三维四向编织复合材料细观组织及分析模型

第3期8月

复　合　材　料　学　报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICA

Vol.16　　No.3August　　1999

三维四向编织复合材料细观组织及分析模型

庞宝君　　杜善义　　韩杰才

(哈尔滨工业大学航天工程与力学系,哈尔滨150001)

摘　要　以四向编织复合材料为对象,对所建立的单胞组织模型进行了细观组织的实验验证,所得结果与理论分析结果吻合较好。证实了所建模型的正确性,成为三维多向编织复合材料性能分析与材料优化设计的基础。

关键词　编织复合材料,分析模型,细观组织,实验中图分类号　TB330.1,TB33

　　三维编织物结构上所具有的优点,使三维编织复合材料结构与性能具有显著的优势,整体性显著地提高了强度和刚度,具有优良的抗损坏性及良好的力学性能和耐烧蚀性能[1]。三维编织复合材料已经在航天、航空等高科技行业得到了广泛的应用[2]。

　　编织复合材料具有显著的性能可设计性。组分材料的性能、制造工艺决定了复合材料的性能。同时,编织复合材料的材料单胞在力学上具有显著的结构特性,因此织物组织结构参数即编织参数也将影响编织复合材料的性能。为了进行材料的优化设计,需要掌握编织复合材料内细观组织特性,即材料单胞内纤维束与基体在空间上的几何分布规律。Chou等[3～4]将编织复合材料单胞看成由四个倾斜的单向复合材料层板组成,建立了倾斜板模型。吴德隆等[5]研究了五向编织复合材料的分析模型,土方、福多等[6～9]对三维多向编织复合材料的材料模型在几何上作了探讨。肖丽华与李嘉禄对三维编织工艺及编织复合材料进行了研究[10～11]。柴雅凌对三维编织预制件中纱线结构进行了拓扑学研究[12]。

　　本文以矩形截面的碳/环氧四向编织复合材料试件为对象,为验证所建模型的正确性,进行了材料内部显微组织的观察实验,实验结果与所建立的四向编织复合材料单胞几何模型的理论分析结果吻合较好。以三维四向编织复合材料为对象所建立的模型具有普遍意义,研究方法可以推广到三维多向编织复合材料,成为三维多向编织复合材料性能分析与材料优化设计的基础。

1　三维四向编织复合材料单胞结构分析

　　本文作者在文献[13]中曾针对采用四步法编织工艺的三维四向编织复合材料,从几何上建立了材料单胞的组织结构模型,深入讨论了单胞内纤维束在空间上的分布规律,并导出了编织参数间的关系。

　　一个典型的四步法编织物的单胞结构通常采用图1所示模型描述,长方体尺寸为a×b×

　　收修改稿、初稿日期:1999-03-03,1998-06-24136

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c,假设编织方向与z轴一致,显然对于[1×1]编织模式有a=b,在该单胞结构中,纤维束沿着长方体的四个对角线方向排列。将纤维束与编织方向所夹角度定义为编织角,则编织角󰀁与单胞尺寸间存在如下关系:　　　　　tan󰀁=

a2+b2c

图1　四向编织复合材料单胞模型　　　　　　　　　　图2　纤维束的方向及位置

Fig.1　Theunit-cellmodeloffour-directionalbraidedcomposites　　Fig.2　Thelocationandorientationoffiberrods

图3　四向编织复合材料单胞模型轴侧图Fig.3　Slantprojectionofunitcellof4-Dcomposites

图4　纤维束在z=const剖面上的排布

Fig.4　Arrangementoffiberrodsonthesectionwithz=constant第　3　期庞宝君,等:三维四向编织复合材料细观组织及分析模型137

　　图1仅能表现出单胞内纤维束的取向特性,未能表现出其位置特性。实际上,在复合材料的单胞结构中,纤维束的方向沿着长方体的对角线方向,而各方向纤维束相互错开排列,不会占有同一空间点。为充分描述单胞内纤维束的方向及位置,用19根纤维束来表现单胞结构中沿四个对角线方向取向纤维束,取其单胞如图2所示。图2既描述了纤维束的取向特性,又描述了其位置特性,即纤维束的方位特性得到了充分描述。图中只给出占纤维束体积分数主要部分的7根纤维束。

　　为更深入研究纤维束在单胞结构中的位置及方向,现假设:

　　(1)纤维束为圆截面,直径为d,与基体复合后,纤维束仍保持为圆柱状;

　　(2)纤维束之间没有间隙地紧密相切;　　(3)编织模式为[1×1]。

　　在以上假设下,复合材料单胞轴侧图如图3

图5　沿纤维束剖面图

Fig.5　Arrangementoffiberrodsonthe　　　sectioninwhichthefiberslie

所示。图4中(a)、(b)及(c)分别为该单胞在z=c、

′

图5为AA′由图3～图z=3c/4及z=c/2截面处纤维束分布图。CC剖面上纤维束的分布图。5可见,材料单胞内纤维束与基体在空间上的分布规律非常清晰。

图6　试件表面图照片(放大倍数×2)　　　　　　　　图7　横截面剖面图照片(放大倍数×80)Fig.6　Thesurfacephotographofthespecimen　　　Fig.7　Thecrosssectionphotographofthespecimen

2　四向编织复合材料的编织角与表面角间的关系

　　在编织复合材料的研制设计与材料质量检测过程中,需要由复合后材料的表面角确定其

材料内部的编织角。

　　编织物的内部编织角可以通过固化合成后纤维束在织物的表面迹线与编织方向所成角度即表面角求得。纤维束从编织物内部达到编织物表面后,改变方向再一次进入织物内部,纤维束在织物表面的轨迹与编织物的编织方向所形成的角度称作表面角。根据肖丽华及李嘉禄的研究结果[10][11],对于[1×1]编织形式,编织物内部编织角󰀁与纤维束表面角󰀂间存在如下关系:　　　　　　　　　　　　　　　tg󰀁=2tg󰀂138

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3　四向编织复合材料内部组织显微观察实验研究

　　为验证上述所建立的单胞几何模型的正确性,对四向编织复合材料的矩形截面板状试件的各剖面进行了显微组织观察实验研究。试件为天津纺织工学院研制的三维四向碳/环氧编织复合材料,基体材料为TDE-85环氧树脂,增强纤维为T300碳纤维,纤维束为12K,采用RTM(ResinTransferMoulding)树脂传递模塑工艺制成

[14]

#

图8　纤维束斜截面剖面图照片(放大倍数×2)Fig.8　Thestructurephotographoftheincline　　　　surfaceonwhichthefiberrodslay

。

　　图6为四向编织复合材料矩形试件的表面照片图,图7及图8分别为沿试件横截面及沿纤维束方向的剖面图照片。由图7可见,在与编织方向垂直的横截面上,纤维束的截迹呈椭圆状,与前述四向编织复合材料单胞几何模型横截面上纤维束的分布规律图4吻合较好。图8给出了通过某一方向纤维束直径所在的斜截面的剖面图照片,由该图可见,该方向纤维束的截迹呈直线状,其它方向的纤维束一般呈椭圆状,与单胞几何模型中斜截面剖面图图5所给出的结果一致。

　　对不同编织参数的编织复合材料试件的纤维束内部编织角与纤维束表面角的关系进行了

图9　编织角与表面角之间的关系Fig.9　Therelationbetweenbraiding

　　　angleandsurfaceangle

实验测量。图9给出了实验结果,由图可见,实验结果与理论分析式吻合较好。

4　结　　论

　　本文针对采用四步法编织工艺的四向编织复合材料进行了内部组织结构的实验观察。实验结果支持所建立的反映纤维束与基体在单胞内几何空间中分布规律的材料单胞几何模型。本研究为进一步对三维多向编织复合材料有效模量、材料本构关系预报进而进行材料优化设计提供了基础。

参　考　文　献

1　杨桂,丛莉珍,尚葆如,刘方龙.复合材料三维整体编织结构技术与特性.复合材料学报,1992,9(1):87～912　裘镜蓉.编织复合材料在宇航上的应用.宇航材料工艺,1991,4:36～41

3　ChouTW.Micro-structuralDesignofFiberComposite(LectureinTongjiUniversity).Shanghai,1991

4　YangJM,MaCL,ChouTW.Fiberinclinationmodelofthreedimensionaltextilestructuralcomposite.JComp

Mater,1989,23:890～911

5　吴德隆,郝兆平.五向编织结构复合材料的分析模型.宇航学报,1993,14(3):40～51

6　土方明躬,福多健二.三次元多轴复合材料󰀁组织.日本复合材料学会志,1992,4(6):231～2387　福多健二.三次元织物制织技术󰀁开发.强化󰀂 !∀#∃!,1986,32(4):160～165

8　福多健二,北野武.三次元织物󰀁组织%复合效果.日本纤维高分子材料研究所昭和60年度研究发表要旨集,1985,87

～98

9　福多健二.三次元织物&基材%∋(复合材料.强化󰀂 !∀#∃!,1980,26(11):473～481第　3　期庞宝君,等:三维四向编织复合材料细观组织及分析模型

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10　肖丽华,李嘉禄.三维编织工艺数字模型与质量控制.宇航材料工艺,1995,4:33～3511　肖丽华,李嘉禄.三维编织结构复合材料的编织设计.宇航材料工艺,1994,2:22～2512　柴雅凌.矩形和圆形三维编织预制件中纱线的拓朴学结构.纤维复合材料,1996,1:23～3013　庞宝君,杜善义,王铎.三维多向编织复合材料分析模型.哈尔滨工业大学学报,1996,28(6):1～6

14　庞宝君.三维多向编织复合材料力学性能预报与优化设计研究[博士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1997

MESO-STRUCTUREANDMODELINGOFTHREE-DIMENSIONAL

MULTI-DIRECTIONALCOMPOSITES

(Dept.ofAstronauticsandMechanics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)

PangBaojun　　DuShanyi　　HanJiecai

Abstract　　Sincethree-dimensionmulti-directionalbraidedcompositeshavemanyadvan-tageswhichcannotbesubstituted,itiscalledreinforced-fibercompositesofthethirdgener-ation.Inthispaper,theunitcellmodelisestablishedandverifiedforfour-directionalbraid-edcomposites.Theexperimentaldataagreeverywellwiththeresultspredictedbythetheo-reticalanalysis.Theeffectivenessofthepresentmodelbecomesthebasisofpropertiesanaly-sisandoptimumdesignofthree-dimensionalbraidedcomposites.Key

words　　braided

composites,

analysis

model,

meso-structureexperiment

(上接第123页)

图11　RTM成型的成本[16]　　　　　　　　　　　　　　　　图12　二维编织[17]

　　最近,以纺织技术制造FRTP丝束预浸料或混纺纱(增强纤维与热塑性树脂纤维的混纺纱)的预形件之后,也在研究其模压成型技术。

　　由纺织预形件成型的复合材料强度上的优点可以举出提高耐冲击之类的事实。但是,由于纺织预形件中纤维复杂地相互缠结,强度和刚度因纤维弯、扭而下降的可能性较大。在使纤维三维取向的方式下(三维编织和三维织物),与以往的层铺材料相比,纤维方向增加。因此,与以往的层铺材料相比,可以认为面内强度和刚度要降低。这样一来就可以考虑:不可能期待纺织复合材料有高强度,最终还是应抓低成本技术这一关键。

　　目前,用纺织预形件成型的复合材料,强度、刚度数据尚少,尚不能充分把握其力学特性。为适用于飞机结构,力学特性的研究是非常必要的。了解最近SAMPE(SocietyforAdvance-mentofMaterialandProcessEngineering)展示会的内容和研究发表动向,知道有关纺织技术的研究发表在减少,可以认为似乎对纺织技术的热度有所降温。　　　　　　(泷　敏美)

(未完,下期续)

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