三维全五向编织复合材料细观结构实验分析

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1、2016年2月第42卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2016V01．42No．2http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0084三维全五向编织复合材料细观结构实验分析刘振国+，亚纪轩，林强，王一博，胡龙(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：对三维(3D)全

2、五向编织复合材料的细观结构进行了实验研究，三维全五向编织复合材料是一种新型的编织复合材料，其细观结构对预测材料的性能有重要作用。采用显微计算机断层成像(micro—CT)技术得到了三维全五向编织复合材料的截面图片，通过在碳纤维试件中混编入少量玻璃纤维作为示踪纱，提高了示踪纤维束在截面图片中的的对比度。并通过三维重建得到纤维束实体模型，结合CAD技术对纤维束的横截面形状与空间走向进行了研究。结果表明：编织纱与轴纱纤维束的截面形状在材料不同区域与不同的花节高度内是变化的；在不同区域，编织纱的空间走向也是不

3、同的；而轴纱在空间上基本保持伸直。由于编织纱对轴纱的挤压使轴纱表面产生螺旋状的压痕。关键词：复合材料；编织；三维全五向；显微计算机断层成像(micro．CT)；模型中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)02-0211-0720世纪80年代以来，三维(3D)编织技术及三维编织复合材料应用得到迅速发展⋯。三维编织复合材料不需缝合和机械加工，具有良好的综合性能指标，如高的比强度、比模量、高的损伤容限和断裂韧性，耐冲击、不分层、抗开裂和疲劳旧o。为了克服三维五向编织复合材

4、料轴向性能上的缺陷，笔者¨1提出了一种新型的三维全五向概念，由该形式制成的预型件及复合材料定义为三维全五向编织预型件及三维全五向编织复合材料。关于三维编织复合材料的细观结构与纤维束的横截面形状已有一些学者做了不少工作”⋯，但都集中于三维四向与三维五向这2种编织形式，对三维全五向的内部结构与其纤维束横截面形状研究的却很少。在对三维全五向编织复合材料的细观结构研究中，Zhang等⋯建立了单胞模型，将编织纱与轴纱纤维束的横截面形状分别假设为六边形与正方形，这一假设是基于空间想象并结合纱束间几何关系的推导得到

5、的，与纤维束的实际横截面形状不一定相符。然而编织结构中纤维束横横截面形状是三维编织复合材料单胞几何建模的重要组成部分，而且单胞几何模型的真实性又直接影响着三维编织复合材料力学性能预测的准确性。因此，基于实验研究得到纤维束的真实结构是准确预测材料性能的前提。本文中采用显微计算机断层成像(micro．CT)对树脂基三维全五向编织复合材料的内部结构进行实验观察。首先，得到了一系列截面图片，经过三维重建得到纱束的三维实体模型；其次，结合CAD技术获得纤维束空间走向和其横截面形状；最后，针对实验结果进行了分析，

6、为进一步研究材料的细观结构模型和性能仿真计算奠定了基础。1三维全五向编织原理三维编织复合材料的内部结构主要由编织工收稿日期：2015-02-06；录用日期：2015-04-28；网络出版时间：2015-05-2115：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20150521．1557．010．html}通讯作者：Tel．：010-82314980E—mail：liuzg@buaa．edu．Bn引用格式：刘振国，亚纪轩，林疆，等．三维全五向编织复合材料细观

7、结构实验分析fJJ．北京航空航天大学学报，2016．42但J：211—217．LIUZG，YAJX，LINQ，eta1．Experimentalanalysisonmicro-stroetureofthree-dimensionalfullfive·directionalbraidedcompositesfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(2)：21卜2j7finChinese)．212北京航空航天大学学

8、报艺决定。三维全五向编织预成型件是在通过传统4步法编织技术交织形成的三维五向编织结构(如图l所示)的编织纱的交叉路径形成的空隙内，沿编织轴向方向添加轴向纱，即三维全五向编织结构在每个编织纱的交叉路径形成的空隙内均存在轴向纱【71。·●．·／矾轴纱·r／舳轴纱●·?7．，／编织纱···：·j．／／／编织纱●——空隙··．_一全千]’阳轴纱●图1三维五向与三维全五向的编织路径图Fig．1Sketchofthree—dimensionalfive—andful