李丹曦,高晓平

(内蒙古工业大学轻工与纺织学院，呼和浩特　010080)



四轴向经编复合材料力学性能实验研究

李丹曦,高晓平

(内蒙古工业大学轻工与纺织学院，呼和浩特010080)

以风机叶片用多轴向经编复合材料为研究对象，将四轴向的玻璃纤维多轴向布与环氧树脂经树脂膜溶渗成型方法实现成型。分别测试了四轴向经编复合材料沿不同方向的拉伸、弯曲性能，得到不同轴向材料断裂截面形状，通过比较弹性模量和强度分析了纤维排列对复合材料力学性能的影响。最终确定四轴向经编复合材料沿不同方向力学性能由高到低分别为0°方向、±45°方向、90°方向。这是由于经编纱沿90°方向造成的应力集中，同时，由于经编针的穿刺造成沿90°方向纱线受损最大而导致沿90°方向力学性能最差。

四轴向经编织物；复合材料；拉伸性能；弯曲性能；弹性模量

在现代复合材料研究中，将纤维作为增强体并与树脂基体相复合成复合材料始于大约50年前[1]。针织增强复合材料以针织物作为增强体并由线圈经相互串套形成，这种特殊的结构使它具备其他纺织材料没有的优点。早期为了解决复合材料中存在的各向异性问题，对纤维或者纱线随机的铺放在一起，当达到各向同性时，机械性能受到了一定的限制[2]，生产出来的复合材料抗分层性差且强力较弱[3]。20世纪80年代初期多轴向经编织物得到发展，90年代开始进入复合材料领域[4-5]。

与传统复合材料相比多轴向经编复合材料的拉伸性能有了比较大的提高[6]，同时，多轴向经编复合材料的编织工艺也有了较大的提升，它能将七层增强纤维层以及两层表面毡通过经编纱编织在一起，并且每层增强纱的角度可任意调节。这种编织工艺不但降低了成本，同时还避免了材料的浪费，更重要的是使复合材料的力学性能得到增强[7]。

在多轴向经编织物中，纱线间平行排列，内部产生的应力为零，当受到冲击时，多轴向经编织物所能承载的应力要比机织物大。多轴向经编织物的结构特征是[8-13]:可将多个单向层组合成整体结构，防止遗漏某层造成损失；由于增强纤维伸直, 使增强纱的性能在复合材料中充分发挥，表现出突出的机械性能；织物具有固有的悬垂性，并且尺寸稳定性好，可设计性强。

本文是在实验的基础上以四轴向经编复合材料为研究对象，对四轴向经编复合材料的拉伸性能和弯曲性能做了测试，研究了四轴向经编复合材料的损伤机制。

1　拉伸实验

1.1实验材料

本次拉伸试验参照纤维增强塑料试验方法总则(GB/T 1446—2005)、纤维增强塑料拉伸实验方法(GB/T 1447—2005)以及树脂浇注体拉伸性能试验方法(GB/T 2569)对试样进行加工和测试，实验仪器使用的是WDW-100J型微机控制电子万能试验机，对四轴向经编复合材料沿不同轴向的拉伸性能进行了测试。

增强体为四轴向经编多轴向布，实验原材料为玻璃纤维，实验中用到的玻璃纤维原料为无碱无捻粗纱，具有良好的机械性能，表面经硅烷偶联剂处理，有利于树脂和玻璃纤维的粘结，玻璃纤维力学性能参数如表1所示。

实验中用到的四轴向经编多轴向布增强纱参数、经编布参数如表2、表3所示。

试验中树脂基体选用的是环氧树脂，其中环氧树脂的拉伸性能参数如表4所示。

1.2四轴向经编复合材料拉伸图像及应力应变曲线比较分析

四轴向拉伸实验图像及不同轴向的应力应变曲线分别如图1和图2所示。

表1玻璃纤维性能参数

材料密度/(g/cm3)弹性模量/GPa断裂强度/GPa断裂伸长/%剪切模量/GPa泊松比υ玻璃纤维2.5672.23.432.728.570.24

表2四轴向经编布增强纱参数

多轴向布分类织物品种组织结构增强纱线细度/tex0°方向90°方向±45°方向四轴向布EQLT850(0/+45/90/-45)UP-1270E100°/+45°/90°/-45°600300300

表3四轴向经编布增强织物参数

织物品种织物厚度/mm平方米质量/(g/m2)分层克重/(g/m2)经密/(根/10cm)纬密/(根/10cm)斜密/(根/10cm)四轴向布0.78500°:23645°:20090°:201-45°:200252253

表4环氧树脂拉伸性能参数

测试项拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa拉伸断裂伸长率/%玻璃化温度/℃热变形温度/℃环氧树脂(2511-1A/BT)803.269095测试标准ASTMD638ASTMD638ASTMD638DSC测试ASTMD648

图1　四轴向样件拉伸后图像

观察四轴向样件拉伸后图1可知每个试样断裂位置都不同，在复合材料受拉过程中，纤维由于受到应力，导致断裂发生在横截面最薄弱的地方，但这个断裂截面与材料理论断裂面不一定重合。在进行拉伸实验中，随着载荷的增加，树脂开始出现裂纹，表面出现白斑，可以听到开裂的声音，说明拉伸破坏是一个累加的过程，材料局部的破坏并不能直接导致材料破坏，而是局部破坏导致增强材料和基体的重新分配，试样在这个过程中经历一个逐渐破坏的过程。

观察图2四轴向沿不同轴向应力应变曲线可以看出，四个拉伸应力-应变曲线在开始阶段都出现波动，这是由于试样往夹头内的安装、机器的后冲、滑动等因素引起的。但之后材料的应力应变曲线成线性，由图像可得应力由大到小分别为经向、纬向、斜向，而应变的大小相差不大，产生这种现象的原因是由于经向纱线的细度为600tex要大于纬向300tex和斜向300tex，虽然斜向密度大于经向，促使结果与经向拉伸强度接近，但经向应力仍为最大。

四轴向经编复合材料拉伸强度及拉伸弹性模量数据如表5所示。

图2　四轴向沿不同轴向拉伸应力-应变曲线

试样织物组织加载方向拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/GPa纤维体积含量/%比强度/MPa比模量/GPa四轴向经编复合材料经平0°367.2417.50251.5677.1220.28390°362.5537.24850.7877.1390.31045°325.7716.87450.5526.4440.267-45°302.8336.54350.5495.9910.253

2　弯曲实验

2.1实验材料

弯曲实验参照树脂浇注体性能试验方法(GB/T2567—1995、GB/T2570—2005)以及纤维增强塑料弯曲性能试验方法(GB/T1449—2005)，即弯曲实验采用三点加载简易支梁法进行。实验中用到的仪器为WDW-30型万能材料试验机上进行。试验材料与拉伸实验相同，其中环氧树脂的弯曲性能参数如表6所示。

表6环氧树脂弯曲性能参数

测试项弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa玻璃化温度/℃热变形温度/℃环氧树脂(2511-1A/BT)1353.39095测试标准ASTMD790ASTMD790DSC测试ASTMD648

实验采用无约束支撑，通过三点弯曲，实验示意如图3所示，以恒定速度加载直至达到试样破坏或达到预定挠度。在实验中可以得到载荷-挠度曲线以及整个过程的实验数据，进而可以确定材料的弯曲强度、弹性模量，并且可以绘制弯曲应力-应变曲线。加载速度为2mm/min，实验中的跨距选择为4cm，上压头的半径R=4mm。在实验中样件下表面受到拉伸，上表面则受到压缩。

P：载荷；l：跨距；L：试样长度；h：厚度图3　弯曲实验示意

2.2四轴向经编复合材料弯曲图像及弯曲应力挠度曲线比较分析

四轴向弯曲实验图像及不同轴向的弯曲应力-挠度曲线分别如图4和图5所示。

观察图4材料正面由于受到弯曲以及压缩作用，基体及纤维出现断裂，材料表面出现明显的白斑，材料反面出现破坏。

从图5弯曲应力-挠度曲线中可以看出，四种曲线总体趋势差不多，各条曲线均呈非线性。在弯曲过程中随着弯曲应力的增加，弯曲挠度也逐渐增加，当材料最终发生弯曲破坏后，弯曲应力迅速呈阶梯型下降。对比同一挠度，沿经向产生的弯曲应力最大，其次为斜向，纬向产生的弯曲应力最小，产生这种现象的原因是由纱线细度以及在编织过程中纱线的破坏程度造成的。在四轴向增强纱的铺设过程中，沿经向的纱线细度大于纬向以及斜向纱线细度，由于经编纱的作用，在整个四轴向布制备过程中经编针的穿刺而导致纬向纱线受损程度最大，因此沿纬向产生的弯曲应力最小。

其中四轴向经编复合材料沿不同轴向的弯曲试验数据如表7所示。

图4　四轴向试样弯曲后实验图像

图5　四轴向不同轴向弯曲应力-挠度曲线

试样织物组织加载方向弯曲断裂强力/N弯曲强度/MPa弯曲弹性模量/GPa纤维体积含量/%比强度/MPa比模量/GPa四轴向经编复合材料经平0°1406.363586.03114.05851.56711.3640.27390°1113.473488.25613.31150.7879.6140.26245°1285.588566.04412.68550.55211.1970.251-45°1093.51490.65812.42150.5499.7060.246

3　结　语

通过以上对四轴向经编复合材料力学性能的测试分析，总结如下：

复合材料力学性能的好坏受3个因素影响：a)复合材料中纤维体积含量和增强纱纱线细度；b)树脂基体的化学性能及力学性能；c)增强体与树脂基体的界面性。并且复合材料在拉伸断裂过程中是一个逐渐破坏的过程，增强纱在断裂过程中具有不同时性。

在弯曲试验时，复合材料的受压区由于受到了压缩的作用，因而在上压头周围的纤维出现屈曲，同时树脂基体在受压过程中承受了压应力，造成了界面脱粘，并且能看到有白斑形成；在复合材料的受拉区，复合材料的外层产生了较大的拉应力，使外层树脂出现开裂，在横向逐渐出现基体裂纹。由于受到压缩和拉伸作用而造成的复合材料的损伤，对强度有很大的影响，其中界面脱粘是造成复合材料强度下降的主要因素。

[1] 龙海如.纬编针织物增强复合材料研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2000(2):48-52.

[2] DANIEL I M, ISHAI O, DANIEL I M, et al. Engineering Mechanics of Composite Materials[M]. New York: Oxford University Press, 1994.

[3] CANTWELL W J, MORTON J.The impact resistance of composite materials[J].Composites,1991,22(5): 347-362.

[4] DU G W, KO F. Analysis of multiaxial warp-knit preforms for composite reinforcement[J]. Composites Science and Technology, 1996, 56(3): 253-260.

[5] KANG T J, KIM C. Energy-absorption mechanisms in Kevlar multiaxial warp-knit fabric composites under impact loading[J]. Composites Science and Technology, 2000, 60(5): 773-784.

[6] BIAO G A, HOGG P J, KEMP M. Mechanical characterisation of glass-and carbon-fibre-reinforced composites made with non-crimp fabrics[J]. Composites Science and Technology, 1997, 57(9): 1221-1241

[7] 陈南梁.多轴向经编织物复合材料[J].上海纺织科技,1999,3(12):10-12.

[8] HAMADA H, SUGIMOTO K, NAKAI A, et al. Mechanical properties of knitted fabric composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2000, 19(5): 364-376.

[9] LOMOV S V, BELOV E B, Bischoff T, et al. Carbon composites based on multiaxial multiply stitched preforms. Part 1. Geometry of the preform[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2002, 33(9): 1171-1183.

[10] KONG H, MOURITZ A P, PATION R. Tensile extension properties and deformation mechanisms of multiaxial non-crimp fabrics[J]. Composite Structures, 2004, 66(1): 249-259.

[11] 周荣星.多轴向经编增强复合材料低速冲击下能量吸收特性的研究[J].东华大学学报,2002，28(5):34-38.

[12] DEXTER H B, HASKO G H. Mechanical properties and damage tolerance of multiaxial warp-knit composites[J]. Composites Science and Technology, 1996, 56(3): 367-380.

[13] 张效博.多轴向经编针织物在风力发电叶片蒙皮中的应用[J].山东纺织科技,2010(3):54-56.

(责任编辑：陈和榜)

Experimental Study on Mechanical Properties of Four-Axial Warp Knitted Composites

LIDanxi,GAOXiaoping

(College of Textile and Light Industries, Inner Mongolia University, Huhehaote 010080, China)

This paper takes multi-axial warp knitted composites used for fan blades as the object of study. The four-axial glass fiber, multi-axial fabrics and epoxy resin film were dissolved by infiltration molding method to achieve molding. Tensile and bending properties of four-axial warp knitted composites along different directions were tested respectively, and fracture cross section shapes of different axial materials were gained. The effect of fiber arrangement on mechanical properties of composites was analyzed through comparing elastic modulus and strength. Finally, the ranking of mechanical properties of four-axial warp knitted composites along different directions was confirmed, i.e. 0°, ±45° and 90°. Since the warp knitted yarn causes stress concentration along 90° direction, and the puncture of warp knitted yarn results in the maximum damage to the yarn along 90° direction, mechanical properties along 90° direction is worst.

four-axial warp knitted fabrics; composites; tensile properties; bending properties; elastic modulus

2015-09-19

国家自然科学基金项目(1146-2016)

李丹曦(1988-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事多轴向经编复合材料力学性能测试方面的研究。

高晓平，E-mail:569250598@qq.com

O341

A

1009-265X(2016)05-0020-05