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42 缝合编织复合材料低速冲击以及冲击后弯曲性能研究 2014年7月 缝合编织复合材料低速冲击以及冲击后弯曲性能研究 梁倩囡,阎建华 (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.东华大学研究院,上海201620) 摘要:两片三维四向编织厚片叠层缝合和四片三维四向编织薄片叠层缝合,固化之后得到两种厚度接近的缝合编织复合 材料。对两种材料进行冲击以及冲击后弯曲实验,分析其表面和内部损伤特征、分布和机理,探讨其冲击后的剩余弯曲性能。 结果表明,3.2J/mm的冲击能量下,缝合编织薄片的表面损伤面积和厚度方向上的损伤小于缝合编织厚片;冲击后弯曲实验 中,两种材料受压面的树脂裂纹在厚度方向上的相邻两编织片之间几乎观察不到,受拉面的树脂裂纹沿着冲击造成的树脂裂 纹继续向横向、纵向和厚度方向扩展;缝合编织薄片未经冲击与冲击后的弯曲强度和弯曲模量均大于缝合编织厚片,但其弯曲 断裂变形小于缝合编织厚片。 关键词:缝合编织复合材料;低速冲击;损伤;剩余弯曲性能 ——— 中图分类号iTB332文献标识码:A文章编号:10030999(2014)07004205 层合复合材料因具有较高的面内比刚度、比强 度等优点而得到广泛应用,但是层间强度低、抗冲击 性能差等缺点也限制了其发展。低速冲击过程中, 层合复合材料会产生基体裂纹、层间分层和纤维断裂,从而降低材料冲击后的力学性能¨ -3]。缝合技 术的引用可改善此缺陷,它加强了层合结构的层间 强度,减少冲击过程中的分层损伤J。缝合层合板 低速冲击以及冲击后力学性能得到了广泛研究,其 中以冲击后压缩性能的研究最多J,而冲击后弯 曲性能的研究相对较少J。大多研究是从力学分 析或能量吸收角度来分析低速冲击以及冲击后力学 行为带来的损伤』,也有研究采用有限元方法模 拟损伤分布,预测冲击后剩余的力学性能 。 编织复合材料因其独特的三维空间网状连续纤 维结构特点,因此具有良好的力学性能¨ 。虽然” Majidi[]、Portanova以及其他学者 对三维编 织复合材料的冲击行为进行了试验研究,但目前关 于三维编织复合材料的低速冲击性能的研究文献还 很少,有待进一步的深入研究,且尚未发现关于缝合 编织复合材料(即缝合编织预制件,然后固化得到的 复合材料)冲击方面的研究。 在实际应用中,编织复合材料在以下两种情况 下使用缝合技术:一种是缝合连接编织件,使之成为 符合要求的整体结构的预制件;另一种是采用Over一 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: braiding方法制备预制件时,用缝合方法将各层连接 起来。鉴于此,本文研究分析两种缝合编织复合材 料(缝合编织厚片和缝合编织薄片)冲击及冲击后 弯曲实验过程中的损伤特征、分布和机理,并探讨冲 击后的剩余弯曲性能,为进一步研究三维编织复合 材料在冲击以及冲击后力学作用下的损伤特征和机 理提供参考。 1实验方法 1.1试 样 试样材料为缝合三维四向编织碳纤维/环氧树 脂复合材料,具体分为两种:一种是缝合两片编织厚 片,如图1(a)所示,每个厚片的名义厚度为3mm,其纱线的排列为4× 40(排数× 列数);另一种是缝合 四片编织薄片,如图1(b)所示,每个薄片的名义厚 度为1.3mm,其纱线的排列为2× 40(排数× 列数)。 — 试样尺寸参照ASTMD713612测试要求取为65× 210mm(宽度× 长度)。试样具体制备过程如下:首 先,由四步编织法制得编织片,所用材料为TT00s- 12K碳纤维束;然后,缝合编织片,缝纫线为Kevlar一 29(3000旦尼尔),缝合方式为改进后的锁式缝合, 缝合密度为6× 5mm(行距× 针距),缝合方向为 90。;最后,采用VARTM(树脂转移,真空辅助成型) 固化工艺将所得缝合编织结构固化成型,所用基体 2013.1O一14 上海市科委《上海市科技成果转化和产业化项目》(12521102400) 梁倩囡(1989一),女,硕士,主要从事缝合及编织复合材料低速冲击性能的研究。 阎建华(1956一),男,博士,研究员,主要从事纺织结构复合材料制备及其结构性能的研究。 2014年第7期 玻璃钢/复合材料 45 2.2.2表面和纵截面观察 图6至图9为试样的弯曲变形达到30mm时的 表面图和试样中间位置的纵截面图。由于体视显微 镜的拍摄面积无法得到试样截面的全貌,所以采用 拍摄几张连续的图片组合在一起,得到试样中间的 纵向截面的全貌。图7是由三张图片组合而成,图 9是由两张图片组合而成,且相邻编织片之间的树 脂层由虚线示出。结合图5可知,此时缝合编织薄 片已经发生断裂破坏,而缝合编织厚片还未发生 断裂。 两种材料的弯曲破坏仅发生在加载头附近区 域,且未出现分层现象。弯曲过程中,受压面发生起 皱,在起皱区域附近有较多的树脂裂纹,且仅存在于 单个编织片内的纤维束交织处,相邻两编织片之间 几乎观察不到;受拉面的树脂裂纹沿着冲击造成的 树脂裂纹继续向横向、纵向和厚度方向扩展。 由图7可知,受压侧编织厚片内树脂裂纹比受 拉侧编织厚片多,且呈现由前者向后者扩展的趋势, 即树脂裂纹从受压侧向内逐渐减少,但并未扩展到 受拉侧编织厚片。由于缝合编织薄片已发生断裂, 故其受拉面发生纤维抽拔、断裂,但未出现分层现 象,究其原因为相邻两编织片层叠时,其凹凸表面产 生大量的机械锁结,其强度足以克服两编织片间的 剪切应力。由图9可知,靠近弯曲加载头的三片编 织薄片内均观察到纤维束间的树脂裂纹,且从受压 面向受拉面逐渐减少,受拉面的第一片编织片内没 有树脂裂纹。由此可知,缝合编织薄片的断裂破坏 是由受压面开始的,而受拉面的纤维断裂导致整个 试样最终破坏。 2.2.3弯曲性能数据分析 表3列出了两种缝合编织复合材料未经冲击与 冲击后的弯曲力学性能参数。对比冲击后与未经冲 击试样的弯曲力学性能参数,计算出冲击后两种材 料的弯曲性能的下降量,其计算方法如下: 下降量=× 10。% 结合图2至图4可知,低速冲击造成一定的表 面和内部损伤,且对试样冲击后的弯曲性能造成消 极影响。从表3可知,缝合编织薄片未经冲击与冲 击后(冲击能量为3.2J/ram)的弯曲强度和模量均 大于缝合编织厚片。与未经冲击的试样相比,冲击 后试样的弯曲力学性能均有所下降,两种缝合编织 复合材料的弯曲载荷、强度和模量的下降量相差无 几,但是弯曲模量下降量大于弯曲强度下降量,说明 模量对冲击损伤更加敏感。由三维编织复合材料的 三单胞结构模型可知,角单胞和面单胞的刚度大于 内单胞,则缝合编织薄片未经冲击与冲击后的弯曲 强度和模量均大于缝合编织厚片,可能是因为编织 厚片中的内单胞含量大于编织薄片的缘故。 表3试样冲击后的剩余弯曲性能 — Table3Postimpactresidu ̄bendingper formanceofspecimens 冲击后弯曲实验中,缝合编织薄片未经冲击与 冲击后的弯曲强度和模量均大于缝合编织厚片,但 其弯曲断裂变形小于缝合编织厚片。弯曲过程中, 受压面发生起皱,在起皱区域附近有较多的树脂裂 纹,仅存在于单个编织片内的纤维束交织处,相邻两 编织片之间几乎观察不到;受拉面的树脂裂纹沿着 冲击造成的树脂裂纹继续向横向、纵向和厚度方向 扩展。 3结 论 (1)在3.2J/ram冲击能量作用下,缝合编织薄 片的表面损伤面积和厚度方向上的损伤小于缝合编 织厚片,且两者的损伤均发生在表面的编织片内,相 邻两编织片之间并无损伤; (2)冲击后弯曲实验中,受压面发生起皱,起皱 区域附近有较多的树脂裂纹,存在于单个编织片内 的纤维束交织处,相邻两编织片之间几乎观察不到; 受拉面的树脂裂纹沿着冲击造成的树脂裂纹继续向 横向、纵向和厚度方向扩展; (3)缝合编织薄片未经冲击与冲击后的弯曲强 度和模量均大于缝合编织厚片,但其弯曲断裂变形 小于缝合编织厚片。在3.2J/ram冲击能量作用下, 两种材料的弯曲载荷、强度和模量的下降量相差无 几,且观察到弯曲模量下降量大于弯曲强度下降量, 说明模量对冲击损伤更加敏感。 参考文献 [1]林智育,许希武.复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度[J]. 复合材料学报,2008,25(1):140.146. l咄 缝合编织复合材料低速冲击以及冲击后弯曲性能研究 2014年7月 — [2]冯波,王晓洁,惠雪梅.复合材料zpin增强技术研究现状[J]. 玻璃钢/复合材料,2012,(2):82-85. 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Keywords:stitchedbraidedcomposite;low-velocityimpact;damage;residualbendingperformance 静醉鼬
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