孙 绯，陈 利，孙 颖，张倩倩，张典堂，黄 健

(1.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；2.襄阳市科技馆，襄阳 441003)



z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响①

孙 绯1，陈 利1，孙 颖1，张倩倩1，张典堂1，黄 健2

(1.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；2.襄阳市科技馆，襄阳 441003)

采用置换法增强体成形工艺和树脂传递模塑(RTM)固化工艺制备炭纤维三维正交复合材料。对比研究了不同z向纱体积含量的三维正交复合材料的细观结构、层间剪切性能和破坏形貌。结果表明，基于置换法成形工艺制备的三维正交预制体其3个方向的纱线具有优异的伸直性；z向纱的体积含量在1%～5%时，对材料的层间剪切强度及模量的增强作用明显；同时，随着固化成型压力的增加，材料的层间剪切强度呈上升趋势，但当压力增大到一定程度，纤维屈曲现象明显，从而降低层间剪切强度的增加幅度；在层间剪切载荷的作用下，材料的主要破坏模式包括纤维的断裂、抽拔以及z向纱与树脂的脱粘，但相应增加z向纱的细度，使z向纱与基体之间的孔隙尺寸减小，可防止材料分层现象的产生。

三维正交复合材料；细观结构；层间剪切强度

0 引言

三维纺织结构相具有整体的空间网状交织结构，以其为增强体的复合材料具有较高的抗冲击损伤容限、出众的面内性能和灵活的可设计性，从而替代层合复合材料，成为航空航天领域的理想候选材料。采用不同的纺织技术制造的三维纺织复合材料已广泛用于各种复合材料结构件中，如采用三维机织技术制造的星际飞船的机翼接头和火箭鼻锥，采用缝合连接技术制造的三维复合材料机翼增强板和加强筋以及采用z-pin增强技术制造的三维增强复合材料机械连接件。三维正交结构作为一种典型的三维纺织结构增强相，由3组呈正交取向的纱线系统相互交叉排列形成，其中贯穿厚度方向的纱线统称为z向纱。研究表明，相比于层合复合材料，z向纱的引入，可在很大程度上提高复合材料的损伤容限[1]，材料的分层韧性增加了近10倍，层间断裂韧性提高了25%[2]。由此可见，z向纱对三维正交复合材料的性能起着至关重要的作用，但同时z向纱在引入过程中会造成材料内部的微结构缺陷，从而导致面内性能和厚度方向性能的下降。因此，优化z向纱的引入方式及结构参数，可有效地提高三维正交复合材料的力学性能。

国内外很多学者在z向纱的引入方式和结构参数对材料力学性能的影响方面进行了实验研究。Lee[3]研究发现，纱线的拉伸强度在机织阶段结束后减少了30%。Leong[4]指出z向纱的正弦曲线状捆绑路径和准矩形路径相比，会显著地降低材料的拉伸强度和失效应变。Rudov-Clark[5]发现z向捆绑纱体积含量的增加，会引起三维正交复合材料的疲劳寿命和剩余疲劳强度下降。而Billaut[6]总结归纳出三维正交复合材料中z向纱体积含量为1%～4%为宜。郭兴峰[7-8]指出，z向纱的体积含量只决定于经纬纱密度和z向纱的细度，与经纬纱细度无关。王国军[9]进一步的研究结果表明，z向捆绑纱线密度的增加会导致材料厚度方向压缩性能的下降。针对以上原因，设计改进传统的纺织技术，通过调整z向纱的捆绑路径和体积含量的变化，研究其对面内性能和厚度方向性能的影响，是三维正交复合材料在大规模应用前景中所面临的重要课题。

本文设计并改进了置换法增强体成形工艺设备，采用树脂传递模塑(RTM)固化工艺制备了碳/环氧树脂三维正交复合材料。对不同z向纱的线密度和捆绑浮长及复合成型压力制备的三维正交复合材料进行了层间剪切实验研究。利用扫描电镜对试样细观结构和断裂损伤形貌进行了观测，探讨了z向纱体积含量和成型压力对三维正交复合材料层间剪切性能的影响，进而分析其断裂损伤形貌，为三维正交复合材料的结构选择、设计和应用等提供一定的理论依据。

1 试样制备

增强材料采用日本东丽公司(Toray)生产的T300-6K和T700-12K炭纤维。基体材料为ET86环氧树脂，密度为1.26 g/cm3。

1.1 置换法增强体的制备

本实验所需三维正交预制体均在天津工业大学复合材料研究所自行改进的置换法织造设备上完成。图1所示为置换法制备三维正交矩形织物的工艺简图。其工作原理：(1)在方形定位板上按设计的经纬纱间距将空心钢管排列成矩形阵列；(2)引导x方向纱线在空心钢管阵列间横向穿过，形成一组纱线铺层；(3)引导y方向纱线在空心钢管阵列间纵向穿过，形成与前一组纱线垂直的纱线铺层；(4)x、y方向纱线交错反复进行，当达到规定的织物厚度后，用一组z向纱线将空心钢管阵列置换，形成图2所示的三维正交矩形织物，试样的具体结构参数如表1所示。

(a)置换法步骤(1)

(c)置换法步骤(4)

图2 三维正交织物示意图Fig.2 Surface photographs of reinforcements

1.2 复合固化

复合材料成型采用树脂传递模塑法(RTM)固化成型。固化温度为80 ℃，复合成型压力分别选取0.02、0.08、0.15 MPa。

表1 试样结构参数Table 1 Geometric data of the reinforcement

2 实验

2.1 细观结构观察

5组试样分别经打磨抛光后，在LEICA DMI3000M光学显微镜下，分别观察其3个不同截面的纱线形态。

2.2 层间剪切性能

试样的层间剪切实验参照标准BSEN ISO14130—1998进行，在日本岛津(SHIMADZU)万能材料实验机上进行，加载速度为1 mm/min，最大载荷为20 kN，上压头直径为5 mm，跨厚比为5，跨距L=5h(h为试件厚度)。试样层间剪切强度公式如下：

(1)

式中F为最大破坏载荷，N；B为试样宽度，mm；I为试样厚度，mm。

同时，采用扫描电镜观察试样的断口形貌。

3 结果与分析

3.1 细观结构

图3为5组试样在x、y、z3个方向的截面示意图。表2为试样横截面的结构参数，主要包括z向纱的偏移角α，z向纱捆绑路径表层椭圆弧的长半轴a和短半轴b，z向纱的体积含量Vz和增强体的总体积含量Vf。

表2 试样截面结构参数Table 2 Geometric data of the specimens

由图3可见：

(1)在成型压力一致的情况下(试样S-1、S-2、S-3)，增加z向纱的线密度，x向纱依然保持良好的伸直情况，但各层y向纱出现了不同程度的屈曲，屈曲程度从内层至表层逐渐加重，这是由于同等成型压力下，z向纱线密度增加导致在与y向纱交织时对其产生的较大作用力引起的，同时，y向纱的屈曲也造成x向纱准矩形截面出现了偏差。加大z向纱的捆绑浮长，没有造成其他系统纱线的屈曲，但树脂含量高，尤其在z向纱与表层y向纱交织点处，有较大的富树脂区。

图3 试样横截面示意图Fig.3 SEM images of cross-sections of specimens

(2)在增强体结构参数一致的情况下(试样S-1、S-4、S-5)，增加材料的成型压力，z向纱在织物内部的出现不同程度的倾斜，压力越大，倾斜角越大，当复合成型压力达到0.08 MPa时，试样中x、y向纱出现比较严重的屈曲，尤其是y向纱；继续增大压力至0.15 MPa，试样中x、y向纱反而又回归到良好的伸直状态。

3.2 层间剪切性能及破坏形貌

三维正交复合材料的力学性能与其组分材料的性能和细观结构密切相关。其中，环氧树脂基体在加载过程中起着承载和传递载荷的作用，而所采用制备预制体的z向纱的线密度、z向纱体积含量和编织结构等对三维正交复合材料的力学性能影响明显。图4给出了S-1、S-2、S-3试样的层间剪切强度和模量。从图4可看出，试样S-2的剪切强度最大，较试样S-3提高6.29%，较试样S-1提高4.73%，由于3组试样的复合成型压力相同，材料的剪切强度及其断裂行为取决于z向纱的线密度和体积含量。

图4 层间剪切性能测试结果Fig.4 Experimental results of different z-binder volume fractions

图5为3组材料的应力应变曲线。由图5可看出，3组曲线的趋势基本相同，3组曲线的初始阶段均呈现线性增加，且刚度一致，S-3最先屈服，而S-2表现出最大的面内刚度。这主要是由于试样S-2的z向纱细度的增加，整个织物表面较其他2组致密，z向纱的体积含量达到11.2%，基体在纤维束内和束间的填充十分紧密(图6(b))，z向加载时，载荷在2种组分材料之间较好的传递。层间剪切破坏后，纤维束断口仍然排列整齐、光滑(图6(b))。然而，试样S-1的z向纱的体积含量较试样S-2降低了50%，但剪切强度却没有大幅降低，说明提高z向纱的体积含量并不会对剪切强度有大幅的促进作用。但试样S-1的z向纱细度的减小，使得z向纤维束与基体之间的孔隙尺寸加大，削弱了z向纱的增强作用，材料在剪切力的作用下出现了分层现象(图6(a))。试样S-3的捆绑浮长增加，体积含量相对于S-1降低了49%、S-2降低了74%，但剪切强度并没有大幅的降低，这一结果与Mouritz、Billaut等[1,6]得出的结论并不矛盾，即z向纱的体积含量在1%～5%时，足以在很大程度上提高复合材料的损伤阻抗，防止分层，达到较大的强度，之后继续增大z向纱的纤维体积含量意义并不明显。但树脂基体在材料中所占的体积含量提高，使得试样S-3的断口表面出现较大裂纹(图6(c))。

图5 不同体积含量试样的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of different z-binder volume fractions

图7为3组试样S-1、S-4和S-5的层间剪切强度和模量的对比数据。从图7可看出，增加复合成型压力，试样的剪切强度也呈上升趋势，虽然较高的复合成型压力造成z向纱在织物内部的倾斜，使x、y向纱出现不同程度的屈曲，但高压下试样内部的孔隙率减小，纱线层间区域变小，出现纤维搭桥现象，材料的剪切强度还是随压力的增大呈现出一定程度的增大，表明压力对试样的面内刚度有一定的积极影响。

图8为3组试样的应力-应变曲线。从图8可看出，试样S-4最先屈服，因为材料内部较高的纱线屈曲影响了其承载能力，但经过一段时间的屈服，载荷得到重新分配，试样S-4表现出的剪切强度还是高于试样S-1；试样S-5在受力发生破坏后，出现了一段持续时间相当长的、波动比较平缓的平台，载荷维持在一个相对稳定的状态，没有发生灾难性的断裂，表现出很好的断裂韧性。

(a)S-1

(b)S-2

(c)S-3

图7 层间剪切性能测试结果Fig.7 Experimental results of different consolidation pressures

层间剪切破坏后，试样S-4和S-5中纤维的抽拔量明显减少，试样S-4出现了较严重的分层现象(图9(a))，而且随压力增大，试样裂纹不再局限于层间，一些层间裂纹进入了层内(图9(b))。这是由于纱线层间的纤维搭桥现象，干涉了树脂基体的断裂机制，增加了材料的层间剪切强度。

图8 不同成型压力的试样应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of different z-binder consolidation pressures

(a)S-4

(b)S-5

4 结论

(1)设计和改进了置换法增强体成形工艺和设备，使用该方法可有效减小z向纱在引入过程中产生的磨损和断裂。制备的三维正交预制体，其3个系统的纱线具有优异的伸直性。

(2)z向纱的纤维体积含量和复合成型压力对三维正交复合材料的层间剪切强度和模量具有显著影响。结果表明，z向纱的纤维体积含量在1%～5%时，材料的层间剪切强度明显提高，而提高复合成型压力，材料的层间剪切强度也出现上升趋势，但在高压下(0.15 MPa)产生的纤维屈曲现象，则会降低材料层间剪切强度的增加幅度。

(3)三维正交复合材料的破坏方式主要表现为纤维的抽拔、断裂及z向纱与树脂的脱粘。同时，增加z向纱的线密度，可减小z向纱与基体之间的孔隙尺寸，降低材料的分层现象。增大复合成型压力，造成试样内部的孔隙率减小，纱线层间区域变小，出现纤维搭桥现象，促进了裂纹的产生和扩展。

[1] Mouritz A.Tensile fatigue properties of 3D composites with through-thickness reinforcement[J].Composites Science and Technology,2008,68:2503-2510.

[2] Guénon V A,Chou T W,Gillespie Jr J W.Toughness properties of a three-dimensional carbon-epoxy composite[J].Journal of Materials Science,1989,24:4168-4175.

[3] Lee L,Rudov-Clark S,Mouritz A P,et al.Effect of weaving damage on the tensile properties of three-dimensional woven composites[J].Composite Structures,2002,57:405-413.

[4] Leong K,Lee B,Herszberg I,et al.The effect of binder path on the tensile properties and failure of multilayer woven CFRP composites[J].Composites Science and Technology,2000,60:149-156.

[5] Rudov-Clark S,Mouritz A.Tensile fatigue properties of a 3D orthogonal woven composite[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2008,39:1018-1024.

[6] Billuat F,Roussel O.Impact resistance of 3D graphite/epoxy composites[C]//Proceedings of the 10th International Conference on Composite Materials.Poursrtip A,Street K:Woodhead Publishing Ltd;1995:551-558.

[7] 郭兴峰,黄故,王瑞.三维正交机织物结构的几何模型[J].复合材料学报,2005,22:183-187.

[8] 郭兴峰.三维正交机织物结构的研究[D].天津工业大学,2003.

[9] 王国军,孙颖,时彬彬.三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究[J].材料工程,2009,S2:332-335.

(编辑：刘红利)

Effects of thez-binder on interlaminar shearing properties of 3D orthogonal composites

SUN Fei1，CHEN Li1，SUN Ying1，ZHANG Qian-qian1，ZHANG Dian-tang1，HUANG Jian2

(1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University；Tianjin 300387，China；2.Xiangyang Science and Technology Museum，Xiangyang 441003，China)

Three-dimensional orthogonal composites were fabricated by a modified method and consolidated through the resin transfer molding(RTM) processing. The microstructure characteristic,interlaminar shearing properties and breakage configurations of three-dimensional orthogonal composites with differentz-binder fractions were comparatively studied. The results indicate that yarns show excellent straightness based on the modified method. Thez-binder fractions of 1%～5% are usually sufficient to greatly enhance the interlaminar strength and modulus. With the consolidation pressure increasing,the interlaminar strength is improved. However the growth rate of interlaminar shearing strength and modulus are decreased due to the distortion of yarns. Additionally,the predominant failure modes of composites under loading are identified to be fiber breakage,fiber pulling out and the separation betweenz-binder and resin. Furthermore,the pore size betweenz-binders and matrix is decreased with increasing thez-binder size to prevent delamination.

3D orthogonal composite;microstructure characteristic;interlaminar shearing property

2014-03-14；

：2014-05-26。

国家自然基金青年项目(11102133)；国家质量监督检验检疫总局项目(201210260)。

孙绯(1984—)，女，博士，主要从事纺织复合材料的制备及力学性能研究。E-mail:sunxiaofei0212@163.com

孙颖(1974—)，女，教授，研究方向为三维纺织结构材料设计开发及其复合材料力学性能研究。E-mail:sunying@tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)01-0111-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.022