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紡織結構復合材料是用紡織工藝得到的纖維束(紗線)預成形織物結構作為強體的復合材料軸向12%,破壞時斜紗中有大量剪切開裂,應力-應變曲線為非線性。其余軸向紗較多的編織物,強度受軸向纖維束劈裂和屈曲的控制,破壞模式與彎折帶有關,應力-應變曲線破壞前基本是線性的。
表1碳/環(huán)氧三軸編織物復合材料壓縮強度編織物模量/GPa壓縮強度/MPa極限應變/%軸向12,軸向46,二維機織物中纖維束彼此上下交叉通過,纖維束出現波紋,所以進入塑性的臨界載荷比較低;三軸編織物中軸向紗原則上是直的,但實際上比預浸帶層壓板中的層也要彎得多,從而彎折的臨界載荷亦比較低。
22縫合復合材料縫合對抑制分層是很有效的1q.縫合可看成是穿過分層的一個Winkler基礎,起橋接作用。隨著分層裂紋的長,分層和屈曲現象逼近一個漸近形,屈曲退化為有固定長度的駝峰。此時的屈曲臨界應力漸近于不變值分層擴展臨界應力趨于且,很接近。分層厚度為h,層壓板厚為t,且t>h時,cox 8得到給出縫合層壓板的破壞機理。當縫線周圍纖維束的編差角嚴重時,形成彎折破壞(表現在圖的右邊彎曲區(qū))在脫層區(qū),縫合起橋接作用時,強度由cox公式決定;若CsEs值很小,橋接作用消失,分層由不縫合公式控制。對于,很小,CsEs值又較大時,纖維束發(fā)生斷裂。
23三維聯鎖機織復合材料在軸向壓縮載荷下,三維聯鎖機織物也會由于形成彎折而破壞11,但不象縫合層壓板那樣接近脆性。彎折帶都只限于一束排齊的纖維束,不會災難性的擴及到相鄰纖維束。較終破壞只是分布在復合材料體積內很多個別彎折累積影響的結果,己測到的破壞應變?yōu)?偏離的纖維束可看成是幾何缺陷,它們有各自的強度或臨界局部應力。彎折形成的特性取決于缺陷的強度和空間分布。峰值壓縮應力取決于纖維束中偏離波動的統計特性。由于偏離的存在,峰值載荷要比等價的預浸帶層壓板低一些。
在受壓縮的三維機織物中,通常觀察到局部分層。只要厚度方向的強發(fā)揮效應,分層裂紋擴展就會受到限制,也不會因分層纖維束的歐拉屈曲而破壞。
24三維編織復合材料三維編織物破壞機理研究較少,只進行了在載荷控制下的實驗,而這種實驗無法證實破壞后的彎折帶。在三維編織物中,只是名義上直的排列整齊的纖維束比例較大12~13.實際上彎折亦為這種復合材料破壞的主要機理。
3拉伸在軸向拉伸下,幾乎所有的載荷都由順載荷方向的纖維束承受,它們的斷裂是主要破壞機理。但是由于基體的拉伸或剪切破壞對有的織物結構在很低載荷下產生非線性。由于基體把復合材料中相鄰纖維上的缺陷耦合到一起,如一根纖維斷裂,相鄰纖維上就有較大的應力集中,使得單向復合材料的強度比裸纖維的強度低。在紡織復合材料中,纖維束的強度會更低。這是由于紡織工藝對纖維束的損傷;纖維束的卷曲使其剛度降低,造成載荷不均勻分布;存在編斜纖維束,它較直纖維束會弱一些;相鄰的交織纖維束加在纖維束上側向載荷,會降低它們的強度諸因素的結果。
拉伸載荷下一個常見的剪切塑性現象是彎折纖維束的塑性拉直。仿Argon定律,T=丨水此時與局部偏離角成正比的剪切應力軸向分量必須大于剪切流動應力(p為剪切塑性軸向臨界應力)當拉伸載荷與主纖維束組不一致時,纖維束的斷裂可能導致剪切破壞或橫向開裂引起破壞5 14.如平紋機織物或三維聯鎖機織物中的纖維束在*45*方向加載荷時,就會成為纖維束的偏角剪切問題。以下主要討論載荷沿某一組主要纖維束時的破壞機理。
3.1二維機織物和三軸編織物復合材料在拉伸載荷作用下,二維機織層壓板中較初的軟化是由于在橫向纖維束內、在兩個方位的纖維束周圍和層間出現的微裂紋造成f51.在沿軸向纖維束受載荷的三軸編織物中,通常首先在主要受剪切應力的偏軸紗中出現微裂紋。在較高的應變下,軸向纖維束的塑性拉伸會在達到峰值載荷前出現非線性。
3.2縫合復合材料在縫合層壓板中,主要裂紋體系是在橫向層中垂直加載方向呈周期變化的裂紋和偏軸層中的剪切裂紋。較終的破壞伴有沿載荷方向層的斷裂101.縫合可減少高應變時分層,且對極限強度或破壞應變影響較小。
3.3三維聯鎖機織復合材料在三維聯鎖機織物中,裂紋首先出現在與載荷垂直的橫向纖維束之間。在橫向纖維束內的裂紋較少。其它裂紋則沿經向織造紗(聯鎖纖維束)的路徑擴展。當載荷超過峰值載荷一半時,由于纖維束的塑性拉直而出現軟化。三維聯鎖機織中限制強度的是軸向纖維束的斷裂。當一根纖維束破壞時,損傷不會擴展到相鄰纖維束,而纖維束斷裂的位置分布很廣,纖維束被拉出較長。
4彎曲觀察層壓板的破壞可能是受壓邊的分層和受拉邊的纖維斷裂。再者,彎曲在自由邊或缺口附近產生剪應力時,可能會在型和混合型狀態(tài)下產生分層裂紋擴展。在二維層壓板中的裂紋擴展會造成災難性后果。
厚度方向的強改變了型的分層機理,即對裂紋進行橋接,并使斷裂面免受剪切的驅動。如使用縫合層壓板,用端部帶缺口的彎曲試驗(ENF),其型斷裂韌性可加2~3倍15~16.曲面結構在面內矩作用下,沿厚度方向可出現拉伸分層。如曲壁板外表面產生壓縮應力()),中面附近出現的較大拉應力講),接著強性理論和分層問題的研究TM,表示為h是壁板厚度一半;是中面半徑;是無量綱函數。
若厚度方向用縫合強,對分層裂紋起到橋接作用,抑制分層裂紋擴展。
5缺口構件的拉伸和壓縮缺口對破壞應變或層壓板強度的影響,己引起設計者的關注。紡織復合材料通常對缺口不敏感。在拉伸和壓縮情況下,缺口處形成內聚區(qū)或非線性區(qū),朝著降低應力集中系數并使極限強度退化較小。
內聚區(qū)使缺口附近載荷重新分布。其機理是允許明顯的局部位移,但又不完全喪失強度。內聚區(qū)是用它所支持的拉力P,和在周圍彈性材料中所引入的位移(2u)來表征。復合材料缺口的敏感性主要取決于纖維強度和斷裂功(Wf)18.以三維聯鎖機織復合材料拉伸的研究為例,看到離缺口較遠處,較早的損傷是基體裂紋,它對Wf和缺口效應的貢獻較小。在靠近缺口地方,出現軸向纖維束的塑性拉直和斷裂,這些影響將包括在p(u)中。纖維束的斷裂將確定內聚區(qū)內所能支持的較大拉力Pmax.隨著纖維束的斷裂,它將穿過斷裂面從復合材料中拉出時,內聚拉力仍將繼續(xù)受到支持,當纖維束被完全拉脫,就出現了無拉力的裂紋。
在紡織復合材料中,當纖維束斷裂之后,己斷纖維束端頭與周圍復合材料脫膠拉出,但在這過程中遭到特別強的摩擦阻抗。這一特性與纖維束的卷曲度和其它不規(guī)則性以及聯鎖纖維束的夾緊影響,共同起了鎖緊作用,限制著拉出。再者,三維復合材料中,受到拉伸時,厚度方向的強將產生壓縮,又加了鎖緊。拉伸達峰值載荷后,隨著纖維束的拉出,只能承受很小的載荷,但出現高應變,復合材料進一步拉長時,把破壞部位的載荷向四周傳遞,達到應力重分布。
紡織復合材料有較高的斷裂功,如前述三維聯鎖機織復合材料Wf達1W/M2,所以對缺口特別不敏感。
6結束語紡織結構復合材料的破壞機理,受到織物的幾何和載荷情況諸因素的影響,為得到準確的判斷,必須經過反復試驗,建立理論模型,進行綜合性的分析研究。當前,在不同的織物結構中,機織復合材料和縫合復合材料研究較多,且得出較滿意結果。對于三維編織復合材料,尚未見到詳細的資料。從所受載荷情況看,單調壓縮的破壞機理研究較充分,其它受力情況,只是作了初步觀察,得到一些試驗數據。
總之,由于紡織結構復合材料是20世紀后期才發(fā)展起來的新型材料,破壞機理的研究僅處在初始階段,隨著今后廣泛使用,它的研究定會有新的、更快的發(fā)展。



