纤维增强复合材料压缩性能试验研究

纤维增强复合材料压缩性能试验研究

过去，树脂基材料的层之间没有纤维增强，但它们与树脂本身有着粘附和传输负荷的作用。当受到外部阻力，尤其是负荷负荷作用时，建筑材料组件首先会对层造成破坏，并逐渐向层内扩张，最终破坏整个结构。纬编双轴向多层衬纱织物能够改善复合材料的层间性能,被广泛应用于建筑业、体育用品、交通、军事国防、航空航天等领域。然而,迄今为止,国内外对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的力学性能和压缩性能的研究相对较少,影响了对其可靠性的评估。复合材料中纤维的初始微屈曲(由于织造和固化等原因造成了纤维的屈曲,固化完成后此屈曲仍然存在,这种屈曲可以叫做初始微屈曲)是一种缺陷,纤维复合材料的轴向压缩性能是一个对此种缺陷十分敏感的非线性问题。纤维的初始微屈曲可能造成复合材料的轴向压缩力学性能发生巨大变化,即使较小的纤维初始微屈曲也可以引起轴向压缩强度的急剧降低。因此,当碳纤维增强树脂基复合材料处于轴向压缩状态时,决定材料压缩性能的不仅仅是碳纤维本身,纤维的初始微屈曲也起着重要的作用。纬编双轴向多层衬纱织物中衬纱彼此平直排列,能够显著改善纤维初始微屈曲的缺陷。因此,对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能和压缩性能的研究是十分必要的。本文针对不同纤维体积含量的3层连接的碳纤维纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料进行了压缩试验,分析了该类材料的压缩性能、压缩破坏模式及机理,为合理提出强度失效准则和预报模型奠定了基础。1测试1.1试件的材料和基本配方试件由天津工业大学复合材料研究所制备,试件经过树脂传递模塑工艺(RTM)渗入树脂后固化成形。纬编双轴向多层衬纱织物所选用的增强纤维为日本TORAY公司生产的T300碳纤维,纤维束规格为3K,每根纱线由两束碳纤维合股而成;捆绑纤维为8.33tex×2(75D×2)涤纶低弹丝。3层连接的纬编双轴向多层衬纱织物结构如图1所示。为了使试件达到不同的纤维体积含量,将不同组数的3层连接纬编双轴向多层衬纱织物铺放在一起,铺组顺序见表1。试件的基体材料为天津津东化工厂生产的TDE-86环氧树脂,固化剂为70#酸酐。试验制备了3类试件,0°为衬纬纱方向试件,90°为衬经纱方向试件,每类试件各有5块试样,纤维体积含量为每类试件的平均值,具体参数如表1所示。1.2材料试件规格、试验方案及注意事项目前尚无适用于纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的测试标准。本研究的试验方法除了参考GB/T3856—2005《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》外,还参考了ASTMD3410—D3410M,试件规格如图2所示。同时,试件两端的两侧贴有50.0mm×15.0mm×1.5.0mm的铝合金加强片。试验在岛津AG-250KNE型万能材料试验机上完成,试件的状态、试验环境及设备按GB/T1446—2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》的相关规定调整。测试速度为2mm/min,加载方向为0°方向和90°方向。为了准确测定试件压缩模量,在试件的两面贴有应变片,试验过程如图3所示。2结果与分析2.1纤维体积含量对复合材料力学性能的影响3类复合材料分别沿0°方向和90°方向的压缩强度和压缩模量的测试结果见表2。表2中所得数值为5个试件试验结果的平均值。从表2可知,在试验研究的碳纤维体积含量范围内,随纤维体积含量的增加,复合材料的压缩强度和压缩模量也增加。当复合材料增强体的铺层数为偶数时,复合材料在0°方向和90°方向具有相同的碳纤维体积含量,所以这两个方向具有相近的测试结果。而当铺层数为奇数时,由于经纬向衬入碳纤维的层数不同,造成这两个方向碳纤维的纤维体积含量差异较大,沿0°方向的纤维体积含量为24.0%,而沿90°方向的纤维体积含量只有20.6%,使0°方向的力学性能明显高于90°方向的力学性能。当沿着0°方向或90°方向进行压缩测试时,该方向的纤维能够最大限度地发挥其固有特性。试件的压缩载荷主要由碳纤维承受,在一定纤维体积含量范围内,一般的规律是纤维体积含量越大,该方向具有的纤维根数就越多,那么同时承受压缩载荷的碳纤维的总根数就越多,因此纤维体积含量高的试件压缩强度比纤维体积含量低的大。纤维体积含量越小,基体的承载贡献就越大,复合材料的压缩模量也就越小。伸直状态的纱线可以显著提高该方向的压缩模量,本研究中纤维体积含量高的试件在承载方向具有更多的伸直碳纤维,因此,纤维体积含量高的试件具有更大的压缩模量。如图4所示,分别为3类复合材料典型试件沿0°方向和90°方向的压缩应力-应变曲线。由图4可知,应力-应变曲线均呈现出线性变化趋势。这说明沿纬编双轴向多层衬纱织物的衬经纱方向和衬纬纱方向进行压缩加载时,碳纤维的力学性能占主导作用,复合材料表现出线性弹性的力学性能。试件的压缩破坏是逐步累积的过程,因此曲线上又略有曲折。不同纤维体积含量的复合材料沿衬经纱方向和衬纬纱方向的应力-应变曲线在破坏时均发生承载能力的突然降低,表现出脆性破坏的特点。3种试件表现出的应力-应变曲线变化趋势相类似,所以纤维体积含量的变化对试件压缩应力-应变曲线的变化影响不大。2.2层间分层压缩破坏试验在纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料中,捆绑纱起到了绑缚纤维层和传递载荷的作用。由图1可以看到3层纤维层被有一定预紧力的捆绑纱紧紧绑缚在一起,在结构上成为一组织物单元。如图5所示为0°/90°/0°/90°层合板试样的纵向截面图,每一组织物单元中的各层纤维间的结合非常紧密,没有多余树脂,只有在相邻两个织物单元之间才能看到少量树脂区域,因此捆绑纱有利于层间性能的提高。如图6所示为捆绑纱的VHX-1000超景深三维显微镜照片,从中可以看到捆绑纱与树脂的结合性非常好,说明捆绑纱与树脂有较好的结合能力,它能够起到传递载荷的作用,达到多层纤维层共同承担载荷的效果,这也有利于复合材料层间性能的提高。以上两种作用均可在一定程度上抑制分层破坏。对于层合板来讲,压缩破坏形式以层间分层断裂为主,分层破坏区域较大,试件表面铺层向外侧断裂突起。而在纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料层合板中,由于捆绑纱的存在能在一定程度上抑制分层扩展,当材料内缺陷部分发生破坏时,由于空间的限制,断裂纤维在压缩载荷作用下堆积,并折向层合板表面,最终形成斜形断口。因此,纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料层合板的压缩破坏区域比较集中,断口基本上垂直于载荷方向,破坏试件如图7所示,试件断口的VHX-1000超景深三维显微镜照片如图8所示。由图7可以看出试件的开裂和剪切破坏,断裂裂纹延伸的距离较短,这表明破坏是脆性破坏模式。压缩试件的断口沿试件宽度方向较平整,沿试件厚度方向与受力方向约45°。从图8a可以看到碳纤维沿一定的角度被分层剪断,这说明碳纤维在轴向压缩时起主要承载作用。从图8b可知,基体产生明显的塑性变形,形成了清晰的剪切带,这表明基体在受到压缩应力的同时也承受纤维对它的挤压产生的剪切应力。从图8c可知,在压缩过程中,基体产生了巨大的塑性变形,基体在压剪应力作用下发生了碎裂,从界面脱落。当加载方向与纤维层垂直时,纤维与基体的界面起重要作用。当剪切应力过大时,纤维与基体的界面将不能承受,导致纤维与基体界面的破坏,从而使纤维发生脱黏。由图8d可知,纤维与基体的界面发生了损坏,纤维与界面脱离。从图8中裂纹扩展情况可知,裂纹主要是从与加载方向垂直的一层纱线之间的富脂区产生的,然后横向扩展,穿过纤维层扩展到下一层,这说明由于捆绑纱的引入所带来的富树脂区是材料裂纹产生的源头,对材料性能有很大影响。对于与加载方向相同的纤维层,纤维在剪切应力作用下发生剪切破坏,最终导致试件的剪切破坏。3织物纤维/织物的