纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)研究

過(guò)去，樹(shù)脂基材料的層之間沒(méi)有纖維增強(qiáng)，但它們與樹(shù)脂本身有著粘附和傳輸負(fù)荷的作用。當(dāng)受到外部阻力，尤其是負(fù)荷負(fù)荷作用時(shí)，建筑材料組件首先會(huì)對(duì)層造成破壞，并逐漸向?qū)觾?nèi)擴(kuò)張，最終破壞整個(gè)結(jié)構(gòu)。緯編雙軸向多層襯紗織物能夠改善復(fù)合材料的層間性能,被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、體育用品、交通、軍事國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域。然而,迄今為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和壓縮性能的研究相對(duì)較少,影響了對(duì)其可靠性的評(píng)估。復(fù)合材料中纖維的初始微屈曲(由于織造和固化等原因造成了纖維的屈曲,固化完成后此屈曲仍然存在,這種屈曲可以叫做初始微屈曲)是一種缺陷,纖維復(fù)合材料的軸向壓縮性能是一個(gè)對(duì)此種缺陷十分敏感的非線性問(wèn)題。纖維的初始微屈曲可能造成復(fù)合材料的軸向壓縮力學(xué)性能發(fā)生巨大變化,即使較小的纖維初始微屈曲也可以引起軸向壓縮強(qiáng)度的急劇降低。因此,當(dāng)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料處于軸向壓縮狀態(tài)時(shí),決定材料壓縮性能的不僅僅是碳纖維本身,纖維的初始微屈曲也起著重要的作用。緯編雙軸向多層襯紗織物中襯紗彼此平直排列,能夠顯著改善纖維初始微屈曲的缺陷。因此,對(duì)緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能和壓縮性能的研究是十分必要的。本文針對(duì)不同纖維體積含量的3層連接的碳纖維緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn),分析了該類材料的壓縮性能、壓縮破壞模式及機(jī)理,為合理提出強(qiáng)度失效準(zhǔn)則和預(yù)報(bào)模型奠定了基礎(chǔ)。1測(cè)試1.1試件的材料和基本配方試件由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備,試件經(jīng)過(guò)樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)滲入樹(shù)脂后固化成形。緯編雙軸向多層襯紗織物所選用的增強(qiáng)纖維為日本TORAY公司生產(chǎn)的T300碳纖維,纖維束規(guī)格為3K,每根紗線由兩束碳纖維合股而成;捆綁纖維為8.33tex×2(75D×2)滌綸低彈絲。3層連接的緯編雙軸向多層襯紗織物結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了使試件達(dá)到不同的纖維體積含量,將不同組數(shù)的3層連接緯編雙軸向多層襯紗織物鋪放在一起,鋪組順序見(jiàn)表1。試件的基體材料為天津津東化工廠生產(chǎn)的TDE-86環(huán)氧樹(shù)脂,固化劑為70#酸酐。試驗(yàn)制備了3類試件,0°為襯緯紗方向試件,90°為襯經(jīng)紗方向試件,每類試件各有5塊試樣,纖維體積含量為每類試件的平均值,具體參數(shù)如表1所示。1.2材料試件規(guī)格、試驗(yàn)方案及注意事項(xiàng)目前尚無(wú)適用于緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。本研究的試驗(yàn)方法除了參考GB/T3856—2005《單向纖維增強(qiáng)塑料平板壓縮性能試驗(yàn)方法》外,還參考了ASTMD3410—D3410M,試件規(guī)格如圖2所示。同時(shí),試件兩端的兩側(cè)貼有50.0mm×15.0mm×1.5.0mm的鋁合金加強(qiáng)片。試驗(yàn)在島津AG-250KNE型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成,試件的狀態(tài)、試驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備按GB/T1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》的相關(guān)規(guī)定調(diào)整。測(cè)試速度為2mm/min,加載方向?yàn)?°方向和90°方向。為了準(zhǔn)確測(cè)定試件壓縮模量,在試件的兩面貼有應(yīng)變片,試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。2結(jié)果與分析2.1纖維體積含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響3類復(fù)合材料分別沿0°方向和90°方向的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表2中所得數(shù)值為5個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值。從表2可知,在試驗(yàn)研究的碳纖維體積含量范圍內(nèi),隨纖維體積含量的增加,復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量也增加。當(dāng)復(fù)合材料增強(qiáng)體的鋪層數(shù)為偶數(shù)時(shí),復(fù)合材料在0°方向和90°方向具有相同的碳纖維體積含量,所以這兩個(gè)方向具有相近的測(cè)試結(jié)果。而當(dāng)鋪層數(shù)為奇數(shù)時(shí),由于經(jīng)緯向襯入碳纖維的層數(shù)不同,造成這兩個(gè)方向碳纖維的纖維體積含量差異較大,沿0°方向的纖維體積含量為24.0%,而沿90°方向的纖維體積含量只有20.6%,使0°方向的力學(xué)性能明顯高于90°方向的力學(xué)性能。當(dāng)沿著0°方向或90°方向進(jìn)行壓縮測(cè)試時(shí),該方向的纖維能夠最大限度地發(fā)揮其固有特性。試件的壓縮載荷主要由碳纖維承受,在一定纖維體積含量范圍內(nèi),一般的規(guī)律是纖維體積含量越大,該方向具有的纖維根數(shù)就越多,那么同時(shí)承受壓縮載荷的碳纖維的總根數(shù)就越多,因此纖維體積含量高的試件壓縮強(qiáng)度比纖維體積含量低的大。纖維體積含量越小,基體的承載貢獻(xiàn)就越大,復(fù)合材料的壓縮模量也就越小。伸直狀態(tài)的紗線可以顯著提高該方向的壓縮模量,本研究中纖維體積含量高的試件在承載方向具有更多的伸直碳纖維,因此,纖維體積含量高的試件具有更大的壓縮模量。如圖4所示,分別為3類復(fù)合材料典型試件沿0°方向和90°方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知,應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出線性變化趨勢(shì)。這說(shuō)明沿緯編雙軸向多層襯紗織物的襯經(jīng)紗方向和襯緯紗方向進(jìn)行壓縮加載時(shí),碳纖維的力學(xué)性能占主導(dǎo)作用,復(fù)合材料表現(xiàn)出線性彈性的力學(xué)性能。試件的壓縮破壞是逐步累積的過(guò)程,因此曲線上又略有曲折。不同纖維體積含量的復(fù)合材料沿襯經(jīng)紗方向和襯緯紗方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在破壞時(shí)均發(fā)生承載能力的突然降低,表現(xiàn)出脆性破壞的特點(diǎn)。3種試件表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相類似,所以纖維體積含量的變化對(duì)試件壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化影響不大。2.2層間分層壓縮破壞試驗(yàn)在緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料中,捆綁紗起到了綁縛纖維層和傳遞載荷的作用。由圖1可以看到3層纖維層被有一定預(yù)緊力的捆綁紗緊緊綁縛在一起,在結(jié)構(gòu)上成為一組織物單元。如圖5所示為0°/90°/0°/90°層合板試樣的縱向截面圖,每一組織物單元中的各層纖維間的結(jié)合非常緊密,沒(méi)有多余樹(shù)脂,只有在相鄰兩個(gè)織物單元之間才能看到少量樹(shù)脂區(qū)域,因此捆綁紗有利于層間性能的提高。如圖6所示為捆綁紗的VHX-1000超景深三維顯微鏡照片,從中可以看到捆綁紗與樹(shù)脂的結(jié)合性非常好,說(shuō)明捆綁紗與樹(shù)脂有較好的結(jié)合能力,它能夠起到傳遞載荷的作用,達(dá)到多層纖維層共同承擔(dān)載荷的效果,這也有利于復(fù)合材料層間性能的提高。以上兩種作用均可在一定程度上抑制分層破壞。對(duì)于層合板來(lái)講,壓縮破壞形式以層間分層斷裂為主,分層破壞區(qū)域較大,試件表面鋪層向外側(cè)斷裂突起。而在緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料層合板中,由于捆綁紗的存在能在一定程度上抑制分層擴(kuò)展,當(dāng)材料內(nèi)缺陷部分發(fā)生破壞時(shí),由于空間的限制,斷裂纖維在壓縮載荷作用下堆積,并折向?qū)雍习灞砻?最終形成斜形斷口。因此,緯編雙軸向多層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的壓縮破壞區(qū)域比較集中,斷口基本上垂直于載荷方向,破壞試件如圖7所示,試件斷口的VHX-1000超景深三維顯微鏡照片如圖8所示。由圖7可以看出試件的開(kāi)裂和剪切破壞,斷裂裂紋延伸的距離較短,這表明破壞是脆性破壞模式。壓縮試件的斷口沿試件寬度方向較平整,沿試件厚度方向與受力方向約45°。從圖8a可以看到碳纖維沿一定的角度被分層剪斷,這說(shuō)明碳纖維在軸向壓縮時(shí)起主要承載作用。從圖8b可知,基體產(chǎn)生明顯的塑性變形,形成了清晰的剪切帶,這表明基體在受到壓縮應(yīng)力的同時(shí)也承受纖維對(duì)它的擠壓產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。從圖8c可知,在壓縮過(guò)程中,基體產(chǎn)生了巨大的塑性變形,基體在壓剪應(yīng)力作用下發(fā)生了碎裂,從界面脫落。當(dāng)加載方向與纖維層垂直時(shí),纖維與基體的界面起重要作用。當(dāng)剪切應(yīng)力過(guò)大時(shí),纖維與基體的界面將不能承受,導(dǎo)致纖維與基體界面的破壞,從而使纖維發(fā)生脫黏。由圖8d可知,纖維與基體的界面發(fā)生了損壞,纖維與界面脫離。從圖8中裂紋擴(kuò)展情況可知,裂紋主要是從與加載方向垂直的一層紗線之間的富脂區(qū)產(chǎn)生的,然后橫向擴(kuò)展,穿過(guò)纖維層擴(kuò)展到下一層,這說(shuō)明由于捆綁紗的引入所帶來(lái)的富樹(shù)脂區(qū)是材料裂紋產(chǎn)生的源頭,對(duì)材料性能有很大影響。對(duì)于與加載方向相同的纖維層,纖維在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切破壞,最終導(dǎo)致試件的剪切破壞。3織物纖維/織物的