双轴向与四轴向经编复合材料弯曲性能对比实验研究

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(内蒙古工业大学轻工与纺织学院，呼和浩特 010080)

材料是社会建设的基础，随着社会的不断发展，传统材料已无法满足人们的需求。复合材料作为一种新型材料，近几十年得到了人们的广泛关注，并且发展十分迅速，尤其在航空航天、军工产品及风机叶片等高技术领域，复合材料以其质轻、高强的优异性能，逐渐取代传统材料[1-4]。目前，多轴向经编复合材料应用最为广泛，其除了具有质量轻、强度高、耐高温及耐疲劳等优良性能外，其突出的可设计性，使其能够适用于多领域的产品要求。多轴向经编复合材料的可设计性主要体现在增强体织物结构的变化，按其结构可分为单轴向、双轴向和多轴向三类，其工业产品纤维铺放方向主要集中在0°、90°及±45°四个方向。根据对产品性能的要求，可对其纤维铺放方向、纱线种类及纤维层数等进行选择，同时，为达到产品厚度要求，采用铺层结构，从而可对增强体和复合材料整体性能进行优化设计。同时，对于多轴向经编复合材料力学性能的研究主要集中在静态分析[5-6]、动态分析[7-9]及制造的产品[10-11]力学性能分析。

本文基于真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺，选用双轴向经编(BWK)和四轴向经编(《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》QWK)玻璃纤维织物为增强体，环氧树脂为基体成型板材试样。参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准测试并分析两种结构复合材料沿0°和90°方向弯曲失效试样形貌，分析弯曲失效机理，对比弯曲应力-挠度曲线及力学性能。

1 实 验

1.1 实验材料

分别选用0°/90°BWK和0°/+45°/90°/-45°QWK玻璃纤维织物为增强体，织物图和相关参数分别如图1和表1所示，基体选用E-2511-1A环氧树脂和2511-1BT固化剂质量配比100∶30的混合胶液。

图1 BWK和QWK织物图

增强体种类纱线方向材料线密度/tex密度/(根·(10cm)-1)平方米质量/(g·m-2)0°/90°BWK0°E玻纤24002790°E玻纤150022编织纱涤纶83-12000°/+45°/90°/-45°QWK0°E玻纤60025+45°E玻纤3005390°E玻纤30022-45°E玻纤30053编织纱涤纶83-800

1.2 试样制备

BWK和QWK织物铺层均为同向4层，基于VARTM工艺与环氧树脂复合成型。两种复合材料弯曲试样参照GB/T 1449—2005标准，分别沿0°和90°方向切割制备，试样尺寸为长(100 mm)×宽(15 mm)。参照GB/T 2577—2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》标准，采用烧失法测定BWK和QWK复合材料纤维体积分数分别为51.21%和50.87%。

1.3 弯曲实验

基于三点弯曲加载形式，参照GB/T 1449—2005标准，在WDW-30KN电子万能试验机上测试BWK和QWK复合材料分别沿0°和90°的弯曲力学性能。弯曲实验跨距∶试样厚度=16∶1，两种复合材料弯曲实验跨距见表2，圆柱形上压头和支座圆柱体半径均为5 mm，设定上压头移动速率为2 mm/min。试样三点弯曲加载形式示意图如图2所示。

表2 两种复合材料弯曲实验跨距

图2 试样三点弯曲加载形式示意

2 结果与分析

2.1 试样弯曲失效

图3为BWK和QWK复合材料试样弯曲失效照片。由图3可知，弯曲试样上表面和下表面均出现明显损伤，且损伤主要集中在上压头加载区，弯曲试样上表面损伤均高于下表面。BWK复合材料沿0°方向弯曲试样上表面纱线脱粘、分层，下表面出现脱粘和较大面积的白色分层区域，并有轻微纱线断裂；沿90°方向弯曲试样上表面纱线断裂严重，伴随着纱线脱粘和分层，下表面有大面积的纱线脱粘和分层区域。分析BWK复合材料弯曲试样可知，BWK复合材料增强体上表层和下表层纱线方向分别为90°和0°，与上压头圆柱体长度方向相同时，易出现纱线间严重脱粘，原因在于承载部件主要为纱线间树脂基体；与上压头圆柱体长度方向垂直时，易出现纱线断裂，原因在于主要的承载部件为增强体纱线，上下表面均出现分层现象，但下表面分层区域大于上表面，这与弯曲过程中下表面受到载荷时产生的位移高于上表面密切相关。QWK复合材料沿0°方向弯曲试样上表面纱线断裂、脱粘，并有严重分层，表层纱线部分翘起，下表面纱线脱粘；沿90°方向弯曲试样上表面纱线脱粘严重，伴随分层现象，下表面-45°方向纱线分层严重，部分翘起，同时可清晰看到临近内层纱线断裂。分析QWK复合材料弯曲试样可知，QWK复合材料增强体上表层和下表层纱线方向分别为0°和45°，与上压头圆柱体长度方向相同和垂直时，QWK复合材料与BWK复合材料弯曲试样相似，与上压头圆柱体长度方向呈45°或-45°时，表层沿纱线方向有部分翘起分层，且临近内层纱线方向与上压头圆柱体长度方向垂直时，存在纱线断裂现象，同时，表层纱线分层较为严重。

a，b为BWK复合材料；c，d为QWK复合材料图3 两种试样弯曲失效照片

对比BWK和QWK复合材料弯曲试样可知，QWK复合材料弯曲试样纱线损伤和分层失效现象较BWK复合材料严重，主要原因在于QWK复合材料增强体内总体纱线层数较BWK复合材料多，同时，存在45°和-45°纱线层，弯曲过程中导致试样内出现面内剪切应力，进一步增加纱线层间不稳定，分层失效现象较严重。

2.2 弯曲失效机理

两种复合材料弯曲过程中应力-挠度曲线如图4所示。应力-挠度曲线主要分为两个部分，开始阶段，试样开始加载，曲线近似线性增长，应力增加接近弯曲最大应力前，曲线出现轻微倾斜，斜率变小；后期随着挠度的增加，试样出现明显损伤，应力阶段性下降，同时，BWK复合材料应力下降后出现应力恢复趋势，但QWK复合材料应力未出现明显恢复，应力逐渐降低直至试样弯曲失效。

图4 两种复合材料弯曲应力-挠度曲线

三点弯曲实验过程中，试样下表面两个支座起支撑作用，上压头按设定速率逐渐向下移动加载，试样上表面受到压缩，下表面受到拉伸。开始阶段主要由增强体和基体承担载荷，随着应力和挠度的增加，基体出现损伤，同时，与增强体界面出现脱粘现象，随着载荷的进一步增加，增强体承担主要载荷；弯曲实验后期，试样增强体遭到破坏，由于增强体纱线为多层，最先发生失效的主要是上表面和下表面，外层纱线失效后，由临近内层纱线承担主要载荷，直至试样失效。两种复合材料弯曲前期相似，但后期QWK复合材料应力未出现恢复，这与QWK复合材料内存在45°和-45°纱线层密切相关，当载荷主要由45°或-45°纱线层承担时，纱线层内存在面内剪切，该层承担应力值较小，导致在应力-挠度曲线上未发生明显应力恢复现象。

2.3 弯曲性能对比

两种试样弯曲当量强度和弯曲当量模量均统一到纤维体积分数为45%。弯曲当量模量计算：

Enormal(45%)=E×45%/Vf

式中：Enormal为当量模量；E为弹性模量；Vf为纤维体积分数；同理计算弯曲当量强度。

对比两种复合材料试样弯曲性能，弯曲性能见表3。两种复合材料试样0°方向弯曲强度、当量强度、弯曲模量和当量模量均高于90°方向，主要原因是试样0°方向纱线线密度均高于90°方向。同时，BWK复合材料0°方向四种力学性能均最大，主要是因为两种复合材料测在试方向纱线层数相同、织造密度相近，但其线密度(2 400 tex)最大，对试样该方向弯曲性能贡献较多；QWK复合材料0°方向当量强度高于BWK复合材料90°方向，但当量模量却比其低，主要原因在于QWK复合材料增强体内存在多层45°和-45°纱线，但在弯曲过程中，主要发生面内剪切，所以在一定程度上提高了弯曲强度，但未对弯曲模量有所提高。

表3 两种复合材料弯曲性能参数

3 结 论

a)弯曲损伤主要集中在上压头加载区，且上表面损伤均高于下表面，上下表面弯曲损伤形式主要有纱线脱粘、分层及断裂，表层纱线与上压头圆柱体长度方向垂直时，易出现纱线断裂现象，同时，QWK复合材料弯曲试样纱线损伤和分层失效现象较BWK复合材料严重。

b)随着上压头的移动，试样受到的应力呈现先增加后减小的趋势，两种复合材料前期趋势相似，后期QWK复合材料应力下降后未出现应力恢复趋势，原因在于其增强体内存在45°和-45°纱线层，该纱线层承载时出现面内剪切现象，该层承担应力值较小，进而未发生明显应力恢复现象。

c)增大复合材料增强体内0°或90°纱线线密度有助于提高该方向复合材料的弯曲强度和弯曲模量，同时，存在45°或-45°纱线层时，可在一定程度上提高复合材料的弯曲强度。

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