導讀
雖然二維編織多層複合材料（2DMLC）是目前最常用的工程材料，但現在的研究主要集中在採用相同編織角和紗線中心距的單層編織物堆疊而成的二維編織層合板。由於材料加工精度的困難，廣泛用於比較的編織角有30°、45°和60°，而編織角的微小變化對編織複合材料拉伸效能的影響少有研究。同時，兩個方向的編織紗相互交織，會呈現平面外捲曲，而導致2DMLC的平面內力學效能不如單向編織多層複合材料（UDMLC）。故，東華大學的Liu Dong Hang和Tang Mei Jing（第一作者），Yan Jian Hua（通訊作者）及其團隊在《Composites Science and Technology》上發表了題為“Comparative study of the tensile properties of 2D and UD over-braided multilayer composites”的文章，該團隊對平均編織角在2°-7°範圍內的2DMLC和UDMLC的拉伸效能和破壞機制進行研究。
內容簡介
在多層編織過程中，外層覆蓋著內層，包覆一個 “芯軸”。為保證各層具有相同的面密度和厚度，將保持各層紗線中心距相等，但這會導致編織角從第一層 (最內層)到最後一層(最外層)逐漸增大，如圖1所示。兩種編織結構均為22型，製備2DMLC時是9696碳纖維，製備UDMLC時是96根碳纖維和96根細尼龍紗，如圖2所示。將預製體切割成拉伸試驗件後，經VARTM工藝將環氧樹脂注入固化。多層編織複合材料結構引數，如表1所示。
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圖1 多層編織原理圖 |
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圖2 （a）22型纖維結構、單晶胞、編織角、紗線中心距示意圖；（b）和（c）二維雙軸和UD編織結構影象 |
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表1 2DMLC和UDMLC的結構引數 |
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平均編織角與拉伸效能的關係如圖3所示。對於2DMLC和UDMLC，拉伸模量和強度隨平均編織角的增加而降低。當平均編織角增加5.24°時，拉伸模量和強度分別顯著降低25.4%和14.78%。兩種複合材料的拉伸模量和強度在平均編織角（2°—7°）範圍內變化顯著；當平均編織角略有增加時，複合材料的拉伸強度下降幅度小於拉伸模量的下降幅度。當平均編織角增加量相同（2°—3°）時，UDMLC的拉伸模量和強度比2DMLC降低幅度更大；因此，UDMLC的拉伸效能對平均編織角的變化更為敏感。
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圖3 2DMLC和UDMLC平均編織角與拉伸效能的關係，每列的資料為平均值±標準差 |
圖4反映2D-3和UD-3編織結構對拉伸效能的影響，載荷-位移曲線形狀基本相同，與2D-3相比，UD-3的拉伸模量和強度分別提高了8.63%和10.90%。UDMLC的拉伸模量和強度一般比2DMLC高10%和20%-30%。UDMLC透過減少編織紗的面外捲曲，有效地解決2DMLC面內拉伸力學效能低的缺陷，與2DMLC相比，UDMLC中更小、更少的富集樹脂區域也對拉伸效能有積極的影響，如圖5所示。
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圖4 （a）2D-3和UD-3的載荷-位移曲線；（b）2D-3和UD-3的拉伸模量和強度差異 |
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圖5 （a）和（c）用於編織紗線方向的切片影象；（b）和（d）樣品縱向剖面圖像 |
試件表面和縱斷面損傷過程如圖6所示。2D-3和UD-3的第一層和最後一層均有損傷。編織角越小的層，其縱向拉伸模量越大，損傷更嚴重。在位移相同的情況下，拉伸荷載的分佈從第一層到最後一層逐漸減小，故第一層比最後一層更早被破壞。對於2D-3，由於編織紗線較粗且相互交織，紗線之間不可避免地會出現縫隙。隨著紗線基體間裂紋的推進，靠近失效路徑的編織紗的束縛減小，編織紗變得柔順。在拉伸過程中，編織紗很容易發生拉伸-剪下耦合，對於受到相鄰紗的剪下變形和擁擠。細小的尼龍紗在固化過程中熔化後混入樹脂，不能起到阻止裂縫作用，裂紋容易沿碳纖維方向穿過整個材料。
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圖6 （a）和（b）與圖5中a、b載入位置對應的2D-3影象；（c）和（d）與圖5中載入位置c、d對應的UD-3影象 |
圖7、圖8分別為2D-3、UD-3損傷區打磨後縱斷面圖，分別對應圖4中的a、c位置。圖中（a）、（b）、（c）、（d）分別對應於切片位置0、1/6、1/3、1/2。如圖8（A）和圖9（A）所示，損傷主要表現為2D-3和UD-3縱斷面的兩種基體裂紋形式。一種裂紋存在於層內，表現為紗線間和紗線基體內的裂紋；另一種是在層間擴散，引起層間基體裂紋(脫層)。在試樣的橫向上，損傷從（a）、（b）、（c）、（d）中的損傷擴充套件沿一組編織紗方向。在縱向上，層間基體裂紋在2D-3中呈弧形，在UD- 3中呈水平形。UD-3的分層比2D-3嚴重，在2D-3中，層間基體裂紋被阻止並擴充套件到下一層，在UD-3中，層間基體裂紋在一層內連續擴充套件。
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圖7 2D-3中的損傷分佈。左箭頭指示方向：從第一層到最後一層 |
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圖8 UD-3的損傷分佈。左箭頭指示方向：從第一層到最後一層 |
如圖9所示，A和B分別為圖4中2D-3和UD-3拉伸到點b和d時的截面。兩種試樣均在橫向上出現凹變形，且均向第一層方向凹陷。在2D-3中，損傷區域明顯向縱向彎曲，彎曲方向為最後一層。縱向彎曲從試樣的0位置減小到1/2位置。對於UD-3，試樣損傷區域在縱向上沒有明顯的彎曲。圖9（C）是兩種複合材料的拉伸變形示意圖。
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圖9 2D-3和UD-3經過拉伸試驗後的變形 |
小結
本文研究發現，編織平均角度(2 -7◦)的輕微變化對2DMLCs和UDMLCs的拉伸模量和強度有顯著影響。編織結構的差異使UDMLC的模量和強度分別比2DMLC提高8.63%和10.90%。在這兩種複合材料中，基體裂紋產生和擴充套件的方法不同，二維編織結構有效地防止了複合材料的分層。
原始文獻：Liu D H, Tang M J, Yan J H. Comparative study of the tensile properties of 2D and UD over-braided multilayer composites[J]. Composites Science and Technology, 2021, 210: 108817
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