与金属材料相比，纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强树脂复合材料具有高的比强度和比模量等巨大优势，使其迅速发展成为众多领域的基础材料。与传统的层合材料相比，MBWK织物中平行顺直的高性能衬纱及具有三维空间结构的针织捆绑纱的存在，使MBWK织物增强树脂复合材料不仅具有优异的面内力学性能^[1-5]，还具有出色地抵抗外部载荷的能力，有效改善了复合材料的层间性能^[6-7]。

在实际应用中，复合材料具有非常复杂的加载情况，除了拉伸和压缩作用力外，弯曲和扭转所产生的层间剪切作用力是其发生破坏的主要原因，因此分层成为复合材料主要失效模式^[8-9]。对于非屈曲织物增强树脂复合材料，纤维在复合材料贯穿厚度方向的含量对复合材料分层破坏的严重程度起决定性作用。Lomov等、Heß等和Crammond等^[10-12]通过三维应变场测量系统，对比了缝合前后非屈曲织物增强树脂复合材料的弯曲破坏形貌，未经缝合的复合材料出现了分层、凹面扭结和凸面拉伸破坏损伤，而缝合后的复合材料层间脱黏现象不明显，仅在压头处出现了微弱的分层，且弯曲破坏强度得到有效提高。贯穿厚度方向纤维不仅对准静态面外载荷下的复合材料损伤起到积极作用，对抵抗动态载荷同样具有非常明显的作用，低速冲击载荷下复合材料分层损伤区域的大小取决于复合材料是否存在沿厚度方向的纤维。Liu等^[9]进行了缝合前后复合材料抗冲击性能的对比研究，结果表明，贯穿厚度方向纤维的存在使复合材料在冲击载荷下的分层损伤区域减少40%，揭示出在预制体中贯穿厚度方向加入纤维可较大程度提高其承载外部载荷的能力^[13-14]。

MBWK织物作为纬编产品中最具潜力的产业用纺织品，其1+1罗纹捆绑结构使复合材料不仅具有优异的三维曲面成型性能和面内力学性能，且使其在厚度方向的力学性能得到有效改善。基于此，对MBWK织物及MBWK织物增强复合材料三维曲面成型性能和面内力学性能的研究已相当深入，其中Jiang等^[5,15]、张卓^[16]和张艳明^[17]对MBWK织物面内力学性能和三维曲面成型性能已进行了全面而深入的研究，通过力学建模探讨了织物拉伸性能、弯曲性能和面内剪切性能，并通过改进的铰链连接网(PJN)模型建立了织物的半球曲面成型模型，有力推动了MBWK织物在航空航天、车船制造等领域的应用。Qi等^[3,7]、Pei等^[18]、Dai等^[19]和Ullah等^[20]在MBWK织物研究已相当深入的基础上，通过树脂传递模塑成形工艺(RTM)制备了MBWK织物增强树脂复合材料，研究了复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能等，揭示出MBWK织物增强树脂复合材料中平行顺直的高性能纱线的存在使其基本力学性能得到了明显改善，与机织物增强树脂复合材料相比，其性能提高了20%～30%。然而，到目前为止，MBWK织物中1+1罗纹捆绑结构产生厚度方向纱线具有的优势却没有得到深入研究，其在厚度方向的影响没有确切的实验依据。

本文制备了芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料，通过三点弯曲试验和短梁剪切试验研究了其层间性能，并与传统涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间性能进行了对比研究。采用Aramis V6三维应变场测量系统对MBWK织物增强环氧树脂复合材料侧面的断裂形貌进行观测，揭示了复合材料受到外部载荷时的失效形式。

1.   实验材料及方法

1.1   复合材料制备

本文纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强环氧树脂复合材料所采用的捆绑纱分别为涤纶低弹丝和芳纶，其中涤纶低弹丝和芳纶的细度分别为75 D×2和130 D，衬纱采用东丽T300-3K碳纤维，织物密度为641.3 g/m²，基体为热固性TDE-85环氧树脂，表1为MBWK织物增强环氧树脂复合材料的原材料性能参数。

表  1  纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强树脂复合材料的原材料基本性能

Table  1.  Basic materials properties of multilayered biaxial weft knitted (MBWK) fabric reinforced epoxy composites

Materials	Tensile property/MPa	Tensile modulus/GPa	Density/ (g•m−2)
Carbon	3 530	230	1.76
Polyester	767	14	1.37
Aramid	2 923	70	1.44
TDE-85 epoxy	100	3.38	1.17

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MBWK织物是由天津工业大学复合材料研究所于1999年在横机设备上开发成功的专利产品，通过树脂传递模塑成形工艺(RTM)分别制备芳纶捆绑和涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料，两种增强材料除捆绑纱种类不同外，其他参数相同。RTM成型工艺的操作过程为：先将裁剪好的MBWK织物称重后平整地铺放在模具中，并置于烘箱中充分预热。再将TDE-85环氧树脂和固化剂以一定的配比充分混合后，倒入反应釜中，静置15 min使气泡消失。采用气压泵将模具抽成真空状态，以0.35 MPa的压力将树脂注入模具，直到织物完全浸透。最后将模具放入高温烘箱中进行固化，待模具冷却至室温后脱模。制备的不同捆绑纱类型的MBWK织物增强环氧树脂复合材料如图1所示。

图  1  不同捆绑纱类型的MBWK织物增强环氧树脂复合材料照片

Figure  1.  Photograph of MBWK fabric reinforced epoxy composites with different kinds of binding yarns((a) Aramid-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites; (b) Polyester-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites)

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将制备好的复合材料根据JC/T 773—2010^[21]加工短梁法测试试样，根据GB/T 1449—2005^[22]加工弯曲测试试样，试样铺层顺序为[0/90/0/90]，单层板厚度为1 mm，如图2所示。MBWK织物增强环氧树脂复合材料试样的形状和尺寸如图3所示。由于Aramis V6非接触式三维应变场测量系统电荷耦合镜头仅仅能够采集到黑白灰度图像，因此需在试样侧面喷涂散斑，图3(c)和图3(d)分别为MBWK织物增强环氧树脂复合材料拉伸试样和弯曲试样喷涂后的侧视图。

图  2  芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料铺层情况

Figure  2.  Layering of aramid-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites

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图  3  MBWK织物增强环氧树脂复合材料弯曲和层间剪切试样尺寸及形状

Figure  3.  Size and shape of bending and interlaminar shear specimens of MBWK fabric reinforced epoxy composites((a) Front view of bending specimen; (b) Front view of interlaminar shearing specimen; (c) Side view of bending specimen; (d) Side view of interlaminar shearing specimen)

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1.2   实验测试方法及装置

复合材料三点弯曲测试按照GB/T 1449—2005^[22]进行，跨度与板厚比为16∶1，压头半径和支座半径均为5 mm，加载速度为2 mm/min，使用日本岛津AG-250KNE万能材料试验机进行测试，精度为0.5级。并通过德国Gom公司的Aramis V6非接触式三维应变场测量系统观测试样侧面应变变化。复合材料层间剪切测试按照JC/T 773—2010^[21]进行，跨度与板厚比为4∶1，其他参数与复合材料弯曲测试相同。每组实验分别进行5次。测试装置如图4所示。

图  4  实验测试装置

Figure  4.  Testing devices

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2.   结果与讨论

2.1   芳纶捆绑对MBWK织物增强环氧树脂复合材料弯曲性能的影响

图5为芳纶捆绑及涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能。可以看出，较涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了14.21%和25.49%，由于芳纶纤维拉伸强度明显高于涤纶低弹丝，因此芳纶作为捆绑纱可有效改善MBWK织物增强环氧树脂复合材料层间分层，从而显著提高复合材料的层间性能。

图  5  芳纶捆绑和涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能

Figure  5.  Bending properties of aramid-binding and polyester-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites

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2.2   芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲失效模式

图6为芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料弯曲失效时的侧面应变分布及压头处沿厚度方向上纵向应变的分布情况。可知，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到面外载荷时，中性面附近即当厚度为1.65 mm(试样总厚度为4 mm)时，沿X方向的应变为0，中性面以上应变为正值，即沿X正方向，中性面以下应变为负值，即沿X负方向，且纵向应变分布区域出现了明显的分层。说明芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到弯曲载荷时，复合材料中性面以上受压，中性面以下受拉。同时，由图6(a)可以发现，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到面外弯曲载荷时，复合材料所受应变均分成四个明显的应变区域，在中性面以上出现明显的压应变，中性面以下出现明显的拉应变。由于芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料具有特殊的结构，织物内部三层碳纤维衬纱层通过捆绑纱捆绑，形成在厚度方向存在一定比例芳纶捆绑纱的整体织物，再将四层该织物以铺层的方式形成复合材料。因此芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的织物层之间仅有树脂的黏结作用，当复合材料受到剪切作用力时，织物层之间的树脂黏结强度远小于织物内部由于捆绑作用形成的碳纤维衬纱层的剪切强度，因此出现了四层界限明显的应变分布区域，说明芳纶捆绑纱起到有效抑制分层的作用。

图  6  芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲失效模式

Figure  6.  Bending failure mode of aramid-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites(Epsilon X—Longitudinal strain)​

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2.3   芳纶捆绑对MBWK织物增强环氧树脂复合材料层间剪切性能的影响

图7为芳纶捆绑和涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度。可以看出，较涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了12.70%，同复合材料的弯曲性能相似，造成芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度提高的主要原因是芳纶纤维强度明显高于涤纶低弹丝，表明强力高的芳纶纤维会明显改善芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间性能。

图  7  芳纶捆绑和涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度

Figure  7.  Interlaminar shear strength of aramid-binding and polyester-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites

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2.4   芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切失效模式

MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切破坏模式完全不同于长梁弯曲情况，在层间剪切试验中，试样主要由于层间剪切应力的作用导致试样发生破坏，不会发生纵向纤维的断裂。图8为芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切失效模式。由图8(a)可知，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的纵向应变(Epsilon X)和层间剪切应变(Epsilon XZ)在中性面区域内较大，随着载荷的继续增大，其他区域的层间剪切应力达到该区域的最大破坏应力而发生破坏，导致复合材料发生多层的分层破坏模式。 由图8(b)可知，纵向应变和层间剪切应变最大值出现在芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料受压面压头处区域，之后应变骤降直至接近0。在中性面即厚度为2 mm附近，纵向应变曲线和层间剪切应变曲线出现了一个波峰，应变值较大，此时出现层间破坏的可能性最大。

图  8  芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间剪切失效模式

Figure  8.  Interlaminar shear failure mode of aramid-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites(Epsilon XZ—Interlaminar​​​​​​​ shear strain )

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2.5   芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间破坏形貌

复合材料在受到弯曲载荷时，其失效模式主要有受压面的压缩失效、受拉面的拉伸失效及层间的剪切失效等。其中，压缩失效和拉伸失效最为常见，主要发生纤维和树脂的弯曲、破裂、树脂的脆性断裂及纤维的断裂和拔出，剪切失效一般发生在复合材料内部层与层之间。然而，复合材料在受面外载荷作用下，层间失效取决于复合材料内部每个单层所承受的最大应力。

图9为芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料受面外载荷时的层间破坏情况。可以明显看出，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料主要在拉伸侧发生失效，且拉伸侧的失效形式主要为纤维的断裂，并伴随着纤维拔出及分层现象，在中间层附近出现了剪切破坏。芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在中性面以上破坏程度较小，主要发生受压面树脂的碎裂，而中性面以下是复合材料受到面外载荷后的主要破坏区域，这是由于承受弯曲载荷部位主要是拉伸侧和压缩侧的外层材料，而中间层附近的材料所受拉应力和压应力都较小，起到很小的承载作用，而由于芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料中芳纶捆绑纱的存在，降低了复合材料由于层间剪切所造成的分层概率，并对受压侧的材料分层抑制作用更加明显。

图  9  芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的层间破坏形貌

Figure  9.  Interlaminar failure morphology of aramid-binding MBWK fabric reinforced epoxy composites

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3.   结 论

本文通过将芳纶作为捆绑纱制备芳纶捆绑纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强环氧树脂复合材料，研究了芳纶捆绑纱对其层间性能的影响。

(1) 芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能和层间剪切性能较涤纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料明显提高，弯曲强度和层间剪切强度分别提高了14.21%和12.70%，弯曲模量提高了25.49%。

(2) 芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到面外载荷时，纵向应变(Epsilon X)和层间剪切应变(Epsilon XZ)在中性面区域内较大，此时主要发生分层破坏。

(3) 在受到面外载荷时，芳纶捆绑纱起到有效抑制芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料分层的作用。芳纶捆绑纱有效降低了芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料由于层间剪切所造成的分层概率，并对受压侧的复合材料分层抑制作用更加明显。