三维缝合复合材料性能研究.pdf
《三维缝合复合材料性能研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三维缝合复合材料性能研究.pdf(3页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、l ! ! ! :堑: 型! 兰! 旦 三维缝合复合材料性能研究 焦亚男李晓久董孚允 ( 天津工业大学,天津,3 0 0 1 6 0 ) 搐要:介绍三维麓合复合材料的制造方法及工艺参数对性能的影响,研究层间断裂韧性和冲击损伤容限。 美t 词:三维缝合复合材料层间断裂韧性冲击损伤容限 中圈法分类号:T s1 0 66 A 传统复合材料层合结构,层间断裂韧性较差。 改善增强结构是提高复合材料抗破坏的有效途径。 用机织、编织、针织、织造成有穿过厚度方向增强的 三维整体结构,近些年已得到发展【l j 。然而,由于 成型和加工的复杂性,费用昂贵,因此使用范围仅限 于受三向应力控制的某些特殊构件。 二维织
2、物穿过厚度缝合,只增加了一个生产工 序,即可制成三维缝合复合材料,它有如下优点:1 ) 三维缝合结构,仍属层合板。对制造二维织物的传 统材料体系和工艺,无需大范围的修改,即可制造出 成本较低的三维缝合结构。缝合可用织物预形件, 亦可是预浸料单向带。但后者由于高粘度树脂没有 固化,缝合时常引起面内纤维的损伤。2 ) 从制造观 点看,织物剪裁和缝合都能自动化和连续操作。在 结构上,可制成具有高层间强度和损伤容限的准各 向同性材料。成型过程中,层合板每层的取向和层 数都可改变,所以它是一种通用性的成型技术。3 ) 缝合改善了层间断裂韧性,对抑制分层扩展有显著 作用。因此,有初始损伤构件承受载荷后可推
3、迟破 坏。4 ) 传统复合材料层合结构对低速冲击引起的损 伤很敏感。缝合提高了冲击损伤容限。 缝合预浸料单向带引起面内纤维损伤,使弯曲 强度降低,缝合使原来纤维的排列受到影响,局部地 方形成树脂块,这样与类似的二维复合材料相比,面 内纤维体积含量有所降低;缝合过程中二维织物中 纤维出现错位,复合材料中出现不连续点,引起局部 应力集中。 虽然三维缝合复合材料存在上述不足之处,但 全面衡量,它仍是有突出优点和较大使用价值。因 此,早在2 0 世纪7 0 年代后期已开始研究,8 0 年代 中期探讨了碳环氧层合板缝合后改善脱层和提高 拉伸强度的问题【2J ,并形成了三维缝合复合材料。 近年来已在飞机翼
4、板,汽车挡板、支撑板和一些简单 承载构件上使用”J 。 l 影响三维缝合复合材料性能的参数 三维缝合复合材料可用织物预形件或预浸料单 向带缝合。预形件缝合后,经R T M ( 树脂传递模塑) 浸渍树脂,而后固化。而缝合预浸料单向带只需固 化这一步。 田1 缝合型式 完成连续的缝合 需要有一个适用的缝 机,选择缝合型式、缝 针和缝线。缝机要有 较长的缝针冲程,机 头与送线装置之间必 须有较大的空隙,以 便缝合不同厚度的材 料。 缝合线迹有两种 基本型式。图1 a 是 用于服装工业的锁式 缝合,在面纱与底纱 之间形成两个缝合线圈,在织物中间相交,产生应力 集中点。图1 b 是改进的锁式缝合,因为穿
5、过织物厚 度,提高了分层韧性和损伤容限,在三维缝合复合材 料中使用较多。另一种是链式缝合如图1 c ,这类似 于针织,缝合线多次挠曲,且操作复杂,使用尚少。 此外,缝合工艺参数对复合材料的性能亦有显 著影响。 1 1 缝线的材料 缝线穿过针眼,缝合中经受弯曲,所以要有可延 伸性和耐磨损。再者其性能不受复合材料固化工艺 的影响。目前常用的是高拉伸强度的碳纤维线, k e v l a r 线和玻璃纤维线。 1 2 缝线的股数 纱线加捻成缝合线,使其成为圆形截面和更紧 密地结合。这样易于穿过针眼和有良好的耐磨损 性。但纱线加捻绞合在一起后,拉伸强度降低。如 碳纤维拉伸强度为3 5 0 0 M P a
6、 ,而加捻后强度为 1 5 4 0 M P a ,降低了5 5 【4 o 1 3 缝线的直径 直径增大,提高了缝合复合材料的层间断裂韧 性,但引起更多的面内纤维损伤,使缝线拉伸强度和 柔性降低。 1 4 缝合密度 它是单位面积缝合的针数,用s t c m 2 表示。密 度增大,复合材料的分层面积减小。冲击试验表明, 缝合密度增加4 倍,分层面积减少4 0 _ 5 一 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第二十三卷第二期 9 7 【1 7 】 (
7、 0H ) 圈2 缝合式样 1 5 缝合式样 经研究看到:“,缝合式样 不是关键问题。但从一种式样 到另一种式样,分层面积的形 状有显著变化。常见的式样有 四种。图2 a 是水平缝合,图 2 b 是斜向缝合,图2 c ,图2 d 分 别为交错缝合与交义缝合。无 论那种式样,都要求尽量靠近 织物的自由边缝合。 2 三维缝合复合材料层间断裂韧性 缝合复合材料的分层( 或称裂纹) 扩展要消耗能 量,使原来材料体系的能量下降。一般用能量释放 率( G ) 表示。分层失稳扩展( 或称持续扩展) 形成断 裂时,记为G I R ( 或G R ) ,它代表材料抵抗失稳扩 展的能力,又称断裂韧性。 在外力作用下
8、,缝合复合材料分层扩展方式研 究较多的为张开型( I 型) ,亦称拉伸型;其次为滑开 型( 型) ,也称面内剪切型。 2 1 缝合对I 型分层断裂韧性的影响 由1 4 层碳纤维单向机织物,用改进锁式缝合,由 不同缝线材料和缝合参数,制成中面边上有初始切 口的双悬臂梁试件( D c B ) ,进行拉伸试验,如图3 。 试验结果与不缝合的同样试件结果对比列于表 1 7 I 。 缝合在厚度方向有了增强纤维。用扫描电子显 微镜观察分层扩展过程看到:缝线基体界面脱胶 后,缝线开始弹性伸长,在分层前端形成纤维桥,产 生了抵抗分层的闭合力,直到最后缝线破坏、拔出。 所以I 型分层断裂韧性明显提高。从表1 看
9、到较不 缝合试件改善4 6 1 4 6 倍。 利用细观力学研究I 型分层断裂的机理- 8o 在 分层闭合力的表达式中包括了缝线的摩擦滑移项, 豆 圈3D c B 拉伸试验图 却为初始切口;a 为分层扩展量;t 是分层尖端到试件墙部的距离;a ( t ) 为张开位移;2 H 为试件厚度,P 为载荷。 桥区纤维的伸长项和缝线在分层平面内破坏的预测 项。通过应力强度因子k m ( a ) 表示为 G IR ( 加) = K jR ( 血) F o 式中:E 0 是正交各向异性模量。图4 和图5 给出理论 分析与试验结果( 图中,为试验值,一为理论值) 围4 G I K 随缝合密度变化 可以看到G l
10、 R 随 缝合密度和缝线直径的 增加而增大。这是因为 高的缝合密度和大的缝 线直径使纤维桥区的闭 合力增大。 圈5G IR 随缝线直径变化 ,nP t 圈6E N F 弯曲试验图 2 2 缝合对型分层断裂韧性的影响 型分层断裂韧性试验所用的试件材料、缝合 型式、缝合参数均与I 型相同。只是在试件中面端 部切口后,进行弯曲试验( E N F ) ,如图6 所示,试验 结果f 9 1 列于表2 。 缝合与不缝合相比,G R 改善系数为2 3 3 3 ,亦出于纤维桥区产生闭合力的结果。从图7 ( 图中d 表示脱胶,s 为伸长,f 表示破坏) 看到梁中 面在面内剪应力作用下,缝线基体界面脱胶,缝线 伸
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 三维 缝合 复合材料 性能 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3700804.html