二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28267

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

孙洋¹, 黄建¹(), 韩晨晨¹, 赵振强², 周海丽¹, 孙方方¹, 李超¹, 张超², 张立泉¹ 更多阅读

^1.南京玻璃纤维研究设计院有限星空web版登录入口成为利物浦的官方合作伙伴，南京 210000
^2.西北工业大学民航星空web版登录入口成为利物浦的官方合作伙伴，西安 710072

收稿日期:2022-11-15 修回日期:2022-12-07 接受日期:2023-02-09 出版日期:2023-09-25 发布日期:2023-02-17
通讯作者: 黄建 E-mail:huangjian201305@163.com
基金资助:
星空web版登录入口成为利物浦的官方合作伙伴科技重大专项(2017-VII-0011-0106);江苏省基础研究计划（自然科学基金）(BK20220165)

Comparison of in-plane mechanical properties of 2D and 3D woven composites

Yang SUN¹, Jian HUANG¹(), Chenchen HAN¹, Zhenqiang ZHAO², Haili ZHOU¹, Fangfang SUN¹, Chao LI¹, Chao ZHANG², Liquan ZHANG¹ 更多阅读

^1.Nanjing Fiberglass Research and Design Institute Co. ，Ltd. ，Nanjing 210000，China
^2.School of Civil Aviation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2022-11-15 Revised:2022-12-07 Accepted:2023-02-09 Online:2023-09-25 Published:2023-02-17
Contact: Jian HUANG E-mail:huangjian201305@163.com
Supported by:
National Science and Technology Major Project(2017-VII-0011-0106);Foundation Research Project of Jiangsu Province （the Natural Science Fund）(BK20220165)

摘要/Abstract

星空web版登录入口成为利物浦的官方合作伙伴 - 星空web版登录入口

摘要：

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料，利用数字图像同步测试技术（DIC）系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。更多阅读结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析，对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明，经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响，三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能，得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外，三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时，经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接，降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。

关键词: 二维机织层合复合材料, 三维机织复合材料, 力学性能, 失效机制, 层层交联互锁结构

Abstract:

2D and 3D woven composites with the same structure form and weaving process parameters were designed and prepared. Tensile， compressive and in-plane shear tests were systematically carried out by the digital image correlation method. The mechanical properties， carrying and failure mechanism of 2D and 3D woven composites were studied in combination with the evolution of surface strain field and fracture morphology. It is shown that the interlocking of warp yarns between layers significantly influences the macroscopic mechanical behavior and carrying mechanism of woven composites. 3D woven composite exhibits better structural integrity and weft mechanical properties at the expense of decrease in warp mechanical performance. Furthermore， the warp tensile strain-stress curves of 3D woven composites have a typical characteristic of nonlinearity. The constraint between warp yarn and weft yarn leads to the weak interface between fiber and matrix， which reduces the in-plane shear capacity of 3D woven composite.

Key words: 2D woven composites, 3D woven composites, mechanical properties, failure mechanism, layer-to-layer interlock structure

中图分类号:

V258

孙洋, 黄建, 韩晨晨, 赵振强, 周海丽, 孙方方, 李超, 张超, 张立泉. 二维与三维机织复合材料面内力学性能对比[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428267.

Yang SUN, Jian HUANG, Chenchen HAN, Zhenqiang ZHAO, Haili ZHOU, Fangfang SUN, Chao LI, Chao ZHANG, Liquan ZHANG. Comparison of in-plane mechanical properties of 2D and 3D woven composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 428267.

图/表 22

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

表2

图7

图8

图9

图10

表3

图11

图12

图13

图14

图15

表4

图16

图17

图18

参考文献 21

1	俞建勇，赵谦，祖群. 高性能纤维与织物［M］. 北京：中国铁道出版社， 2020： 141.
	YU J Y， ZHAO Q， ZU Q. High performance fibers and fabrics［M］. Beijing： China Railway Publishing House， 2020： 141 （in Chinese）.
2	沈尔明，王志宏，滕佰秋，等. 连续纤维增强复合材料在民用航空发动机上的应用［J］. 航空发动机， 2013， 39（2）：90-94.
	SHEN E M， WANG Z H， TENG B Q， et al. Application of continuous fiber reinforced composites in civil aeroengines［J］. Aeroengine， 2013， 39（2）：90-94 （in Chinese）.
3	陈巍. 先进航空发动机树脂基复合材料技术现状与发展趋势［J］. 航空制造技术， 2016， 56（5）： 68-72， 92.
	CHEN W. Status and development trends of polymer matrix composites on advanced aeroengine［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2016， 56（5）： 68-72， 92 （in Chinese）.
4	LI Z X， GUO L C， ZHANG L， et al. In situ experimental investigation on the out-plane damage evolution of 3D woven carbon-fiber reinforced composites［J］. Composites Science and Technology， 2018， 162： 101-109.
5	PANKOW M， JUSTUSSON B， RIOSBAAS M， et al. Effect of fiber architecture on tensile fracture of 3D woven textile composites［J］. Composite Structures， 2019， 225： 111139.
6	NAIK N K. Woven-fibre thermoset composites［M］∥ Fatigue in composites. Amsterdam： Elsevier， 2003： 296-313.
7	WALTER T R， SUBHASH G， SANKAR B V， et al. A novel method for dynamic short-beam shear testing of 3D woven composites［J］.Experimental Mechanics， 2013， 53（3）： 493-503.
8	COX B N， DADKHAH M S， MORRIS W L， et al. Failure mechanisms of 3D woven composites in tension， compression， and bending［J］. Acta Metallurgica et Materialia， 1994， 42（12）： 3967-3984.
9	KUO W S， KO T H， CHEN C P. Effect of weaving processes on compressive behavior of 3D woven composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2007， 38（2）： 555-565.
10	MAHADIK Y， ROBSON BROWN K A， HALLETT S R. Characterisation of 3D woven composite internal architecture and effect of compaction［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2010， 41（7）： 872-880.
11	MAHADIK Y， HALLETT S R. Effect of fabric compaction and yarn waviness on 3D woven composite compressive properties［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2011， 42（11）： 1592-1600.
12	LEE B， LEONG K H， HERSZBERG I. Effect of weaving on the tensile properties of carbon fibre tows and woven composites［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2001， 20（8）： 652-670.
13	WARREN K C， LOPEZ-ANIDO R A， GOERING J. Experimental investigation of three-dimensional woven composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2015， 73： 242-259.
14	DAI S， CUNNINGHAM P R， MARSHALL S， et al. Influence of fibre architecture on the tensile， compressive and flexural behaviour of 3D woven composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2015， 69： 195-207.
15	SALEH M N， YUDHANTO A， POTLURI P， et al. Characterising the loading direction sensitivity of 3D woven composites： effect of z-binder architecture［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2016， 90： 577-588.
16	ALY-HASSAN M S， HATTA H， WAKAYAMA S， et al. Comparison of 2D and 3D carbon/carbon composites with respect to damage and fracture resistance［J］. Carbon， 2003， 41（5）： 1069-1078.
17	HUANG J， ZHAO Q， FENG Y B， et al. Effect of microcracks on the tensile properties of 3D woven composites［J］. Coatings， 2021， 11（7）： 794.
18	CHOU S， CHEN H C， CHEN H E. Effect of weave structure on mechanical fracture behavior of three-dimensional carbon fiber fabric reinforced epoxy resin composites［J］. Composites Science and Technology， 1992， 45（1）： 23-35.
19	KIASAT M S， SANGTABI M R. Effects of fiber bundle size and weave density on stiffness degradation and final failure of fabric laminates［J］. Composites Science and Technology， 2015， 111： 23-31.
20	刘增飞，刘凯，张斌斌，等. 纱线规格对3D机织复合材料拉伸性能的影响［J］. 航空学报， 2022， 43（6）： 521-530.
	LIU Z F， LIU K， ZHANG B B， et al. Effect of yarn size on tensile properties of 3Dwoven composites［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（6）： 521-530 （in Chinese）.
21	郭瑞卿，张一帆，吕庆涛，等. 多层多向层联三维机织复合材料的拉伸性能［J］. 复合材料学报， 2020， 37（10）：2409-2417.
	GUO R Q， ZHANG Y F， LV Q T， et al. Tensile properties of multilayer multiaxial interlock 3D woven composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（10）：2409-2417 （in Chinese）.

机织构型	经纱规格	纬纱规格	经纱密度/（根·cm^-1）	纬纱密度/v	经纱层数	纬纱层数	厚度/mm	体积分数/%
二维机织层合结构	6K	12K	10	4	7	7	5.0	58.37
三维机织结构	6K	12K	10	4	7	8	5.2	59.82

机织结构	加载方向	弹性模量		拉伸强度
机织结构	加载方向	均值/GPa	离散系数/%	均值/MPa	离散系数/%
二维机织层合结构	经向	58.19	3.22	904.64	5.86
二维机织层合结构	纬向	51.54	3.46	1 102.46	2.75

三维机织结构	经向	41.52	4.08	567.64	3.00
三维机织结构	纬向	62.92	0.91	1 125.09	3.64

机织结构	加载方向	弹性模量		压缩强度
机织结构	加载方向	均值/GPa	离散系数/%	均值/MPa	离散系数/%
二维机织层合结构	经向	61.83	3.10	359.97	3.55
二维机织层合结构	纬向	53.89	2.51	564.16	7.32

三维机织结构	经向	32.93	8.55	169.35	1.49
三维机织结构	纬向	64.93	1.21	523.71	7.65

机织结构	模量/GPa	离散系数/%	强度/MPa	离散系数/%
二维机织层合结构	5.51	5.41	74.42	6.54
三维机织结构	4.72	2.31	71.12	4.67

[1]	于宝石, 雷勇军, 申志彬, 张大鹏. 固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 31083-031083.
[2]	魏取龙, 姜丽红, 刘征, 朱琳, 范炼海, 王冠刚, 赵明杰, 郭正华. 选区激光熔化制备TPMS晶格结构及力学性能[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 430593-430593.
[3]	彭苗娇, 黄锦文, 胡殿印, 王荣桥, 杨俊杰, 贾志刚, 陈清林, 孙义沣, 蔡应强, 范宽, 朱兆一, 李晓文. 航空发动机CFRP复合材料界面力学性能、损伤机理与强化策略研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 231600-231600.
[4]	杨日明, 申秀丽, 董少静. 氢对TC4ELI钛合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 431439-431439.
[5]	吴猛, 李多生, 叶寅, 李旭勇, 徐雪源, 陈加伟. 激光清洗C919飞机铝锂合金蒙皮涂层[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 431414-431414.
[6]	裴诗祺, 蒋金华, 陈南梁, 王凯. 空间环境对高性能纤维力学性能及结构的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630997-630997.
[7]	王昕, 季海波, 李振, 李秉洋, 章琪, 张瑞, 徐翔, 孟晗, 王鹏飞, 卢天健. 仿生螺旋结构纤维增强复合材料力学性能研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 29987-029987.
[8]	王文煜, 李锋, 任飞翔, 韦兴宇, 熊健. 轻质高强复合材料网格加筋壳体结构设计方法及力学性能研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 530001-530001.
[9]	郭正华, 陈正, 曾一达, 郭义乾, 牛振华, 杨子睿, 李智勇, 万骏武. 选区激光熔化制备难熔高熵合金研究现状与展望[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 29518-029518.
[10]	张志强, 于子鸣, 张天刚, 杨倩, 王浩. 激光熔覆TiC _x 增强钛基复合涂层组织与增强相第一性原理研究[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 427294-427294.
[11]	赵楠, 李多生, 叶寅, 刘奋成, 江五贵. 激光选区熔化成形GH5188合金微观组织及性能[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 428332-428332.
[12]	陈江波, 曾凯, 邢保英, 张洪申, 丁燕芳, 何晓聪. 铝合金-胶膜压印/粘接复合连接工艺及接头失效分析[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 428029-428029.
[13]	李志文, 蔡长春, 余欢, 徐志锋, 王振军, 李荣幸. C_f/Al复合材料复合编织结构T型件弯曲性能[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 427510-427510.
[14]	邓云飞, 周楠, 田锐, 魏刚. S型碳纤维褶皱夹芯结构低速冲击响应特性实验研究[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525446-525446.
[15]	刘增飞, 刘凯, 张斌斌, 李雪枫, 葛敬冉, 黄建, 李超, 孙新杨, 孙煜, 梁军. 纱线规格对3D机织复合材料拉伸性能的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525453-525453.

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

Comparison of in-plane mechanical properties of 2D and 3D woven composites

RichHTML

PDF (PC)