縫合連接三維編織復(fù)合材料彎曲性能研究

1縫合對層合復(fù)合材料力學(xué)性能的影響三維紡織材料是一種全球網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料。由于其優(yōu)良的力學(xué)性能,在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中受到極大地關(guān)注。隨著三維編織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴大,單一的三維編織技術(shù)往往不能滿足復(fù)雜形狀預(yù)制件一次整體成型的要求,將縫合和編織兩種工藝結(jié)合起來的縫合連接三維編織復(fù)合材料技術(shù),有效地解決了這個問題。近幾十年來,許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),厚度方向的縫合可明顯提高層合板復(fù)合材料I型和Ⅱ型分層斷裂韌性。Tong等人研究發(fā)現(xiàn),縫合使單搭接連接的強度提高了25%。Tada和Ishikawa用多種類別的試樣和試驗研究了縫合對CFRP(炭纖維增強聚合物)層合板的影響。試驗結(jié)果表明,縫合能抵抗損傷的增長,抑制裂縫的擴散和推遲最終的斷裂。同時,國內(nèi)外學(xué)者對三維編織復(fù)合材料的彎曲性能也進(jìn)行了研究。Yau等人對三維編織復(fù)合材料I型梁進(jìn)行了四點彎曲和軸向壓縮的實驗,觀察到在初始失效之前其應(yīng)力與應(yīng)變間呈線性關(guān)系。盧子興等人分別針對三維四向和五向編織復(fù)合材料進(jìn)行了彎曲實驗,獲得了這些材料的主要力學(xué)性能參數(shù)及變形、破壞規(guī)律。李嘉祿等人通過實驗研究了炭纖維三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對拉伸和彎曲性能的影響,并與層合復(fù)合材料作了對比性研究。焦亞男等人研究了縫合連接三維編織復(fù)合材料的拉伸性能。本文主要對縫合連接三維編織復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了試驗研究,著重就不同搭接長度、縫合密度及編織角等工藝參數(shù)對其彎曲強度和模量的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為縫合連接三維編織復(fù)合材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。2ed垂直的方向圖1為三維編織物縫合連接示意圖。其中,ED方向為0°方向,與ED垂直的方向為90°方向,AB為搭接長度。編織角、縫合密度、縫合方向、搭接長度等因素影響著縫合連接三維編織復(fù)合材料的性能。縫合連接技術(shù)解決了僅靠三維編織來制作異型件時存在的局限性。3預(yù)制件結(jié)構(gòu)及規(guī)格所有試件均在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備。預(yù)制件采用四步法1×1方型編織工藝,編織完畢后在工業(yè)用縫紉機上用Kevlar29縫合線進(jìn)行縫合,縫合方式采用改進(jìn)的鎖式縫合。縫合好的三維編織預(yù)制件采用RTM工藝固化成型。試件編織結(jié)構(gòu)為三維五向,增強纖維為高強玻璃纖維,基體材料為TDE-86環(huán)氧樹脂。根據(jù)搭接長度的不同,試件分為4組,即搭接長度分別為25、40、55、70mm。每組中又包含低、中、高3種密度及20°和35°2種編織角,試件規(guī)格見表1。試驗參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1449—2005,試件名義尺寸100mm×15mm×5mm。彎曲試驗在島津AG-250KNE型萬能材料試驗機上進(jìn)行,跨距l(xiāng)=80mm,環(huán)境溫度為室溫,加載速率2mm/min。4初始非線性試驗不同試件在彎曲試驗中撓度隨載荷的變化表現(xiàn)為:初始階段均為明顯的線性,但隨著載荷量的增加,各組試件開始出現(xiàn)非線性。下面主要討論不同的參數(shù)對其彎曲性能的影響。4.1u3000搭接長度對彎曲性能的影響圖2(a)、(b)分別為不同搭接長度對編織角20°縫合連接試件彎曲強度和彎曲模量的影響。從圖2(a)可看出,試件的彎曲強度隨搭接長度的增加而增大。分析認(rèn)為,不論縫合密度多少,隨著搭接長度的增加,縫合的針數(shù)就會增加,縫線作用的區(qū)域就越長。因此,在受到外力作用時,更長的縫線就會在抵抗外力、阻止試件破壞中發(fā)揮更大的作用。但搭接長度也不是越長越好。因為搭接長度的增加會使縫合針數(shù)增加,從而增加對織物纖維的損傷,造成材料的彎曲性能下降,這可從圖2(b)看出。圖2(b)彎曲模量曲線出現(xiàn)2種情況:低密度WB1C2和中密度WB2C2試件的彎曲模量隨搭接長度的增加而增大,而高密度WB3C2試件搭接長度從55mm增大到70mm時彎曲模量下降。說明隨著搭接長度的增加,縫合區(qū)域內(nèi)的縫合針數(shù)增大,縫合連接試件的彎曲模量有所增加;當(dāng)縫合針數(shù)超過某一臨界值時,縫合對纖維的損傷就會起到主導(dǎo)作用,直接導(dǎo)致彎曲模量降低。編織角35°的試件也表現(xiàn)出大致相同的規(guī)律。4.2分層斷裂試驗圖3(a)和(b)分別為縫合密度變化對編織角35°和20°試件彎曲強度的影響。從圖3中可看出,搭接長度25、40、55mm試件的彎曲強度隨縫合密度的增加而增大,而搭接長度70mm的A4試件出現(xiàn)特殊情況:35°編織角WA4C1試件的彎曲強度隨縫合密度的增大而減小;20°編織角的WA4C2試件的彎曲強度隨縫合密度增加先增大后減小。分析認(rèn)為,搭接長度25、40、55mm試件發(fā)生分層斷裂破壞,此時縫合連接試件的彎曲強度與縫合線根數(shù)的多少直接有關(guān)。搭接長度相同,縫合密度越大,縫合區(qū)域內(nèi)的縫合線根數(shù)就越多,對抵抗分層破壞的效果就越明顯,因而試件的彎曲強度隨縫合密度的增加而增大。編織角35°、搭接長度70mm的A4C1試件在受到彎曲載荷的作用時,沒有發(fā)生分層斷裂,而是在中間壓頭所在位置發(fā)生了塑性變形破壞,此時彎曲試件的強度主要取決于復(fù)合后玻璃纖維的性能。隨著縫合密度的增大,縫合給玻璃纖維帶來的損傷也更嚴(yán)重,致使更多的玻璃纖維發(fā)生斷裂和彎曲。所以,彎曲強度隨著縫合密度的增大而減小。編織角20°、搭接長度70mm的A4C2試件在低密度縫合時也發(fā)生了分層斷裂,中密度和高密度縫合時發(fā)生塑性變形。圖4為縫合密度對編織角35°試件彎曲模量的影響。搭接長度A1~A3試件的彎曲模量隨縫合密度先增大后減小,而搭接長度70mm的WA4C1試件彎曲模量一直減小。這同樣說明縫合密度有一個臨界值,當(dāng)縫合密度小于這個臨界值時,縫合線的長度起著主導(dǎo)作用,使得試件的彎曲性能隨著縫合密度的增加而提高;但當(dāng)縫合密度超過這個臨界值時,縫合造成的纖維損傷就起主導(dǎo)作用,使得試件的彎曲性能隨著縫合密度的增加而降低。4.3維針織復(fù)合材料試件與織物的彎曲性能對比圖5為搭接長度為40mm不同編織角縫合連接三維編織復(fù)合材料試件彎曲強度的對比。從圖5可看出,在搭接長度和縫合密度相同的情況下,編織角對縫合連接試件彎曲性能的影響很小。隨著編織角的增大,相同縫合密度試件的彎曲強度并沒有明顯的變化。同時,所測試的連接試件都發(fā)生了分層斷裂。這說明縫合在這些試件中起著重要的作用,試件的彎曲強度主要取決于縫合區(qū)域縫線的長度,而編織角對試件的彎曲強度幾乎沒什么影響。同樣,在縫合密度和搭接長度相同的情況下,搭接長度為25、55mm的試件也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。圖6是搭接長度為70mm的不同編織角縫合連接三維編織復(fù)合材料試件彎曲強度的對比。從圖6中可看出,對于縫合密度為中密度和高密度的試件,編織角為20°試件的彎曲強度比編織角為35°試件的彎曲強度大,而在縫合密度為低密度的試件中卻相反。觀察發(fā)現(xiàn),縫合密度為中密度和高密度的試件發(fā)生的都是永久的彎曲變形,沒有發(fā)生斷裂。但在縫合密度為低密度的試件中,編織角為35°的試件也是發(fā)生塑性彎曲變形,編織角為20°的試件卻發(fā)生了分層斷裂,所以表現(xiàn)出與中、高密度縫合試件不同的規(guī)律。這說明當(dāng)搭接長度增加到一定值時,織物的編織結(jié)構(gòu)在試件的彎曲性能和彎曲破壞形式方面起到了主要作用。三維編織復(fù)合材料試件在彎曲載荷作用下,它的承力狀態(tài)較為復(fù)雜,隨著纖維編織角的增加,三維編織復(fù)合材料的縱向力學(xué)性能下降,而橫向和厚度方向的力學(xué)性能提高。當(dāng)編織角較小時,三維編織復(fù)合材料的縱向力學(xué)性能優(yōu)良,而橫向和承受剪切應(yīng)力的能力較差。編織角增加時,纖維截面上所能承受的軸向正應(yīng)力下降,而能承受的橫向正應(yīng)力和剪應(yīng)力卻增加。因此,造成了由于編織角的變化使得試件的彎曲性能和彎曲破壞形式發(fā)生了變化。這需要今后進(jìn)一步進(jìn)行深入分析。但從這一現(xiàn)象可看出,對于縫合連接三維編織復(fù)合材料試件,搭接長度不宜過長。縫合連接三維編織復(fù)合材料試片和其他連接形式試片彎曲性能的比較說明,縫合連接三維編織復(fù)合材料的彎曲性能比只搭接沒有縫合的三維編織復(fù)合材料的彎曲性能要好,但不如三維整體編織復(fù)合材料試片的彎曲性能。如果三維整體編織滿足不了復(fù)雜形狀制件的編織要求,則縫合連接三維編織復(fù)合材料也是解決復(fù)雜形狀制件整體成型的一個較好辦法。5紡織角和模擬縫合密度的影響(1)在縫合密度和編織角相同情況下,各種縫合密度試件的彎曲強度隨搭接長度增加而增大;(2)在編織角和搭接長度相同情況下,搭接長度25、40、55mm試件的彎曲強度隨著縫合密度的增加而增大;編織角35°、搭接長度70mm試件的彎曲強度隨縫合密度的增大而減小;編織角20°、搭接長度70mm試件的彎曲強度隨縫合密度增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律;(3)在縫合密度和搭接長度相同情況下,編織角對搭接長度25、40、55