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

材料工程与机械制造

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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

^1.南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京　210000
^2.西北工业大学民航学院，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:
国家科技重大专项(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

^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

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。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

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参考文献 21

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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

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