黃雨霓 劉振國(guó)

【摘要】本文針對(duì)三維四向、五向編織T700/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，采用四步法編織工藝，編織圓管預(yù)成型件，利用VARTM工藝固化成型，并進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn)，得到兩類(lèi)材料圓管的軸向性能數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：三維四向和五向復(fù)合材料圓管軸向性能在破壞前基本保持線彈性，四向材料拉伸和壓縮模量相近，五向材料壓縮模量大于拉伸模量，兩者拉伸強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于壓縮強(qiáng)度，且五向材料破壞具有脆性特征。此外，三維四向編織復(fù)合材料的軸向力學(xué)性能低于三維五向編織復(fù)合材料。

【關(guān)鍵詞】三維編織；復(fù)合材料；圓管；軸向性能

Research on Axial Performances of 3D Braided Composite Circular Tubes

HUANG Yu-ni1LIU Zhen-guo2

( 1. Shanghai Aircraft Design Research Institute, Shanghai, 200232, China;

2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China)

【Abstract】Tube performs for the 3D 4-directional and 3D 5-directional materials were produced by four step braiding method and T-700/epoxy composites were made by VARTM. A study of tensile and compression properties for the two materials were carried out. The results indicate that the axial performances maintain linear elasticity before failure and the tensile strength is much larger than the compressive strength for the two materials. The tensile elastic modulus of the 3D 4-directional material is similar to the compressive elastic modulus. The compressive elastic modulus is larger than the tensile strength for the 3D 5-directional material and the failure?form is characterized by brittle cracks. Moreover, the axial properties of 3D 4-directional braided composites are lower than that of 3D 5-directional braided composites.

【Key words】3D braided; Composites; Tubes; Axial performances

0引言

隨著世界航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代航空航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了大結(jié)構(gòu)尺度和結(jié)構(gòu)超輕型化問(wèn)題[1]。利用復(fù)合材料管件制造出的結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度及剛度的前提下，至少能實(shí)現(xiàn)減重20%的目標(biāo)[2]，同時(shí)還具有良好的抗疲勞、抗腐蝕性的特點(diǎn)。

目前，航空航天復(fù)合材料管件的制造方法主要有纏繞工藝和卷管成型工藝等，由于制造工藝的特點(diǎn)決定了其存在著一定的不足，難以滿足航空航天高性能管件的要求。纏繞工藝生產(chǎn)的管件，軸向拉伸強(qiáng)度較低、外表面粗糙、易滲漏，管連接件較難成型，而卷管成型工藝生產(chǎn)的管件易出現(xiàn)分層現(xiàn)象[3]。三維編織復(fù)合材料是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，它是現(xiàn)代復(fù)合材料制造技術(shù)和編織技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，克服了用其他方法成型的管件的某些不足，具有高強(qiáng)度、高模量、高抗損傷容限和抗沖擊等優(yōu)異性能，在航空、航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[4]指出三維編織工藝技術(shù)結(jié)合RTM成型工藝是實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料管件制造的低成本技術(shù)途徑之一。

本文所用管件采用三維整體編織技術(shù)和VARTM工藝制作，對(duì)相同編織角、相同體積分?jǐn)?shù)的三維四向、五向編織T700/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸和壓縮試驗(yàn)，獲得了這些編織復(fù)合材料的主要軸向性能，并對(duì)破壞形式進(jìn)行了分析。

１三維圓管的編織

三維編織工藝，就是由增強(qiáng)纖維束形成編織預(yù)成型件的過(guò)程。本試驗(yàn)采用四步法編織三維四向和五向的圓管預(yù)成型件，所用試樣預(yù)成型件由北京柏瑞鼎科技有限公司提供。所選用的纖維為T(mén)700-6K碳纖維，圓管預(yù)成型件實(shí)物如圖1所示。

圖1三維編織圓管預(yù)成型件

Fig.1The perform of 3D braided circular?tube

２三維編織圓管的成型

由圖1可看出，本試驗(yàn)所用三維編織圓管結(jié)構(gòu)致密，纖維體積含量較高，為充分發(fā)揮三維編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，選用VARTM工藝固化成型。本文選用的樹(shù)脂為T(mén)DE-85#環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑為70#酸酐，促進(jìn)劑為苯胺[5]。膠液配比為樹(shù)脂：固化劑：促進(jìn)劑=100：100：1；固化工藝為：130℃恒溫2小時(shí)，150℃恒溫1小時(shí)，160℃恒溫8小時(shí)，180℃恒溫3小時(shí)。

3試驗(yàn)描述

參照GB/T1446–2005，GB/T3354–1999，以及ASTM有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，確定試樣的尺寸參數(shù)。本次試驗(yàn)在WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度2mm/min，測(cè)試溫度為室溫。

本文試樣有三維四向和三維五向兩種材料，編織角有30°、40°和50°三種，纖維體積分?jǐn)?shù)60%，分別進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。試樣尺寸如圖2所示。由于是薄壁圓管，為方便加載，試樣端頭使用加強(qiáng)鋁件，圓管和加強(qiáng)鋁件之間用高強(qiáng)膠粘接。為測(cè)量管件模量，試樣中部粘貼應(yīng)變片。

表1試樣相關(guān)參數(shù)

Table 1Related parameters of samples

４試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖3為試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖可知，曲線在試樣破壞前基本保持為一條直線，這說(shuō)明三維編織圓管在拉伸和壓縮破壞前是線彈性的。由圖中直線斜率和表2數(shù)據(jù)可知，三維五向圓管模量明顯大于三維四向圓管，這是由于五向材料有軸向紗的緣故。

由表2可知，在纖維體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著編織角的增大，三維四向和五向材料圓管的拉伸模量和壓縮模量都減小，且編織角越大，變化越劇烈。四向材料拉伸模量和壓縮模量相近，壓縮模量略大于拉伸模量。五向材料壓縮模量明顯大于拉伸模量。

圖2拉伸和壓縮試樣結(jié)構(gòu)圖

Fig.2The diagrams of tensile and compressed samples

(a)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a) Stress-strain curves of tensile tests

(b) 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b) Stress-strain curves of compressed tests

圖3三維編織圓管應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.3Stress-strain curves of 3D braided circular tubes

表2三維編織T-700/TDE-85#圓管軸向性能

Table2Axial performances of 3D braided T-700/TDE-85 circular tubes

由于粘接強(qiáng)度不夠和工藝不穩(wěn)定的原因，拉伸試樣破壞形式大部分為脫膠，僅得到1號(hào)試樣的拉伸強(qiáng)度537.5MPa，但可得出其他材料的強(qiáng)度的大概范圍。由表2可推知，在相同編織角和纖維體積分?jǐn)?shù)條件下，五向材料的拉伸強(qiáng)度高于四向材料。四向材料1號(hào)試樣在加載初始階段試驗(yàn)力-位移曲線基本為一直線，當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到一定值時(shí)開(kāi)始發(fā)出輕微的響聲，基體或界面發(fā)生破壞，并隨著載荷的增加而聲音逐漸增大，在此過(guò)程中圓管明顯變細(xì)被拉長(zhǎng)，達(dá)到試驗(yàn)力峰值時(shí)瞬間發(fā)生斷裂，如圖4所示，纖維在斷口處被拉斷。

圖4拉伸試樣破壞圖

Fig 4Failure diagram of tensile sample

（a）Diagram of 4-directional material

（b）Diagram of 5-directional material

圖5壓縮試樣破壞圖

Fig.5Failure diagram of compressed sample

比較表2中拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度可知，拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓縮強(qiáng)度。在纖維體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著編織角的增大，三維四向和五向材料圓管的壓縮強(qiáng)度都減小，五向材料減小趨勢(shì)不明顯。相同編織角和纖維體積分?jǐn)?shù)情況下，五向材料壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于四向材料，甚至為四向材料的2倍。可見(jiàn)，軸向紗的加入，能很大程度上提高材料的軸向壓縮性能。由圖5(a)可以看出，四向壓縮試驗(yàn)圓管的破壞形式主要是沿著編織角方向的斜面纖維和樹(shù)脂同時(shí)斷裂，表現(xiàn)出明顯的剪切破壞特征。纖維和樹(shù)脂同時(shí)斷裂說(shuō)明在圓管受壓的過(guò)程中樹(shù)脂基體也起到了較大的承載作用。圖5(b)看出，五向試樣斷裂均發(fā)生在試件的試驗(yàn)段內(nèi)。與三維四向試樣斷裂形式不同的是，五向編織復(fù)合材料圓管的斷口都較為平整，且纖維基本沿橫截面斷裂。沿縱向分布的軸向紗的加入使五向材料的失效模式更趨向于脆性破壞。

5結(jié)論

５.１采用三維編織四步法編織預(yù)成型件，利用VARTM工藝制造三維整體編織增強(qiáng)環(huán)氧 TDE-85#的復(fù)合材料管，對(duì)于高性能復(fù)合材料管件的制造進(jìn)行了探索。

５.２三維四向和五向編織復(fù)合材料的縱向拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線在試件破壞前基本保持線性關(guān)系，四向材料拉伸和壓縮模量值相近，五向材料壓縮模量明顯大于拉伸模量。

５.３在纖維體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著編織角的增大，拉伸模量、壓縮模量和壓縮強(qiáng)度均減小。

５.４三維四向和五向材料壓縮強(qiáng)度均小于拉伸強(qiáng)度，五向材料壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于四向材料。由于五向引入了軸向紗，試件的失效方式均趨向于脆性破壞。

［１］范華林，孟凡顥，楊衛(wèi)．碳纖維格柵結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[J]．工程力學(xué)，2007，24(5)：42-46.

［2］冼杏娟，李端義．復(fù)合材料破壞分析及微觀圖譜[M]．北京：科學(xué)出版社，1993：1.

［3］吳曉青，李嘉祿，崔振興，王曉生．三維整體編織復(fù)合材料管的設(shè)計(jì)與制造[J]．玻璃鋼/復(fù)合材料，1998(4).

［4］劉振國(guó)．高性能復(fù)合材料管件制作工藝的比較及三維編織技術(shù)的應(yīng)用[J]．材料工程，2009（S2）：109-112,118.

［5］吳曉青,李嘉祿．TDE-85#環(huán)氧樹(shù)脂VARTM工藝性研究[J]．中國(guó)塑料,2003，17(3)：44－47.

［責(zé)任編輯：曹明明］