第二百四十二期 三维编织复合材料性能与结构研究

1.Study on Properties Prediction and Braiding Optimization of Axial Braided Carbon/Carbon Composite

轴向编织碳/碳复合材料性能预测及编织优化研究

研究表明，轴向编织C/C复合材料的微观结构对其性能有显著影响。本研究提出了一种将均匀化方法与有限元方法相结合的方法来预测微观结构特征与宏观性能之间的关系。基于代表体积单元（RVE）模型，引入周期位移边界条件来预测RVE和C/C复合材料构件的等效弹性性能，并采用能量预测方法预测材料的热膨胀系数（CTE）。预测结果与实验结果吻合较好。通过预测不同编织间距和纤维棒直径的材料的热性能和力学性能，得出了材料的热特性和力学性能随编织间距和光纤棒直径的变化规律。本文的研究方法和结果可为复合材料的优化和合理应用提供重要参考。

图1 复合结构、代表性体积单元和等效结构（a）原始结构（b）微量元素（c）均化元素（d）均化结构

表1 纤维棒的刚度特性

表2 轴向编织C/C复合材料的刚度特性

图2 轴向编织C/C复合材料的RVE

图3 轴编织C/C复合材料的有限元模型

图4 矩阵和界面的计算模型（a）基体孔隙微观结构（b）界面孔隙微观结构（c）矩阵随机模型（d）界面随机模型

图5 孔隙率对基体和界面弹性性能的影响

图6 纤维棒（束）的SEM形态和几何模型

表3 增强相中纤维和基体的性能

表4 增强阶段的刚度特性

表5 轴向编织C/C复合材料的力学性能

表6 室温下的热膨胀系数

图7 纤维棒中心间距对轴向和径向拉伸模量及CTE的影响

图8 纤维棒直径对轴向编织C/C复合材料径向拉伸模量和CTE的影响

2.Effect of Braiding Architectures on the Mechanical and Failure Behavior of 3D Braided Composites: Experimental Investigation

编织结构对三维编织复合材料力学和失效行为的影响：实验研究

三维编织复合材料具有多向承载能力，在基层结构中有着广泛的应用。因此，充分了解其力学行为和失效模式具有重要意义。本文采用标准化的测试方法，对采用树脂传递模塑（RTM）制造的8种3DBC进行了拉伸和压缩试验。研究发现，随着编织角度的增加，3DBCs的力学性能下降。当编织角度为20°时，三维五向编织复合材料（3D5dBC）表现出最佳的力学性能，而当编织角度40°时，3D6dBC的力学性能最为突出。此外，3DBC的拉伸强度大约是压缩强度的两倍；然而，压缩模量总是比拉伸模量高10%。编织角为20°的3DBC的失效模式在很大程度上取决于编织结构。然而，当编织角度增加到40°时，它们往往是一致的。

图1 示意图：（a）示意图和（b）4x4编织过程中的纱线载体运动

图2（a）3D4d、（b）3D5d、（c）3D6d和（d）3D7d编织复合材料的细观结构

图3 （a）编织复合材料的表面和（b）施加的编织角度

图4 RTM工艺流程图

表1 T700-12K碳纤维和TDE86树脂的力学性能

表2 试样的编织参数、厚度和FVF

    

图5 编织角度为（a）20°和（b）40°的3DBCs的力学性能（TM、CM、TS和CS分别代表拉伸模量、压缩模量、拉伸强度和压缩强度）

图6 编织角度为20°的3DBC的拉伸失效

图7 编织角度为40°的3DBC的拉伸失效

图8 编织角度为20°的3DBC的压缩破坏

图9 编织角度为40°的3DBC的压缩破坏

3.三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理

采用真空辅助树脂转移成型方法制备了三维编织复合管，包括三维多层编织管、三维五向面芯编织管和三维七向编织管。系统分析了三维编织复合管的纱线轨迹。通过准静态轴向压缩试验，研究了不同编织工艺对三维编织复合材料管的压缩承载力、失效模式和能量吸收性能的影响。结果表明，不同编织结构圆管的轴向承载力和破坏机理存在显著差异。三维多层编织管保持了较高的周向纱线体积含量，能够有效地承受轴向载荷，使其轴向承载能力显著高于其他两种类型的圆形编织管。然而，由于纤维之间的载荷传递性能较弱，容易发生脆性破坏，导致能量吸收效果最差。三维五向面芯编织管和三维七向编织管交织纱线结构，径向编织纱线可以有效地限制剪切裂纹的生长，从而导致逐渐稳定的开花失效。这种失效具有更好的能量吸收特性。三维五向面芯编织管的纤维断裂更充分，能量吸收效果最为优异。

图1 管状编织复合材料编织过程示意图

图2 真空辅助树脂传递成型装置示意图

图3 轴向压缩试样

图4 3DMT 圆管轴向压缩过程及载荷-位移曲线

图5 3DST 圆管轴向压缩过程及载荷-位移曲线

图6 3D7DT 圆管轴向压缩过程及载荷-位移曲线

图7 3DMT 圆管压缩破坏形态

图8 3DST 圆管压缩破坏形态

图9 3D7DT 圆管压缩破坏形态

图10 三维编织复合材料圆管压溃破坏形式

参考文献：

[1] Wang C, Cao P, Tang M, et al. Study on properties prediction and braiding optimization of axial braided carbon/carbon composite[J]. Materials, 2020, 13(11): 2588.

[2] Zhang D, Zheng X, Zhou J, et al. Effect of braiding architectures on the mechanical and failure behavior of 3D braided composites: Experimental investigation[J]. Polymers, 2022, 14(9): 1916.

[3] 熊信发,王校培,王坤等.三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理[J].南京航空航天大学学报,2023,55(04):702-710.DOI:10.16356/j.1005-2615.2023.04.016.

翻译整理：岳超华

编辑校对：浅