三维编织复合材料尺寸效应的实验研究.docx

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三维编织复合材料尺寸效应的实验研究

三维编织复合材料尺寸效应的实验研究1

王宝来,梁军,方国东

哈尔滨工业大学,哈尔滨（150001

摘要:

通过拉伸、压缩宏观实验,观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸情况下材料的破坏模式和断口形貌,对不同受拉长度、不同受压长度、不同横截面面积对材料拉伸和压缩性能的影响进行了分析;并分析了由于材料的尺寸效应和边界效应带来的材料应力应变曲线的变化,讨论了材料力学性能分散性与几何尺寸的关系,所获结果为进一步进行三维编织细编穿刺碳/碳复合材料的刚度、强度预报和强度准则的建立奠定了必要的实验基础。

关键词:

三维编织,细编穿刺,碳/碳复合材料,拉压实验,分散性

中图分类号:

TB332

1.引言

三维编织复合材料具有优良的力学性能和结构可设计性,在航空航天领域和学术界倍受关注,尽管国内外对编织复合材料的力学性能有过系列的报道[1~6],但由于三维编织复合材料的力学性能受诸多因素的影响,如编织方式、制作工艺、切边状况、组分材料体积百分含量等,因此对它的实验研究还不够充分,仍需要进行大量的实验研究来它们的变形和破坏规律;本文针对细编穿刺碳/碳复合材料从宏观角度进行了拉伸压缩力学性能的实验研究,获得了这些材料的主要力学性能参数,并对破坏后的试件断口进行观察,从细观角度对材料的破坏形貌做了简单的分析,又由于三维编织细编穿刺碳/碳复合材料力学性能有较大的分散性,因此对不同几何尺寸的材料进行了尺寸效应分析,研究了材料强度、应力应变曲线与材料几何尺寸的相关性,得到一些重要的结论,为进一步研究编织复合材料的强度和本构关系奠定了必要的实验基础。

2.实验设备与试件

三维编织细编穿刺C/C复合材料为三向细编横观各向异性材料,它的织物结构是XY向为碳纤维布,Z向为一定根数和间距的穿刺纤维束,对材料Z向和XY向两个方向的性能分别进行了实验研究,试件形状尺寸如图1、2所示,所有实验均通过INSTRON（5569电子拉伸机对试件进行加载,采用位移控制加载,拉伸加载速率为1mm/min,压缩加载速率为0.5mm/min;用BE120-10AA（11-X30应变计（汉中中原电测仪器厂通过YE6261B动态数据采集分析系统（江苏联能电子技术有限公司测量其变形;通过OLYMPUS（SZX12体式显微镜观察试件细观断口形貌。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号:

20040213034的资助。

单位:

mm

图1拉伸试件尺寸（XY向与Z向相同图2压缩试件尺寸（XY向与Z向相同

Figure1.SizeoftensionsampleFigure2.Compressionsample

（sameinXYandZ（sameinXYandZ

3.拉伸实验结果分析

通过拉伸实验得到材料的拉伸断口如图3所示,从破坏断口可见材料Z向受拉破坏时,断口几乎呈现出平断口,由于碳布间缺陷过大,在相应的缺陷处损伤严重,导致应力集中,首先是低应力下碳布间基体开裂,碳布分层曾片状撕裂,微裂纹通过基体碳集聚区扩展,纤维束的抑制作用使裂纹沿纤维和基体界面扩展,随着载荷的增加当应力达到极限载荷的时候,纤维束发生断裂;由于机械加工的影响,试件表面的纤维断裂、纤维束被拔出。

图3Z向拉伸断口形貌图4XY向拉伸断口形貌

Figure3.FracturemorphologyoftensioninZ

Figure4.FracturemorphologyoftensioninXY

材料在XY向拉伸破坏时,断口呈台阶状,如图4所示,可以看到垂直于加载平面的穿刺纤维束,说明材料在XY向拉伸时,破坏发生在穿刺纤维束所在的截面,纤维束与基体的界面为最薄弱环节,由于穿刺纤维与基体界面最为薄弱,首先在界面形成微裂纹并逐渐分离,有效承载面积减少,这时主要是碳布承载,Z向纤维被拉脱,碳布沿厚度台阶状断裂,表现出非线性;另外基体中微孔洞和微裂纹不断长大、融合,生成新的微裂纹以及大的裂纹,裂纹在层叠碳布间基体的富集区以及弱的纤维束基体界面区扩展速度较快,形成宏观裂纹,也是材料破坏的诱因。

4.压缩实验结果分析

从图5、6中可以看出,材料Z向受压破坏时,纤维束与基体界面局部因剪应力作用而脱开并逐渐压突或屈曲,裂纹沿着纤维束扩展并将碳布剪断,断口沿45度方向发展,随之将穿刺的纤维束剪断,整个Z向纤维束失去承载能力,与各向同性材料类似,属于剪切型

破坏;从XY向压缩试件的破坏断口看出,试件的破坏形式与Z向压缩试件的断口相似,破坏断口与轴向的夹角近似成45度,属剪切脆性破坏,随着XY向载荷的增加,基体首先开裂,由于碳布和纤维束的抗剪性能都较低,宏观裂纹沿着与碳布成45度方向的扩展,将XY向碳布和Z向穿刺纤维束剪断。

图5Z向压缩断口形貌图6XY方向压缩断口形貌

Figure5.FracturemorphologyofcompressioninZFigure6.FracturemorphologyofcompressioninXY

图7Z向压缩应力应变曲线图8XY向压缩应力应变曲线

Figure7.Thestress-straincurvesofcompressioninZFigure.8Thestress-straincurvesofcompressioninXY

5.结论

（1材料受拉破坏时,Z向断口几乎呈现出平断口,试件表面的纤维断裂、纤维束被拔出,XY向拉伸破坏时,断口呈台阶状,Z向纤维束在碳布的拉剪组合作用下被剪断;

（2材料在受压破坏时,Z向和XY向的破坏模式相似,断口几乎与加载方向成45度角,属于压剪耦合破坏,分别将XY向碳布和Z向的穿刺纤维束剪断;

（3材料Z向的应力应变关系会随着材料几何尺寸发生相应的变化,在受压截面较小的情况下,部分边界上的材料容易被压脱,较早退出受载状态,可见材料边界效应对材料性能有着较大影响.

参考文献

[1]梁军,陈晓峰,庞宝君,等.多向编织复合材料的力学性能研究[J].力学进展,1999,29（2:

197-

210.

[2]孙慧玉,吴长春.纺织结构复合材料力学性能的实验研究[J].实验力学,1997,12（3:

335-341.

[3]HiroshiHatta,KeisukeTaniguchi,YasuoKogo.SCompressivstrengthofthree-dimensionallyreinforced

carbon/carboncomposite[J],Carbon,2005;43:

351–358

[5]庞宝君,杜善义,韩杰才,等.三维四向编织碳环氧复合材料实验研究[J].复合材料学报,1999,16（4:

136-141.

[6]卢子兴,冯志海,寇长河,等.编织复合材料拉伸力学性能的研究[J].复合材料学报,1999,16（3:

129-134.

ExperimentalStudyonTensionandCompression

MechanicalPropertyof3DfinewovenPunctured

composites

WangBaolai,LiangJun,FangGuodong

HarbinInstituteofTechnology,Harbin（150001

Abstract

3DfinewovenpuncturedC/Ccompositesisakindoftypicalheterogeneousmaterial.Inthispaper,bymacroscopictensileandcompressiontests,thefracturepatternmorphologyunderdifferentloadingtypesandgeometricsizeshavebeenobserved.Theeffectsofdifferenttensileandcompressionlengthsanddifferenttransversesectionareasontensionandcompressionpropertyhavebeendiscussed.Thechangeofstress-straincurvescausedbythesizeeffecthasbeenanalyzed.Therelationofthedispersibilityofmaterialmechanicspropertyandmaterialgeometricsizeshasbeeninvestigated.Theresultsmayprovideexperimentalbasisforfurtherstudyonstiffnessandstrengthpredictionandtheestablishmentofstrengthcriterionfor3DfinewovenpuncturedC/Ccomposites.

Keywords:

3Dwoven,Finepuncture,C/Ccomposites,Tensioncompressiontest,Dispersibility