研究復(fù)合材料三維編織預(yù)成型件

1、.研究復(fù)合材料三維編織預(yù)成型件內(nèi)/間層的剪切變形先進(jìn)紡織復(fù)合材料的教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，復(fù)合材料研究所，天津工業(yè)大學(xué)，天津300387，中華人民共和國紡織和制衣部門，生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國加州大學(xué)戴維斯分?！菊窟@項(xiàng)研究提出了具有不同的面料密度的三維角聯(lián)鎖預(yù)成型件的面內(nèi)剪切和層間剪切行為。對三維織物預(yù)成型件進(jìn)行畫框剪切試驗(yàn)，分析了剪切應(yīng)力與剪切角度的非線性曲線和變形機(jī)理。設(shè)計(jì)了一個新的測試方法來確定的層間剪切性能表征。經(jīng)過層間剪切試驗(yàn)后的樣本，通過調(diào)查拉出的紗線和中間結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)變形和破壞機(jī)制。結(jié)果表明織物密度對三維聯(lián)鎖預(yù)成型件面內(nèi)剪切和層間剪切性能有重要的影響，并且織物密度的增加，剪切行為減小。織

2、物密度越低，可變形性越好。層間剪切破壞模式是從織物上引出的粘結(jié)劑紗線。希望該研究可以為建立理論模型提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。1.引言連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂基材料引起了很多重視，這都是由于它們所具有的優(yōu)勢，例如高性能，加工周期短，維修和焊接的可能性14。雖然層壓復(fù)合材料具有優(yōu)異的面內(nèi)力學(xué)性能，但是層間復(fù)合材料的應(yīng)用范圍因厚度受到限制，這是由于差的層間性質(zhì)。三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有厚度優(yōu)勢，好的破壞誤差和有利的影響，抗疲勞優(yōu)點(diǎn)59。作為三維紡織結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的復(fù)合材料的一種，三維角聯(lián)鎖織物已被廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域，歸于它在傳統(tǒng)織機(jī)簡單和有效地加工1012。另外，三維角聯(lián)鎖織物最吸引的優(yōu)點(diǎn)是具有近終成形能力的制造復(fù)合材

3、料13。三維角聯(lián)鎖預(yù)成型件有卓越的機(jī)械性能和好的可成形性（圖1）。隨著預(yù)成型技術(shù)的發(fā)展，可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜和不同尺寸的結(jié)構(gòu)件。圖1三維角聯(lián)鎖織物的半球成形在復(fù)合材料生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)集成制造中，三維角聯(lián)鎖是根據(jù)最終復(fù)合材料產(chǎn)品形狀預(yù)成型，該形狀可以是復(fù)雜的 1416。對于三維織物，平面內(nèi)的行為和層間的行為是最重要的變形，并且剪切 行為材料變形的主要模式1719。研究三維角聯(lián)鎖織物層內(nèi)和層間的剪切行為是有價值的，因?yàn)樵谏a(chǎn)中它們被廣泛應(yīng)用，尤其是成形工藝。二維織物的面內(nèi)剪切行為已有比較好的研究。Zhu等人20,21通過實(shí)驗(yàn)測試仔細(xì)研究了二維織物面內(nèi)表征特性，并且發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)紗線的減少是起皺的一個關(guān)鍵。Hi

4、vet等 22,23使用相框測試方法研究了二維織物剪切性能，并指出在實(shí)驗(yàn)過程中，剪切結(jié)果對紗線的張力敏感。拉伸力隨剪切角增大而增大。Lomov等24,25通過相框試驗(yàn)提出對在三種不同預(yù)張力狀態(tài)的非平衡2/2斜紋玻璃/ PP織物的剪切測試，并且研究在紗線方向的拉力載荷對織物的剪切抗力的影響及可重復(fù)性的方法?；诙SLin等人 26建立了織物的幾何形狀來模擬的面內(nèi)剪切的有限元模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相同。Cao等。 27 比較了相框剪切試驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果來于用于制定標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)置獲得準(zhǔn)確的和適當(dāng)?shù)牟牧咸匦缘钠邆€不同實(shí)驗(yàn)室的。Chen等28 開發(fā)了有限元模型來預(yù)測層壓板面內(nèi)和層間的剪切性能。然而，三維角

5、聯(lián)鎖織物的面內(nèi)/層間的剪切行為很少有報道。Charmetant等 29建立了半球模型來仿真三維織物成形。在這篇文章，報道了一份仔細(xì)研究了關(guān)于不同織物密度的三維角聯(lián)鎖織物面內(nèi)剪切和層間剪切行為。記錄了剪切應(yīng)力和剪切角度曲線和面內(nèi)剪切測試的起皺位置，并且它們相互比較，分析了內(nèi)層剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-位移曲線。另外，面內(nèi)剪切非線性曲線的三個階段被表征。呈現(xiàn)層間剪切破壞形態(tài)并且被比較從而在剪切測試過程中獲得三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。它可以為研究成形性和理論分析提供基礎(chǔ)。2.實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容2.1材料圖2是三維角聯(lián)鎖織物的圖片和半球橫截面。織物樣本是用玻璃纖維細(xì)絲制成的。它們的規(guī)格列在表1。三維角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的草圖

6、示意圖如圖3 來圖解說明具體的預(yù)成型結(jié)構(gòu)。對于這種架構(gòu)， 由三組不同的紗線系統(tǒng)組成，即經(jīng)紗， 緯紗和粘合紗，它提出了一個層到層的角聯(lián)鎖 結(jié)構(gòu)，其中經(jīng)紗和緯紗都幾乎直，粘合紗顯示出不同的起伏，連接卷曲的緯紗層的上層和下層，使它們接合，形成一個穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)10。非卷曲 經(jīng)紗和緯紗敷設(shè)在0/90序列里，彼此無編織。粘合紗的線密度小于 該經(jīng)線和緯線的線密度，它只是在預(yù)成型體起到了部分的連接作用。這種結(jié)構(gòu)特征保證了沿經(jīng)線和緯線方向的高剛度和高強(qiáng)度。圖2三維角聯(lián)鎖變形照片；（a）是表面（b）是橫截面表1三維角聯(lián)鎖變形的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖3三維角聯(lián)鎖變形的示意圖2.2內(nèi)部層剪切測試相框測試是一種有效的方式表征 織

7、物的內(nèi)部層剪切性能。三維織物的剪切試驗(yàn) 根據(jù)相框的大小，樣本的特征如圖4所描述。為了防止大的變形時由夾具施加在預(yù)成型件的壓力，剪切變形的中心區(qū)域是100mmX100mm，且四角落部份被切掉。剪切試驗(yàn)在島津1kNE萬能試驗(yàn)機(jī)器上以10 mm / min的十字頭速度進(jìn)行的。三個樣本每個結(jié)構(gòu)都被測試。在實(shí)驗(yàn)過程中，相框試驗(yàn)被改善是為了確保純剪切載荷，例如，以最小化邊緣約束和促進(jìn)織物的夾持，等等30-34。圖4用于剪切試驗(yàn)的織物樣本的示意圖問題：（1） 圖像幀的臂由滾動軸承連接而不是軸連接。框架之間的摩擦是剪切的結(jié)果的一個重要因素，由于在剪切的初始階段，紗線之間小的剪切力。之前摩擦 - 位移曲線和改進(jìn)

8、后的摩擦 - 位移曲線如圖5所示?？梢钥闯?，框架的摩擦保持穩(wěn)定且小，改善后的值在0.040.08 N范圍內(nèi)，摩擦不會影響試驗(yàn)結(jié)果。圖5改善前后摩擦力的比較（2） 紗線的定位得到了提高。剪切結(jié)果和樣本的定位高度相關(guān)，尤其是對帶有較低卷曲的織物。如圖6所示，定位不當(dāng)，在剪切力測試時，可引起大的紗線張力紗線或者紗線松弛。因此，樣品中的紗線應(yīng)與框架平行。四個框架子啊中央位置開槽（如圖7），槽的寬度等于 ,夾持部件中織物的寬度。當(dāng)織物放在槽中，紗線不能移動。沒有一個紗線出現(xiàn)偏差，純剪切載荷可以得到。圖6剪切變形后處于兩個不同位置的紗線狀態(tài)圖7相框法的示意圖（3） 一個新型的板是用來防止在測試過程中織物滑

9、動。不同類型的板用于相框試驗(yàn)中，最佳的折中是在粘合橡膠（如圖8）的鋁板。用超級膠水將兩個板粘合到織物的每一面，然后將其擰入相框。由于它良好的彈性，橡膠層使紗線無滑動。這種技術(shù)可以導(dǎo)致在應(yīng)變區(qū)域內(nèi)好均勻性，對織物行為有輕微的影響。這些板也可以用于其它的測試。圖8板的示意圖2.3層間剪切測試層間剪切行為是重要的變形方式，尤其是對于三維織物37。設(shè)計(jì)一個新的測試裝置來表征三維角聯(lián)鎖織物的跨層剪切性能，根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會：C273標(biāo)準(zhǔn)。在拉伸試驗(yàn)機(jī)的加載裝置的示意圖如圖9所示。這是一臺通用的島津1kNE測試機(jī)器。圖10給出層間剪切測試的樣本圖。測試的樣本尺寸是分別沿經(jīng)向和緯紗方向是 50 mm X

10、40 mm，并且十字頭速度為1mm/min。首先用超級膠水將該樣本被膠合在尺寸大小為80 mm X 60 mm的鋁板上，兩板彼此之間必須對準(zhǔn)，用于固定在設(shè)備上。然后，膠合后的樣本插入到測試裝置上的槽內(nèi)。最后，凹槽被擰在設(shè)備上。圖9跨層試驗(yàn)裝置的示意圖圖10跨層樣本圖（a）織物被膠于兩板之間和（b）鋁板該試驗(yàn)裝置由兩部分組成，分別是頂部部分和底部部分。這兩部分分別連接樣本的左邊和右邊（圖9）。這個測試裝置裝有兩個傳感器（位移傳感器和力傳感器）。力和位移數(shù)據(jù)可以通過一臺電腦獲得。下面的方程是用來計(jì)算剪切強(qiáng)度： （1）其中P是剪切載荷，l和b是樣本長度和寬度。3.結(jié)果和討論3.1內(nèi)部剪切測試在沖壓制

11、造中，三維預(yù)型件和二維織物的面內(nèi)剪切變形仍然是主要的變形模式。剪切變形是受到局部起皺的限制，直到紗線達(dá)到所謂的鎖定角3840?；趭A具的變形構(gòu)造，框架的剪切角由下面的公式來計(jì)算： （2） （3）其中Lf是框架的長度，d是十字頭的位移 ，和分別是目前的角度和框架的剪切角度。相框測試采用三維預(yù)型件，章節(jié)2.2呈現(xiàn)，已被評為幾個二維增強(qiáng)體（看參考文獻(xiàn)27）。在考慮下，這個測試方法對三維角度相互聯(lián)鎖的預(yù)型件驗(yàn)證過41。圖11顯示出了不同階段的三維織物樣品的剪變形。在開始，經(jīng)紗和緯紗是正交的（圖11a ），沒有剪切。然后，經(jīng)紗和緯紗圍繞織點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在鎖定角之前，剪切變形阻力主要是由于經(jīng)紗和緯紗之間摩擦（圖

12、11b）。在剪切過程中，紗線之間的間隙逐漸消失和相鄰的紗線相互接觸，但紗線的寬度幾乎不降低（圖11 c）所示。在鎖定角后，大的剪切變形過程中，在橫向壓縮下，紗線的寬度開始減小，為紗線在起皺之前提供更多的剪切空間。剪切載荷迅速增加（圖11 d）。進(jìn)一步剪切導(dǎo)致紗線局部起皺，如圖所12。起皺出現(xiàn)在樣品沿載荷方向的中心區(qū)域，因?yàn)閴嚎s來自左邊和右邊的相框接縫。圖11三維變形過程的示意圖圖12剪切變形中起皺的產(chǎn)生不同的紗線密度的三維角聯(lián)鎖預(yù)型件的典型剪切應(yīng)力-剪切角度如圖13.隨著織物密度的增加，整體的剪切剛度越大，在整個剪切過程中，所有曲線非線性增加。為了更加明顯觀察皺紋， 繪制應(yīng)力 - 剪切角的曲線

13、，而不是載荷 - 位移曲線。由于織物密度的大的差異，三個曲線之間有巨大的差異。相鄰紗線之間的差異和未變形階段不同，這會導(dǎo)致不同的鎖定角和不同的剪切變形。圖14顯示，隨著剪切角度增加，纖維體積分?jǐn)?shù)的變化，在起皺之前，纖維的體積分?jǐn)?shù)的值低于65 。三種織物樣品的起皺為位置幾乎在體積分?jǐn)?shù)為60。P3首先起皺，因?yàn)镻3在初始階段含有高的纖維體積分?jǐn)?shù)，首先實(shí)現(xiàn)約60 ，三條曲線的差異隨著剪切角度增加而增加。鎖定角分別是36.2，43.3，32.5，如圖15所示。鎖定剪切角與織物密度密切相關(guān)。當(dāng)剪切角度達(dá)到一定值時，P3纖維體積 比其它兩種高，這是首先起皺原因 。另外，在織物紗的紗線已被壓縮在編織過程中特

14、別是對P3，P3的紗線 寬度為1mm，而P1紗線寬度是1.4毫米和P2的紗線寬度是 1.7毫米。因此，大的織物密度的剪切應(yīng)力在壓縮階段迅速增加，織物是不容易變形的。紗線寬度和剪切角之間的關(guān)系可以被描述為如下 38,42： （4）其中Wo是初始紗線寬度，W是剪切過程中的紗線寬度。圖13三維角聯(lián)鎖織物的面內(nèi)剪切應(yīng)力-剪切角曲線圖14三維角聯(lián)鎖織物的纖維體積分?jǐn)?shù)-剪切角曲線圖15織物樣本的剪切鎖定角在鎖定剪切角之前，紗線寬度變化不明顯和粘合紗線寬度減小，由于相鄰的經(jīng)紗（或緯紗）的壓縮。在這個階段中，橫向 壓縮小，紗線之間仍有空隙（如圖16）。當(dāng)剪切角到達(dá)鎖定剪切角， 經(jīng)紗（或緯紗）的寬度迅速減小，這

15、意味著紗線消失間隙，紗線上更大的側(cè)橫向壓力（圖16 b）。進(jìn)一步剪切導(dǎo)致的平面外局部起皺。圖16剪切過程中的三維變形的微觀結(jié)構(gòu)；（a）是r=30，（b）是r=42因此，可以將維角聯(lián)鎖織物大的剪切變形劃分為三個典型階段，如圖17. 在第一階段中，紗線的寬度可以幾乎無變化，摩擦是到剪切變形的主要阻力。在第二階段，紗線寬度迅速減少和接結(jié)紗被壓縮到扁平。在第三階段，局部起皺 發(fā)生在織物上，同時紗線的寬度保持恒定， 因?yàn)榭椢镞_(dá)到最大纖維體積分?jǐn)?shù)。圖17三維角聯(lián)鎖織物剪切過程的三個階段在三維角聯(lián)鎖增強(qiáng)體情況下，之前詳細(xì)描述的機(jī)制受存在的穿過厚紗線的影響。接結(jié)紗阻礙面內(nèi)紗線的旋轉(zhuǎn)，增加局部壓力和紗線的彎曲（

16、見圖16）。43里展示了用相框法獲得的剪切行為對所使用的夾具敏感。因此，通過相框的剪切行為的比較應(yīng)當(dāng)考慮用相同的實(shí)驗(yàn)框架。對于這篇研究，三維預(yù)型件用相同的測試裝置測量的的剪切響應(yīng)和一些在44試驗(yàn)研究的二維織物比較。為了觀察織物構(gòu)造的影響，比較如圖18所示。表2說明了用于比較的二維織物的參數(shù)和相關(guān)的參考。三維預(yù)型件呈現(xiàn)一個小的初始非線性區(qū)域，它的張力取決于接合紗線，而結(jié)合紗線影響紗線的移動和摩擦。同樣的原因決定了接下來三維織物的剪切阻力更快速增長。圖18二維織物和三維變形的相框測試法表2二維織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)443.2跨層剪切測試跨層剪切是三維織物典型的機(jī)械性能?？鐚蛹羟袕?qiáng)度主要來源于從上層到低層交

17、織的接合紗線45。圖19顯示的三維角度聯(lián)鎖織物微觀結(jié)構(gòu)的失效模式，分為兩部分?？鐚邮Ｊ奖砻鹘Y(jié)合紗線從織物里拉出，整體結(jié)構(gòu)被破壞。三紗系統(tǒng)不再彼此交織（圖19 b）。另外，在實(shí)驗(yàn)過程，一些經(jīng)紗和緯紗中從織物的中間層脫落。當(dāng)測試機(jī)器工作，樣本一側(cè)沿著橫梁移動。當(dāng)設(shè)備左邊從邊緣到樣本中間，經(jīng)紗和緯紗被剝離當(dāng)接合紗線從織物里抽出。樣本從織物邊緣開始受損。圖20顯示了樣本不同的剪切變形階段。結(jié)構(gòu)變松在變形后，部分接合紗線從樣本推出，經(jīng)紗和緯紗由接結(jié)紗連接的可自由移動(圖20 b)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到的剪切強(qiáng)度時，粘合紗線可以從三維織物自由提取。對于經(jīng)紗和緯紗的脫落沒有約束。最后，粘合紗線完全從織物離開，結(jié)構(gòu)

18、完全受損(圖20 c)。圖19三維織物跨層剪切的失效形態(tài)；（a）是俯視圖（b）是前視圖圖20三維角聯(lián)鎖織物的跨層剪切；（a）是變形前，（b）是變形后，（c）是失效模式圖21描述了3種樣品剪切應(yīng)力-位移曲線，在其中所有的曲線非線性增加。應(yīng)力達(dá)到最大后，僅位移的增加可導(dǎo)致在織物扯分成兩部分。三條曲線的趨勢是相似的。剪切強(qiáng)度和剛度都隨著織物密度增加而增加。此外，當(dāng)織物密度的變化，剪切的應(yīng)力成倍的增加。接合紗線從樣本邊緣拉出，經(jīng)紗先從邊緣抽出，然后緯紗也脫離。沿著經(jīng)紗方向的剪切應(yīng)力大于緯紗方向的剪切應(yīng)力。這是因?yàn)榻雍霞喚€平行于經(jīng)紗，與緯紗交織。這使得接結(jié)紗更難以從織物中抽出。但是，接結(jié)紗在緯紗方向只能

19、起次要的作用。另外，沿著緯紗方向的最大值得曲線形狀比沿著經(jīng)紗方向的最大值得曲線形狀更光滑。圖21三維角聯(lián)鎖織物的跨層剪切的剪切應(yīng)力-位移曲線（a）是經(jīng)紗方向（b）是緯紗方向圖22給出了3種織物樣品的剪切強(qiáng)度?？梢缘玫窖亟?jīng)線的剪切強(qiáng)度比較沿緯紗的剪切強(qiáng)度大。當(dāng)織物密度的增加，剪切強(qiáng)度在經(jīng)紗方向上增加，和緯紗方向增加的方式相似。因?yàn)閷τ诖竺芏瓤椢锏拿芏?，在單位區(qū)域有更多交織的次數(shù)，所以接合紗線需要更多的拉力才能拉出。雖然在兩個方向的最大應(yīng)力不同，但最大應(yīng)力產(chǎn)生的位移區(qū)域相似。對于經(jīng)紗，范圍是710.5毫米，對于緯紗對應(yīng)的是68毫米。這可以是歸于產(chǎn)于織物結(jié)構(gòu)的不同的變形機(jī)理。圖22三維角聯(lián)鎖織物的跨

20、層剪切強(qiáng)度（a）是經(jīng)紗方向（b）是緯紗方向三維織物的面內(nèi)剪切，跨層剪切行為也受接合紗線的限制。接結(jié)紗減少層的滑動，并在跨層剪切變形中扮演一個關(guān)鍵的角色。已被證實(shí)，三維織物具有優(yōu)異的層間剪切性能46,47。三維預(yù)型件的跨層剪切機(jī)制和二維織物不同。二維織物的剪切行為主要來自織物層之間的摩擦，然而，三維織物的剪切性能依靠和緯紗交錯的接合紗線48,49?？梢缘玫娇椢锝Y(jié)構(gòu)對三維預(yù)型體的剪切行為有重要的影響。 三維預(yù)型體比二維織物有個呢過大的剪切載荷，接合紗線限制經(jīng)紗和緯紗的滑動。4.結(jié)論在三維角聯(lián)鎖織物的沖壓操作中，內(nèi)/間層抗剪性能是兩個重要因素。現(xiàn)有的研究重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)和面內(nèi)較大的剪切的表征和層間剪切變形

21、。應(yīng)用修改后的相框試驗(yàn)法，獲得更準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果。織物的密度對面內(nèi)的剪切性能有重要的影響?；趯?shí)驗(yàn)，三維織物的大剪切行為機(jī)制被進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)一個新的測試裝置來表征三維織物的跨層剪切特性。分析了失效模式和跨層剪切的變形機(jī)制。結(jié)果證明了對于跨層剪切變形，該測試方法是合適的。為了進(jìn)一步研究大的剪切變形，基于本文描述的剪切測試，可以建立一個微觀的理論模型。同時，可以觀察變形后的三維角聯(lián)鎖織物的微觀結(jié)構(gòu)。另外，研究其他與內(nèi)/間層抗剪行為相關(guān)的架構(gòu)因素，為大的變形機(jī)制提供一個更普遍的結(jié)論。參考文獻(xiàn)1 Chen XG, Taylor LW, Tsai LJ. An overview on fabricat

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