研究復合材料三維編織預成型件

1、研究復合材料三維編織預成型件內(nèi)/間層的剪切變形先進紡織復合材料的教育部重點實驗室，復合材料研究所，天津工業(yè)大學，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，美國加州大學戴維斯分?！菊窟@項研究提出了具有不同的面料密度的三維角聯(lián)鎖預成型件的面內(nèi)剪切和層間剪切行為。對三維織物預成型件進行畫框剪切試驗，分析了剪切應力與剪切角度的非線性曲線和變形機理。設計了一個新的測試方法來確定的層間剪切性能表征。經(jīng)過層間剪切試驗后的樣本，通過調(diào)查拉出的紗線和中間結構發(fā)現(xiàn)變形和破壞機制。結果表明織物密度對三維聯(lián)鎖預成型件面內(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?？椢?/p>

2、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劑紗線。希望該研究可以為建立理論模型提供試驗基礎。1.引言連續(xù)纖維增強復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。雖然層壓復合材料具有優(yōu)異的面內(nèi)力學性能，但是層間復合材料的應用范圍因厚度受到限制，這是由于差的層間性質(zhì)。三維紡織結構復合材料具有厚度優(yōu)勢，好的破壞誤差和有利的影響，抗疲勞優(yōu)點59。作為三維紡織結構加強的復合材料的一種，三維角聯(lián)鎖織物已被廣泛地應用于工程領域，歸于它在傳統(tǒng)織機簡單和有效地加工1012。另外，三維角聯(lián)鎖織物最吸引的優(yōu)點是具有近終成形能力的制造復合材料

3、13。三維角聯(lián)鎖預成型件有卓越的機械性能和好的可成形性（圖1）。隨著預成型技術的發(fā)展，可以生產(chǎn)出形狀復雜和不同尺寸的結構件。圖1三維角聯(lián)鎖織物的半球成形在復合材料生產(chǎn)的結構集成制造中，三維角聯(lián)鎖是根據(jù)最終復合材料產(chǎn)品形狀預成型，該形狀可以是復雜的 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，因為在生產(chǎn)中它們被廣泛應用，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通過實驗測試仔細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鍵。Hiv

4、et等 22,23使用相框測試方法研究了二維織物剪切性能，并指出在實驗過程中，剪切結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通過相框試驗提出對在三種不同預張力狀態(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性的方法。基于二維Lin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，仿真結果與實驗相同。Cao等。 27 比較了相框剪切試驗結果，這些結果來于用于制定標準的測試設置獲得準確的和適當?shù)牟牧咸匦缘钠邆€不同實驗室的。Chen等28 開發(fā)了有限元模型來預測層壓板面內(nèi)和層間的剪切性能。然而，三維角聯(lián)

5、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，報道了一份仔細研究了關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)層剪切試驗的應力-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織物的結構效應。它可以為研究成形性和理論分析提供基礎。2.實驗的具體內(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?？椢飿颖臼怯貌ＡЮw維細絲制成的。它們的規(guī)格列在表1。三維角聯(lián)鎖織物結構的草圖示

6、意圖如圖3 來圖解說明具體的預成型結構。對于這種架構， 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 結構，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)定的織物結構10。非卷曲 經(jīng)紗和緯紗敷設在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，它只是在預成型體起到了部分的連接作用。這種結構特征保證了沿經(jīng)線和緯線方向的高剛度和高強度。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)鎖變形的結構參數(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

7、一種有效的方式表征 織物的內(nèi)部層剪切性能。三維織物的剪切試驗 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。剪切試驗在島津1kNE萬能試驗機器上以10 mm / min的十字頭速度進行的。三個樣本每個結構都被測試。在實驗過程中，相框試驗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織物的夾持，等等30-34。圖4用于剪切試驗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

8、擦 - 位移曲線和改進后的摩擦 - 位移曲線如圖5所示。可以看出，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)，摩擦不會影響試驗結果。圖5改善前后摩擦力的比較（2） 紗線的定位得到了提高。剪切結果和樣本的定位高度相關，尤其是對帶有較低卷曲的織物。如圖6所示，定位不當，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

9、防止在測試過程中織物滑動。不同類型的板用于相框試驗中，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。這種技術可以導致在應變區(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。設計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)美國材料與試驗協(xié)會：C273標準。在拉伸試驗機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

10、方向是 50 mm X40 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，用于固定在設備上。然后，膠合后的樣本插入到測試裝置上的槽內(nèi)。最后，凹槽被擰在設備上。圖9跨層試驗裝置的示意圖圖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算剪切強度： （1）其中P是剪切載荷，l和b是樣本長度和寬度。3.結果和討論3.

11、1內(nèi)部剪切測試在沖壓制造中，三維預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，直到紗線達到所謂的''鎖定角''3840?；趭A具的變形構造，框架的剪切角由下面的公式來計算： （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型件，章節(jié)2.2呈現(xiàn)，已被評為幾個二維增強體（看參考文獻27）。在考慮下，這個測試方法對三維角度相互聯(lián)鎖的預型件驗證過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)紗和緯紗圍繞織點旋

12、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）。進一步剪切導致紗線局部起皺，如圖所12。起皺出現(xiàn)在樣品沿載荷方向的中心區(qū)域，因為壓縮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)鎖預型件的典型剪切應力-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

13、非線性增加。為了更加明顯觀察皺紋， 繪制應力 - 剪切角的曲線，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，纖維體積分數(shù)的變化，在起皺之前，纖維的體積分數(shù)的值低于65 。三種織物樣品的起皺為位置幾乎在體積分數(shù)為60。P3首先起皺，因為P3在初始階段含有高的纖維體積分數(shù)，首先實現(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。當剪切角度達到一

14、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)剪切應力-剪切角曲線圖14三維角聯(lián)鎖織物的纖維體積分數(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

15、 壓縮小，紗線之間仍有空隙（如圖16）。當剪切角到達鎖定剪切角， 經(jīng)紗（或緯紗）的寬度迅速減小，這意味著紗線消失間隙，紗線上更大的側橫向壓力（圖16 b）。進一步剪切導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構；（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， 因為織物達到最大纖維體積分數(shù)。圖17三維角聯(lián)鎖織物剪切過程的三個階段

16、在三維角聯(lián)鎖增強體情況下，之前詳細描述的機制受存在的穿過厚紗線的影響。接結紗阻礙面內(nèi)紗線的旋轉(zhuǎn)，增加局部壓力和紗線的彎曲（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當考慮用相同的實驗框架。對于這篇研究，三維預型件用相同的測試裝置測量的的剪切響應和一些在44試驗研究的二維織物比較。為了觀察織物構造的影響，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)和相關的參考。三維預型件呈現(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

17、框測試法表2二維織物的結構參數(shù)443.2跨層剪切測試跨層剪切是三維織物典型的機械性能。跨層剪切強度主要來源于從上層到低層交織的接合紗線45。圖19顯示的三維角度聯(lián)鎖織物微觀結構的失效模式，分為兩部分。跨層失效模式表明結合紗線從織物里拉出，整體結構被破壞。三紗系統(tǒng)不再彼此交織（圖19 b）。另外，在實驗過程，一些經(jīng)紗和緯紗中從織物的中間層脫落。當測試機器工作，樣本一側沿著橫梁移動。當設備左邊從邊緣到樣本中間，經(jīng)紗和緯紗被剝離當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。結構變松在變形后，部分接合紗線從樣本推出，經(jīng)紗和緯紗由接結紗連接的可自由移動(圖20 b)

18、。當應力達到的剪切強度時，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，結構完全受損(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種樣品剪切應力-位移曲線，在其中所有的曲線非線性增加。應力達到最大后，僅位移的增加可導致在織物扯分成兩部分。三條曲線的趨勢是相似的。剪切強度和剛度都隨著織物密度增加而增加。此外，當織物密度的變化，剪切的應力成倍的增加。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)紗方向的剪切應力

19、大于緯紗方向的剪切應力。這是因為接合紗線平行于經(jīng)紗，與緯紗交織。這使得接結紗更難以從織物中抽出。但是，接結紗在緯紗方向只能起次要的作用。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度?？梢缘玫窖亟?jīng)線的剪切強度比較沿緯紗的剪切強度大。當織物密度的增加，剪切強度在經(jīng)紗方向上增加，和緯紗方向增加的方式相似。因為對于大密度織物的密度，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力不同，但最大應力產(chǎn)生的位移區(qū)域相似。對

20、于經(jīng)紗，范圍是710.5毫米，對于緯紗對應的是68毫米。這可以是歸于產(chǎn)于織物結構的不同的變形機理。圖22三維角聯(lián)鎖織物的跨層剪切強度（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。接結紗減少層的滑動，并在跨層剪切變形中扮演一個關鍵的角色。已被證實，三維織物具有優(yōu)異的層間剪切性能46,47。三維預型件的跨層剪切機制和二維織物不同。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構對三維預型體的剪切行為有重要的影響。 三維預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.

21、結論在三維角聯(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)有的研究重點在實驗和面內(nèi)較大的剪切的表征和層間剪切變形。應用修改后的相框試驗法，獲得更準確和可靠的結果。織物的密度對面內(nèi)的剪切性能有重要的影響。基于實驗，三維織物的大剪切行為機制被進一步研究。設計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制。結果證明了對于跨層剪切變形，該測試方法是合適的。為了進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)鎖織物的微觀結構。另外，研究其他與內(nèi)/間層抗剪行為相關的架構因素，為大的變形機制提供一個更普遍的

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