不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比

高 雄， 胡侨乐， 马颜雪， 张 琦， 魏 毅， 邱夷平

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 3. 东华大学 民用航空复合材料协同创新中心， 上海 201620)

不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比

高 雄1,2， 胡侨乐2， 马颜雪1,2， 张 琦2， 魏 毅3， 邱夷平1,2

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 3. 东华大学 民用航空复合材料协同创新中心， 上海 201620)

为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异，通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物，并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板，对其进行了XYZ方向的弯曲实验。结果表明：三向正交结构由于内部纤维束近似平直，碳纤维束自身性能得到最大利用，对应复合材料经向弯曲强度最好；浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大，其厚度截面上的综合弯曲性能最好，且其他各方向的弯曲强度较为均衡；浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重，且经纱屈曲程度最大，对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差。

碳纤维； 三维机织复合材料； 弯曲性能； 厚截面； 角联锁结构； 三向正交结构

随着航空航天业的迅速发展，三维纺织结构先进复合材料制备[1-3]及结构性能拟合设计[4-6]的相关文献报道越来越多，但研究对象的截面厚度基本集中在10 mm以下。然而一些复合材料航空器的主承力结构需采用既能满足结构设计和使用要求又能降低结构质量的厚截面复合材料[7]，厚截面复合材料结构性能研究显得尤为重要。

近年来，已有学者对厚截面的三维机织复合材料结构性能进行研究，主要集中在拉伸压缩性能[8-10]以及厚截面复合材料制备工艺[11-12]等方面，对弯曲性能，尤其是不同三维结构的弯曲性能对比分析较少。本文以三向正交、浅交直联、浅交弯联3种三维机织结构为例，通过设计并织造纤维体积含量相近，组织结构不同的厚截面碳纤维三维机织预制件，并采用真空辅助树脂成型(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)工艺制备相应复合材料，测试XYZ方向的弯曲性能，对比分析不同结构、不同方向的弯曲强度特性以及失效模式，旨在丰富厚截面三维机织复合材料力学性能数据库，为三维机织复合材料结构选取应用提供一定理论参考。

1 实验设计

三维机织物是指纱线从一个平面到另一个平面在空间中相互交织或连接，从而形成的一个具有三维整体形态的稳定结构的织物，主要结构形式有角联锁和三向正交。由于经纬纱交织倾斜状态以及经纱贯穿纱层数目的不同，可将常见角联锁结构分为浅交直联、浅交弯联(或C层正交、C层斜交)、深角联等。图1示出本文实验采用的3种普遍应用的三维机织结构示意图。

图1 三维机织结构示意图Fig.1 Diagram of 3-D woven structures. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c)Shallow-Bend-Joint structure

1.1实验准备

选择线密度为450 tex的T-800级12 K碳纤维束织造，3种机织结构预制件均在单剑杆织机上织造完成，织物的测试参数见表1，织物平均厚度为16 mm，厚度方向层数约为23。

表1 织物及其对应复合材料参数Tab.1 Parameters of fabrics and composites

在复合材料制备方面，从经济以及时效性的角度来考虑，本文是在真空辅助成型的工艺基础上，通过设计合适导流网的形状尺寸以保证织物能被树脂完全浸润，并加设Dam条固定织物厚度以控制纤维体积含量，从而成功制备厚度相同、纤维体积含量近似的复合材料板。实验所用树脂用于中温固化，单一组分的复配增韧环氧树脂体系，具体性能参数及特性见表2。

表2 BAC-172树脂性能参数Tab.2 Parameters of BAC-172 resin

注：①80 ℃水煮7 d；②常温25～30 ℃灌注。

1.2测试方法

根据ASTM-D0790—2010《非增强和增强型塑料和电绝缘材料弯曲性能测试方法》进行测试。测试样条跨度与厚度比为16∶1，即跨距L=16d(d为试样厚度)；三点弯曲测试速度设定为1 mm/min；预加压力为5～10 N；持续加载至试样破坏或压力值下降超过25%时停止加载，实验结束。

由于复合后的三维机织试样厚度大，需按照测试标准对试样进行剖片处理，再切割样条并测试。为确保试样中至少存在1个组织循环单元，剖片厚度定为2 mm。经(纬)向测试样条真实尺寸为：长度L0=50 mm，跨距L=32 mm，宽度b=10 mm，厚度h=2 mm；厚度方向(Z经/纬)测试样条尺寸为：长度L0=50 mm，跨距L=32 mm，宽度b=15 mm，厚度h=2 mm。

1.3纤维体积含量的确定

纤维体积含量是复合材料力学性能的关键影响因素[13],因此，需要在控制纤维体积含量近似的条件下，才能对其力学性能进行较为准确的对比分析。由于复合材料板件厚度H与其对应纤维体积含量Vf之间存在如下关系[14]：

式中：M为预制件面密度，g/cm2；ρ为预制件纤维密度，1.81 g/cm3；H为预制件成型厚度，cm。

本文实验采用厚度为15 mm的Dam条固定预制件两侧，控制预制件被真空压缩的程度，以制备相同厚度的复合材料测试板，便于力学测试样条尺寸的设计。经计算，三向正交、浅交直联和浅交弯联3种结构的复合材料纤维体积含量分别为44.9%，44.4%和46.7%，在实验过程中认为已达到近似纤维体积含量。

2 测试结果分析

2.1应力与应变曲线分析

图2 3种不同结构复合材料不同方向上的三点弯曲应力-应变曲线Fig.2 Three points stress-strain curves of different woven structures.(a) Warp direction; (b) Weft direction; (c) Z-warp direction; (d) Z-weft direction

根据1.2测试方法，对3种不同结构的复合材料进行了经向、纬向、Z经和Z纬4个不同方向的三点弯曲测试。每种结构每个方向测试5个样条。图2示出3种结构不同方向对应的弯曲应力与应变曲线。

结合图2与测试过程分析可知，3种不同结构的机织复合材料弯曲加载变化近乎一致。在测试开始阶段，样条承受弯曲载荷作用而发生近似线性关系的弹性形变；随着弯曲载荷的继续增加，样条承受应力达到最大值，此时样条表面树脂堆积挤压成白色粉状，压头对应位置出现裂痕，发出纤维脆断声，应力与应变曲线达到顶点，对应大小即为样条弯曲强度；随着树脂的开裂及纤维的脆断，弯曲应力与应变曲线呈阶梯状逐渐下降，尤其是角联锁结构；最后，随着应力破环量的积累，样条彻底失效。

上述失效模式与冯古雨等[5]提到的应力急剧下降略有不同，这与树脂韧性以及织物内部结构的屈曲累积有一定关系。由于织物较厚，在织造以及树脂灌注过程中会发生经纬纱线之间以及真空袋对织物不同程度的挤压，从而导致织物以及对应复合材料内部纱线发生一定程度的屈曲。而这种屈曲在表层纤维发生脆断后，直接影响弯曲夹具对样条压力的传递，因此发生不同程度的脆断，在应力与变应曲线上表示为阶梯状下降。

2.2弯曲强度对比分析

图4 复合材料截面分析(×5)Fig.4 Cross-section analysis of samples(×5). (a) 3-D Orthogonal structure in warp direction; (b) 3-D Orthogonal structure in weft direction; (c) Shallow-Straight-Joint structure in warp direction; (d) Shallow-straight-Joint structure in weft direction; (e) Shallow-Bend-Joint structure in warp direction; (f) Shallow-Bend-Joint structrure in weft direction

图3示出复合材料弯曲性能测试结果。根据面内经纬向弯曲强度对比分析可知：三向正交结构由于经密远大于纬密，经向纤维体积含量大于纬向，从而经向弯曲强度明显高于纬向；对于浅交直联结构而言，虽然经密是纬密的2.7倍左右，但是经纱存在一定屈曲和损伤，导致经向性能显著下降，使其经纬向弯曲强度基本相近，并无太大差异(采用双尾双样本异方差t检验，t=0.52，远大于显著水平0.05，即2个样本总体均值无显著差异)；在浅交弯联中，经纱弯曲程度和摩擦损伤最为严重，导致其经向弯曲性能最差，甚至低于纬向弯曲性能。

图3 不同三维机织结构的复合材料弯曲性能Fig.3 Bending properties of different 3-D woven composites.(a) Warp and weft direction; (b) Z-warp and Z-weft direction

对厚度截面上的弯曲强度进行对比分析可知：三向正交结构内部纱线近似直线分布，但是Z纱由于受到真空袋挤压而发生倾斜，见图3(a)，其厚度截面内的弯曲比经纬面内弯曲强度有所降低，但Z经和Z纬对比趋势与面内经纬向保持一致，Z经弯曲强度依旧远大于Z纬；而浅交直联结构中，经纱的屈曲对厚度截面内Z经弯曲强度的影响比对面内经向弯曲强度的影响要小，Z经弯曲强度大于Z纬，甚至大于经向弯曲强度，这也表明材料在厚度截面上抵抗外来载荷破坏的能力比面内经纬向的抗破坏能力更强；浅交弯联也属于角联锁结构，Z经弯曲强度也比面内经向弯曲强度大，这一点与浅交直联结构类似，厚度截面内的Z经Z纬的累积弯曲强度也比面内经纬向的大。

对比不同结构相同方向的性能可知：三向正交结构经向性能具有显著的优势，浅交直联结构经向性能次之，浅交弯联经向性能最差；而纬向性能则是浅交直联结构最好；就整体结构性能而言,浅交直联结构织物可织性最好，内部结构完整度最高，各方向上的弯曲性能最为均衡。

图4示出3种不同机织结构试样的横截面照片。由图可见，3种结构纬纱屈曲基本一致，但由于各自结构不同，织物内部经纱强度利用率不同。

1个组织循环内，三向正交结构中经纱近似水平排列，不与纬纱产生交织，从而使其经纱屈曲程度近似为0，经纱强度得到最大程度的利用；而浅交弯联、浅交直联由于各自横跨纬纱数目不一样，不同的经纱屈曲程度导致纱线强度出现不同程度的损耗，浅交弯联结构的损耗尤为严重。同时，采用单剑杆织机织造，打纬过程中每插入1根纬纱即打纬1次，导致原本属于同一垂直面上的纬纱或多或少地会产生一定程度上的递进，使原本应在同一垂直面上的经纱发生倾斜，加大了纱线性能的耗损。

2.3断面形态观察

图5～8示出3种不同结构复合材料在不同方向上的三点弯曲测试破坏失效样条图。样条失效段部分都存在一定量的纤维断裂抽拔，尤其经向和Z经方向上的弯曲测试失效样条，存在大量的树脂-纤维界面剥离；纬向和Z纬方向上的弯曲测试样条失效段破坏明显，材料直接被压断，有明显的断痕，这与呈伸直状态分布的纬纱走向及较小的纬密(三向正交为2.0根/cm、浅交弯联为3.3根/cm，浅交直联为3.4根/cm)有直接的关系。这是由于纬密较小，样条受到加载压头的压力作用时，相邻纬纱中间的树脂块集中受力，样条直接被压断，少量的横向纬纱纤维被直接压断，样条呈明显脆裂模式断开。

图5 三点弯曲性能经向测试样条断面图Fig.5 Fracture section of warp-directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

图6 三点弯曲性能纬向测试样条断面图Fig.6 Fracture section of weft-directional test samples.(a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

图7 三点弯曲性能Z经方向测试样条断面图Fig.7 Fracture section of Z-warp directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

图8 三点弯曲性能Z纬方向测试样条断面图Fig.8 Fracture section of Z-weft directional test samples. (a) 3-D Orthogonal structure; (b) Shallow-Straight-Joint structure; (c) Shallow-Bend-Joint structure

3 结 论

1)在经密相同，纬密、纤维体积含量近似一致的条件下，三向正交结构由于内部纤维束近似平直，碳纤束自身性能得到最大利用，对应复合材料经(Z经)向弯曲强度最好，但是其经(Z经)、纬(Z纬)向弯曲性能差异也最大。

2)同等条件下，浅交直联结构复合材料的经纬向弯曲性能差异最小，而且弯曲强度明显高于浅交弯联结构。

3)角联锁结构由于经纱的屈曲使其经向性能产生一定程度的损耗，导致经纬密度相差近3倍的条件下，对应复合材料经纬弯曲强度差异得以缩小；但这种屈曲倾斜对经纬向所引起的损耗值大小仍需要进一步实验验证，从而为复合材料结构性能设计提供更为确切的参考。

FZXB

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Bendingpropertiescomparisonofthick-sectioncarbonfibercompositesbasedondifferentthree-dimensionalwovenstructures

GAO Xiong1,2, HU Qiaole2, MA Yanxue1,2, ZHANG Qi2, WEI Yi3, QIU Yiping1,2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CenterforCivilAviationComposites,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional (3-D) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion (VARI) technology. The bending properties in three directions ofXYZwere tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows: 3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength inZ-warp direction andZ-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.

carbon fiber; three-dimensional woven composite; bending performance; thick-section; angle-interlock; three-directional orthogonal structure

TB 332

：A

10.13475/j.fzxb.20161106006

2016-11-29

：2017-03-02

上海市浦江人才计划(2015PJC0002)

高雄(1992—)，男，硕士生。主要研究方向为三维机织复合材料制备及结构性能表征。马颜雪，通信作者，E-mail: yxma@dhu.edu.cn。