为进一步对三维编织复合材料的理论研究奠定试验基础。

复合材料；三维多向；编织结构；编织角；力学性能；试验

试验研究在复合材料研究与应用中具有重要作用，试验可以验证材料力学性能，为结构设计分析提供试验数据，也可分析材料破坏模式和失效机理，为强度预报等问题奠定试验基础。文献［1-6］分别利用相关试验研究三维四向、五向和六向编织复合材料力学性能及其破坏机制，文献［7-8］对三维编织复合材料及其力学性能研究进行总结和展望；但针对三维七向编织及三维多向编织与层合复合材料之间的力学性能，对比研究仍欠缺。

本文利用相同材料分别制备不同编织角的三维四向、五向、六向、七向编织复合材料试样和0°单向、90°单向、［0/（45）2/90］2s层合复合材料试样并进行纵向拉伸与压缩试验，获得其主要力学性能参数及破坏机制，对比研究内部编织角、编织结构对编织材料纵向性能和破坏形式的影响，为进一步的三维编织复合材料理论研究奠定试验基础。

1　试验描述

本文分别对编织与层合复合材料试样进行纵向拉伸和压缩试验。编织试样分为2种编织角（20°和40°）和4种编织结构（三维四向、三维五向、三维六向和三维七向）；层合试样铺层为［0/（45）2/90］2s、0°单向和90°单向。所有试样均选用T700-12K碳纤维增强纤维，基体材料为TDE86环氧树脂，纤维体积含量约58%。

拉伸试验参照标准ASTM D3039进行，试样长度和宽度分别为250 mm和25 mm（0°单向板宽度为15 mm），厚度为3.5 mm，两端有长50 mm，宽25 mm，厚2 mm的铝制加强片，如图1所示。压缩试验参照标准ASTM D6641进行，采用组合加载压缩（CLC）试验夹具，试样长度和宽度分别为140 mm和12 mm，厚度为3.5 mm，如图2所示。所有试验均在室温环境下完成，拉伸试验加载速度为2 mm/min，压缩试验加载速度为1.3 mm/min。所有试样采用电阻应变片方式采集应变数据，正反面对称且沿试样纵向和横向轴线方向贴应变片，如图1、图2所示。

图1　拉伸试样几何尺寸Fig.1　Dimensions of tensile specimen

图2　压缩试样几何尺寸Fig.2　Dimensions of compressive specimen

2　试验结果

纵向拉伸和压缩试验结果如表1所示，表中所列数据为每组试验的平均值。拉伸试验强度和弹性模量离散性小，压缩试验离散性在可接受范围内，表明本试验方法适用于三维编织复合材料纵向拉压力学性能试验，泊松比离散率较大，需改进试验方法以获得更加准确的泊松比。

表1　试样力学性能数据Tab.1　Mechanical property data of specimens

2.1三维编织与层合复合材料性能对比

各组试样力学性能对比如图3所示。纵向拉伸试验中，编织试样拉伸弹性模量和强度高于［0/（45）2/90］2s层合试样，且弹性模量与强度分布规律一致，其中20°编织角的三维四向、五向、六向编织试样远高于层合试样，40°编织角的三维六向编织试样和20°编织角的三维七向编织试样略高于层合试样，其他几种形式编织试样与层合试样相当。在纵向压缩试验中，编织试样与层合试样的压缩强度相当，其中20°编织角的三维四向、五向、六向编织试样略高于层合试样，其它几种形式编织试样均略低于层合试样，编织试样的压缩弹性模量均高于层合试样，其中20°编织角的三维四向、五向、六向编织试样压缩弹性模量是层合试样的2倍以上，40°编织角的三维六向与20°编织角的三维七向编织试样的压缩弹性模量略高于层合试样，其它几种编织形式与层合板相当。由比较可知，20°编织角三维四向和三维五向编织结构纵向拉伸性能优越，接近0°单向板拉伸性能。因为复合材料的纵向性能主要由纤维束决定，在纤维体积含量相同的情况下，0°单向板纵向纤维最多，编织角较小时纵向纤维也较多，随着编织纱向增加，纵向纤维含量减少，所以三维四向与三维五向编织复合材料表现强度和模量较高。从结果可知，90°单向板的纵向性能差，因为这相当于试验0°单向板的横向性能，对于单向板，横向性能主要由基体性能决定，基体树脂相比纤维其性能差很多，而编织复合材料由于纤维相互交错构成整体性分布于基体之间，大大的改善了材料性能，所以编织材料的强度与模量都远比90°单向板高。

图3　编织与层合结构纵向拉压性能对比Fig.3　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between braided and laminated structures

2.2不同编织角的三维编织材料性能对比

图4分别对比了不同编织角材料纵向拉伸和压缩性能。随着编织角增加，模量和强度降低，泊松比有所增加，对于相同编织结构，编织角为40°试样相比编织角为20°试样的纵向拉伸和压缩性能均有所下降，其中三维四向、五向试样拉压强度与弹性模量下降显著，降率达到100%以上；三维六向试样拉压强度与弹性模量的变化较小。因为在编织角较小情况下，拉压载荷主要由纤维束承受，而纤维束的承载能力远比基体高，所以试样拉压强度与模量比编织角较大的试样高；又由于纤维束线之间的相互约束，使得试样横向变形相对编织角较大的试样要小，故泊松比小。结果表明，内部编织角对材料纵向拉伸和压缩性能有显著影响，内部编织角越小，编织纱线对纵向性能贡献越大，纵向拉伸与压缩弹性模量和拉伸强度越大，改变内部编织角角度可直接导致材料纵向性能变化。从数据比较可知，在4种编织结构中三维六向编织结构的纵向力学性能受内部编织角的影响最小。

图4　不同编织角的纵向拉压性能对比Fig.4　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided angles

2.3不同编织结构的三维编织材料性能对比

图5分别展示了2种内部编织角下4种编织结构的纵向拉伸与压缩性能对比。对比分析可知，对于编织角为20°的4种编织结构，三维五向编织结构复合材料的纵向性能最优。三维五向编织结构由于第五向轴纱的加入，使其拉伸强度较三维四向编织结构略有下降，拉伸弹性模量、压缩弹性模量和压缩强度均有明显提高。再随着第六向轴纱增加，三维六向编织结构的纵向拉伸和压缩性能出现下降趋势，随着第七向轴纱的增加，三维七向编织结构的纵向拉伸和压缩性能继续下降，在4种编织结构中纵向力学性能最低。这表明，第五向轴纱对编织材料起到了积极的贡献；第六向和第七向轴纱对编织材料纵向力学性能没有优越贡献，反而降低了材料的纵向力学性能。对于内部编织角为40°的4种编织结构，三维六向编织结构的纵向拉压性能最优。纵向拉压强度与弹性模量的变化规律基本一致，随着第五向、第六向轴纱的引入，三维编织结构的纵向拉伸、压缩强度与弹性模量均有所增加，而当第七向轴纱加入后，拉压强度和弹性模量大幅下降。三维七向编织结构的纵向拉压力学性能均最差。

图5　不同编织结构纵向拉压性能对比Fig.5　Longitudinal tensile and compressive properties comparison between different braided structures

3　破坏形式

拉伸试验加载到试样断裂；压缩试验加载到试样发出断裂声响且试验机显示载荷出现明显下降后停止，加载载荷达到试样的破坏载荷，试样发生破坏。

3.1拉伸破坏

图6给出了拉伸试样破坏形式。拉伸试样破坏形式比较分散，有中间工作段横向破坏，有靠近加强片处的横向断裂，有沿表面取向角方向的断裂和纵向断裂，也有少数出现了以上几种破坏形式的混合形式。图6中（a）～（f）是三维多向（四向、五向、六向和七向）编织复合材料几种具有代表性的破坏形式。其破坏形式主要是纤维和基体的断裂，断口方向基本与试样的加载方向垂直，且断口较平整，表明试验中试样受力均匀。出现纵向劈裂的试样全为内部编织角为20°的试样（三维四向2件，三维五向2件，三维七向1件），因为内部编织角越小，编织纱对试样的横向力学性能贡献越小，对试样的纵向劈裂起到较小的抑制作用；另外由于三维四向和三维五向编织试样没有第六向轴纱，试样的横向性能较弱，导致纵向劈裂，后续可通过横向试验来进行验证。

图6　拉伸试样破坏形式Fig.6　Failure characteristics of tensile specimens

3.2压缩破坏

压缩试样的破坏形式发散性小，图7给出了压缩试样中典型的破坏形式。编织角为20°的三维四向与五向编织材料各组5个试样的破坏形式与其它编织复合材料不一致，在试样的上部或下部沿编织复合材料表面取向角方向上发生断裂，而不是在试样中间发生断裂，断口与压缩受力方向约成45°角，呈现剪切破坏形式，如图7（a）、（b）所示。因为缺少第六向轴纱在横向对材料的贡献，与40°编织角相比，20°编织角试样的编织纱在横向的贡献小，导致材料发生上述破坏形式；编织角为40°的三维四向编织试样都是在试样中部出现裂纹，破坏形式如图7（c）所示；编织角为40°的三维五向编织试样的破坏不明显，只出现细微的裂纹，均发生在试样中部，如图7（d）所示；此外，三维六向与七向编织试样的破坏均发生在中部，图7（e）～图7（h）分别为其破坏形式。观察以上试样的断口，可以看出压缩破坏形式主要是纤维屈曲、纤维压剪断裂、基体压剪断裂及纤维与基体界面分离等剪切破坏。分析各组试验破坏形式可知三维编织复合材料的破坏机制与编织角和编织结构有较大关系。

图7　压缩试样的破坏形式Fig.7　Failure characteristics of compressive specimens

4　结语

1）编织角对三维多向编织复合材料纵向拉伸和压缩性能影响显著，编织角越大，纵向拉伸弹性模量与强度、纵向压缩弹性模量与强度越小，泊松比越大。

2）编织结构对三维编织复合材料力学性能也有明显影响。对于20°编织角，三维五向编织结构纵向力学性能最优；对于40°编织角，三维六向编织结构纵向力学性能最优；20°和40°编织角的三维七向编织结构纵向力学性能均较差。

3）三维多向编织复合材料的破坏形式主要是基体开裂和纤维断裂。拉伸破坏形式较分散，有垂直加载方向的横向断裂，也有沿加载方向的纵向断裂；压缩破坏形式较典型，沿表面取向角方向断裂，编织纱角度影响三维四向和五向编织结构的压缩破坏形式。

［1］徐焜，许希武，汪海.三维六向编织复合材料力学性能的实验研究［J］.复合材料学报，2005，22（6）：144-149.

［2］严实，孙雨果，吴林志，等.板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究［J］.复合材料学报，2007，24（4）：133-139.

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［4］陈利，梁子青，马振杰，等.三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究［J］.材料工程，2005（8）：3-6.

［5］严实，吴林志，孙雨果.三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究［J］.材料工程，2007（3）：59-66.

［6］郭颖，吴林志，杨银环，等.三维六向编织复合材料拉伸性能的实验研究［J］.宇航学报，2012，33（5）：669-674.

［7］汪星明，邢誉峰.三维编织复合材料研究进展［J］.航空学报，2010，31（5）：914-927.

［8］曾涛，姜黎黎.三维编织复合材料力学性能研究进展［J］.哈尔滨理工大学学报，2011，16（1）：34-41.

（责任编辑：刘智勇）

Experimental comparative study on tensile and compressive properties of braided and laminated composites

LUO Gui
（Engineering Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

Through the longitudinal tensile and compressive experiments on 3D-4 directional，3D-5 directional，3D-6 directional，3D-7 directional braided composites and laminated composites with stacking sequence of［0/（45）2/90］2s and 0°one-way slab and 90°one-way slab all made by a same material，the main mechanical property parameters and failure mechanism are achieved and the effects of braided angle and its structure to longitudinal tensile and compressive properties of braided composites are studied.Results show that the braided angle is the main factore of longitudinal mechanical properties of 3D braided composite.The smaller braided angle is，the better longitudinal tensile and compressive mechanical properties become.Braided structure also has important effect on longitudinal mechanical properties.In addition，braided angle and structure have important effect on failure mechanism.These results can provide an experimental basis for further studies on theoretical research of braided composites.

composites；3D multi-direction；braided structure；braided angle；mechanical properties；experiment

V258；TH122

A

1674-5590（2016）03-0052-05

2015-07-02；

2015-09-21基金项目：中航创新基金项目（NBLB003）

罗贵（1983—），男，江西赣州人，助教，硕士，研究方向为复合材料结构力学分析.