缝合连接三维编织复合材料弯曲性能研究

缝合连接三维编织复合材料弯曲性能研究

1缝合对层合复合材料力学性能的影响三维纺织材料是一种全球网状结构的材料。由于其优良的力学性能,在结构材料领域中受到极大地关注。随着三维编织复合材料应用领域的逐步扩大,单一的三维编织技术往往不能满足复杂形状预制件一次整体成型的要求,将缝合和编织两种工艺结合起来的缝合连接三维编织复合材料技术,有效地解决了这个问题。近几十年来,许多学者研究发现,厚度方向的缝合可明显提高层合板复合材料I型和Ⅱ型分层断裂韧性。Tong等人研究发现,缝合使单搭接连接的强度提高了25%。Tada和Ishikawa用多种类别的试样和试验研究了缝合对CFRP(炭纤维增强聚合物)层合板的影响。试验结果表明,缝合能抵抗损伤的增长,抑制裂缝的扩散和推迟最终的断裂。同时,国内外学者对三维编织复合材料的弯曲性能也进行了研究。Yau等人对三维编织复合材料I型梁进行了四点弯曲和轴向压缩的实验,观察到在初始失效之前其应力与应变间呈线性关系。卢子兴等人分别针对三维四向和五向编织复合材料进行了弯曲实验,获得了这些材料的主要力学性能参数及变形、破坏规律。李嘉禄等人通过实验研究了炭纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究。焦亚男等人研究了缝合连接三维编织复合材料的拉伸性能。本文主要对缝合连接三维编织复合材料的弯曲性能进行了试验研究,着重就不同搭接长度、缝合密度及编织角等工艺参数对其弯曲强度和模量的影响进行了系统研究,为缝合连接三维编织复合材料的设计和应用提供了可靠依据。2ed垂直的方向图1为三维编织物缝合连接示意图。其中,ED方向为0°方向,与ED垂直的方向为90°方向,AB为搭接长度。编织角、缝合密度、缝合方向、搭接长度等因素影响着缝合连接三维编织复合材料的性能。缝合连接技术解决了仅靠三维编织来制作异型件时存在的局限性。3预制件结构及规格所有试件均在天津工业大学复合材料研究所制备。预制件采用四步法1×1方型编织工艺,编织完毕后在工业用缝纫机上用Kevlar29缝合线进行缝合,缝合方式采用改进的锁式缝合。缝合好的三维编织预制件采用RTM工艺固化成型。试件编织结构为三维五向,增强纤维为高强玻璃纤维,基体材料为TDE-86环氧树脂。根据搭接长度的不同,试件分为4组,即搭接长度分别为25、40、55、70mm。每组中又包含低、中、高3种密度及20°和35°2种编织角,试件规格见表1。试验参考国家标准GB/T1449—2005,试件名义尺寸100mm×15mm×5mm。弯曲试验在岛津AG-250KNE型万能材料试验机上进行,跨距l=80mm,环境温度为室温,加载速率2mm/min。4初始非线性试验不同试件在弯曲试验中挠度随载荷的变化表现为:初始阶段均为明显的线性,但随着载荷量的增加,各组试件开始出现非线性。下面主要讨论不同的参数对其弯曲性能的影响。4.1u3000搭接长度对弯曲性能的影响图2(a)、(b)分别为不同搭接长度对编织角20°缝合连接试件弯曲强度和弯曲模量的影响。从图2(a)可看出,试件的弯曲强度随搭接长度的增加而增大。分析认为,不论缝合密度多少,随着搭接长度的增加,缝合的针数就会增加,缝线作用的区域就越长。因此,在受到外力作用时,更长的缝线就会在抵抗外力、阻止试件破坏中发挥更大的作用。但搭接长度也不是越长越好。因为搭接长度的增加会使缝合针数增加,从而增加对织物纤维的损伤,造成材料的弯曲性能下降,这可从图2(b)看出。图2(b)弯曲模量曲线出现2种情况:低密度WB1C2和中密度WB2C2试件的弯曲模量随搭接长度的增加而增大,而高密度WB3C2试件搭接长度从55mm增大到70mm时弯曲模量下降。说明随着搭接长度的增加,缝合区域内的缝合针数增大,缝合连接试件的弯曲模量有所增加;当缝合针数超过某一临界值时,缝合对纤维的损伤就会起到主导作用,直接导致弯曲模量降低。编织角35°的试件也表现出大致相同的规律。4.2分层断裂试验图3(a)和(b)分别为缝合密度变化对编织角35°和20°试件弯曲强度的影响。从图3中可看出,搭接长度25、40、55mm试件的弯曲强度随缝合密度的增加而增大,而搭接长度70mm的A4试件出现特殊情况:35°编织角WA4C1试件的弯曲强度随缝合密度的增大而减小;20°编织角的WA4C2试件的弯曲强度随缝合密度增加先增大后减小。分析认为,搭接长度25、40、55mm试件发生分层断裂破坏,此时缝合连接试件的弯曲强度与缝合线根数的多少直接有关。搭接长度相同,缝合密度越大,缝合区域内的缝合线根数就越多,对抵抗分层破坏的效果就越明显,因而试件的弯曲强度随缝合密度的增加而增大。编织角35°、搭接长度70mm的A4C1试件在受到弯曲载荷的作用时,没有发生分层断裂,而是在中间压头所在位置发生了塑性变形破坏,此时弯曲试件的强度主要取决于复合后玻璃纤维的性能。随着缝合密度的增大,缝合给玻璃纤维带来的损伤也更严重,致使更多的玻璃纤维发生断裂和弯曲。所以,弯曲强度随着缝合密度的增大而减小。编织角20°、搭接长度70mm的A4C2试件在低密度缝合时也发生了分层断裂,中密度和高密度缝合时发生塑性变形。图4为缝合密度对编织角35°试件弯曲模量的影响。搭接长度A1~A3试件的弯曲模量随缝合密度先增大后减小,而搭接长度70mm的WA4C1试件弯曲模量一直减小。这同样说明缝合密度有一个临界值,当缝合密度小于这个临界值时,缝合线的长度起着主导作用,使得试件的弯曲性能随着缝合密度的增加而提高;但当缝合密度超过这个临界值时,缝合造成的纤维损伤就起主导作用,使得试件的弯曲性能随着缝合密度的增加而降低。4.3维针织复合材料试件与织物的弯曲性能对比图5为搭接长度为40mm不同编织角缝合连接三维编织复合材料试件弯曲强度的对比。从图5可看出,在搭接长度和缝合密度相同的情况下,编织角对缝合连接试件弯曲性能的影响很小。随着编织角的增大,相同缝合密度试件的弯曲强度并没有明显的变化。同时,所测试的连接试件都发生了分层断裂。这说明缝合在这些试件中起着重要的作用,试件的弯曲强度主要取决于缝合区域缝线的长度,而编织角对试件的弯曲强度几乎没什么影响。同样,在缝合密度和搭接长度相同的情况下,搭接长度为25、55mm的试件也表现出相同的变化规律。图6是搭接长度为70mm的不同编织角缝合连接三维编织复合材料试件弯曲强度的对比。从图6中可看出,对于缝合密度为中密度和高密度的试件,编织角为20°试件的弯曲强度比编织角为35°试件的弯曲强度大,而在缝合密度为低密度的试件中却相反。观察发现,缝合密度为中密度和高密度的试件发生的都是永久的弯曲变形,没有发生断裂。但在缝合密度为低密度的试件中,编织角为35°的试件也是发生塑性弯曲变形,编织角为20°的试件却发生了分层断裂,所以表现出与中、高密度缝合试件不同的规律。这说明当搭接长度增加到一定值时,织物的编织结构在试件的弯曲性能和弯曲破坏形式方面起到了主要作用。三维编织复合材料试件在弯曲载荷作用下,它的承力状态较为复杂,随着纤维编织角的增加,三维编织复合材料的纵向力学性能下降,而横向和厚度方向的力学性能提高。当编织角较小时,三维编织复合材料的纵向力学性能优良,而横向和承受剪切应力的能力较差。编织角增加时,纤维截面上所能承受的轴向正应力下降,而能承受的横向正应力和剪应力却增加。因此,造成了由于编织角的变化使得试件的弯曲性能和弯曲破坏形式发生了变化。这需要今后进一步进行深入分析。但从这一现象可看出,对于缝合连接三维编织复合材料试件,搭接长度不宜过长。缝合连接三维编织复合材料试片和其他连接形式试片弯曲性能的比较说明,缝合连接三维编织复合材料的弯曲性能比只搭接没有缝合的三维编织复合材料的弯曲性能要好,但不如三维整体编织复合材料试片的弯曲性能。如果三维整体编织满足不了复杂形状制件的编织要求,则缝合连接三维编织复合材料也是解决复杂形状制件整体成型的一个较好办法。5纺织角和模拟缝合密度的影响(1)在缝合密度和编织角相同情况下,各种缝合密度试件的弯曲强度随搭接长度增加而增大;(2)在编织角和搭接长度相同情况下,搭接长度25、40、55mm试件的弯曲强度随着缝合密度的增加而增大;编织角35°、搭接长度70mm试件的弯曲强度随缝合密度的增大而减小;编织角20°、搭接长度70mm试件的弯曲强度随缝合密度增加呈现先增大后减小的规律;(3)在缝合密度和搭接长度相同情况下,编织角对搭接长度25、40、55