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三维编织复合材料拉压性能的实验研究

发布日期:2017-05-05 17:12    浏览次数:次

摘要:本文通过对三维编织T300/QY9512复合材料纵向和横向的拉伸和压缩试验,研究了三维编织复合材料的刚度和强度特性.通过试验发现纵向拉压以及横向拉压应力应变曲线几乎为直线,具有脆性破坏的特点;三维编织T300/QY9512复合材料纵向拉压强度与横向拉压强度均不同,这主要是因为其破坏模式不同的缘故;另外,声发射数据表明了纵向拉伸试验中试件损伤的发展和破坏与声发射的敲击计数和能量相关.
关键词:三维编织复合材料;力学性能;实验研究;声发射
1 引言
传统的层合板沿厚度方向的性能很差,具有易分层、抗冲击性能差、损伤容限低的缺点.三维编织复合材料由于引入沿厚度方向或近似沿厚度方向的纤维,使得沿厚度方向的性能提高
很多.因此,美国宇航局制定了ACT计划来发展先进复合材料,使编织复合材料能在大型民航客机中得到更广泛的应用.随着编织复合材料在航天、航空等领域越来越广泛的应用,对于编织复合材料力学性能的研究也越来越多,这些主要集中对编织复合材料弹性性能的研究[1-5].对于三维编织复合材料的强度和失效研究在实验研究方面:Ifju[6]利用波纹干涉法研究了编织复合材料的力学性能,并实测了二维和三维编织复合材料的剪切特性;Avva等[7]列举了三维编织复合材料的试验过程、试验数据以及压缩试验结果;庞宝君等[8]在三维编织碳/环氧复合材料实验中使用了云纹片研究了试件的宏观应变场.本文通过对三维四向编织T300/QY9512在纵向和横向两个方向上分别进行拉伸和压缩试验,确定了这种材料的刚度、
强度特性以及试件的失效形式.在纵向拉伸试验中,还应用了声发射技术获得试验过程中各种
声发射数据,通过分析得到了声发射的各种信号与试件损伤发展以及破坏的关系,确定了三维
编织T300/QY9512损伤发展变化的规律.
2 三维编织复合材料的拉压试验
2.1 试件
试件材料为三维编织T300/QY9512复合材料,纤维体积含量59%,试件形式如图1所示.复合材料的基体是QY9512双马来酰亚胺树脂,增强物为三维四步法编织的T300 3K碳纤维束,采用了RFI成型工艺.其组分材料的性能如下:纤维束的性能:E1=221GPa,E2=13.8GPa,G12=9.0GPa,G23=4.8GPa,ν12=0.2,ν23=0.25;双马来酰亚胺树脂的性能:E=3.4 GPa,ν=0.34.

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2.2 试验[mem]
纵向拉伸和压缩试验在Instron 1196试验机上进行,横向拉伸和压缩试验在Instron 8871电液伺服疲劳试验机上进行,加载速度均为0.5mm/min.如图1中所示,纵向是指在作用力平面内作用力方向与编织纤维方向成锐角的方向,横向是指在作用力平面内作用力方向与编织纤维方向成钝角的方向.为了监视在纵向拉伸试验中试件损伤的变化,在纵向拉伸试验中应用了PAC公司的MISTRAS-2001型声发射仪得到各种信号随时间的变化规律.
3 试验结果及分析
3.1 三维编织复合材料的刚度特性
由图2可以看到, T300/QY9512三维编织复合材料在纵向拉伸应力应变曲线几乎为一直线,具有明显的线弹性特征.其纵向和横向拉伸、压缩模量与泊松比的试验值见表1.显然,
无论是纵向还是横向,拉伸、压缩模量以及泊松比有很好的一致性,相差不超过5%.
3.2 三维编织复合材料的破坏特性
由实验得到的纵向和横向的强度数据和破坏模式见表2所示.由实验值可知:三维编织T300/QY9512的纵向拉压强度不同,纵向拉伸强度明显高于纵向压缩强度;横向拉伸强度远
远低于横向压缩强度.

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图3为纵向拉伸试件破坏后的断口照片,断口基本上为平断口,纤维束明显都被拉断;图4为纵向压缩破坏断口的照片,破坏面能看到纤维的表面以及被破坏的纤维断面,破坏面与试件的表面成一定的夹角,为剪切破坏形式.图5为横向拉伸试件破坏后的断口照片,很明显破坏为纤维束和基体之间脱开,为界面破坏;图6为横向压缩试件压缩破坏断口照片,同纵向压缩的破坏形式相同,为剪切型破坏形式.图4和图6中的所标角度为编织物在所在面上的面编织角.

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从试件破坏的典型照片可以看到,纵向拉伸和压缩强度不同主要是因为三维编织
T300/QY9512复合材料纵向拉伸和压缩的破坏机理不同:纵向拉伸强度主要由纤维束的拉伸强度决定,而纵向压缩强度主要是由纤维束和基体之间的界面性能以及纤维束的压剪组合破
坏情况所决定,这从图中可以看到.横向拉伸强度远远低于横向压缩强度也是由于破坏模式的
不同,横向拉伸强度主要由纤维束和基体的界面正应力破坏决定,而横向压缩强度主要是由纤
维束和基体的剪应力破坏决定.

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3.3 纵向拉伸试验的损伤分析
图7所示为纵向拉伸试验所得到的声发射曲线.第一幅为载荷随时间的变化,可以看到,
载荷随时间基本上为直线增加,与图2的情况一样.第二幅为声发射敲击计数随时间的变化,
与声发射能量值对应,可以分为三部分:第一部分的计数与夹具与加强片之间摩擦产生的声发
射有关,主要表现在开始加载时,加载一段时间后,计数降到最小值;第二部分随损伤的发展,
计数迅速增加;最后,试件破坏时,计数达到最大值,持续时间短.第三幅为声发射能量随时间
的变化的曲线,整个过程也可分为三部分:在加载的前面一段时间内,能量值为零,无损伤发
生;当载荷值达到破坏载荷的75%左右才有声发射能量产生,持续时间比较短,能量值也比较
大;当载荷达到破坏载荷时,声发射能量达到最大值,持续时间短.[/mem]
可以推测,在实验过程中当载荷达到一定值时,开始有基体或界面发生破坏,相应的有声
发射能量产生,但基体损伤和界面微裂纹产生的声发射能量较低.这类损伤对试件整体刚度
影响不大,因此载荷—时间曲线仍保持近似直线.随着载荷的增加,纤维束达到其承载极限,
于是试件发生破坏,此时的声发射能量达到最大,声发射敲击计数也达到最大值.由此表明,声
发射的敲击计数和能量可以用来监测三维编织复合材料的损伤发展和破坏过程.

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4 结论
由实验可以得到以下的结论:
①三维编织T300/QY9512复合材料的纵向拉压以及横向拉压应力—应变曲线均为直线,其破坏可认为是脆性破坏;
②纵向拉伸强度明显高于纵向压缩强度,主要是因为纵向拉伸强度主要由纤维束的拉伸强度决定,而纵向压缩强度主要是由纤维束和基体的界面以及纤维束的特性所决定;横向拉伸强度远远低于横向压缩强度,这主要是因为横向拉伸强度主要由纤维束和基体的界面正应力破坏决定,而横向压缩强度主要是由纤维束和基体的界面剪应力破坏所决定;
③声发射数据表明声发射能量和敲击计数能反映试件的损伤发展和破坏过程.数据表明纵向拉伸试验中试件的破坏为突然性破坏,破坏时声发射的能量和敲击计数都达到最大值.

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