Compression and bending properties of 3D braided tubular composites
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摘要: 三维编织复合材料管件在承力结构件中有广泛应用。纤维性能对其承载时变形和失效演化的影响机制是亟需解决的问题。本文探究了高模高强和高韧性两种纤维增强管件复合材料的失效行为，通过轴向压缩和三点弯曲试验，借助DIC技术，研究了不同纤维管件编织复合材料的力学性能。结果发现：高强高模管件更早发生变形分布变化，变形主要集中在发生剪切滑移的区域。高韧性管件较晚出现变形分布变化，变形逐渐集中到中间“鼓包”区域；高强高模管件的压缩和弯曲强度比高韧性管件分别高56%和50%；压缩和弯曲能量吸收比高韧性管件分别高20.9%和68%。这说明纤维的高强高模可以弥补其韧性差而导致吸能较少的弱点。本研究可为三维编织管件复合材料的设计提供理论指导。Abstract: 3D braided tubular composites have a wide range of applications in load-bearing structural components. The mechanism of the influence of fiber properties on their deformation and failure evolution during load bearing is a pressing issue. In this paper, the failure behavior of two kinds of fiber-reinforced tubular composites, high-modulus high-strength and high-toughness, was investigated. Through axial compression and three-point bending tests, with the help of DIC technology, the mechanical properties of different fiber braided tubular composites were studied. It is found that the deformation distribution of the high-strength high-modulus tubular composites changes earlier, and the deformation is mainly concentrated in the region where shear slip occurs. The deformation distribution change of high-toughness tubular composite occurs later, deformation gradually concentrates in the middle of the “bulging” region; high-strength high-modulus tubular’s compression and bending strength are 56% and 50% higher than that of high-toughness tubular composites; It’s compression and bending energy absorption are 20.9% and 68% higher than that of high-toughness tubular composites, respectively. This indicates that the high strength and high modulus of fibers can make up for the weakness of their poor toughness resulting in less energy absorption. This study can provide theoretical guidance for the design of 3D braided tubular composites.
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三维编织复合材料因具有整体编织的网状结构，可设计强、比强度高、比模量大等优异性能，被广泛用于航空航天、汽车部件、运输管道等领域[1-3]。管件是实际工程应用中较为常见的构件之一，利用编织结构制作的复合材料管件不但具有较高的损伤容限，其能量吸收能力也远远大于同尺寸规格普通金属吸能装置[4-6]。
圆型管状结构是三维编织复合材料实际应用中最为常见的结构形式之一[7]，其可被运用为航空航天用相贯圆管接头、输水输油管道、汽车传动轴、辊轴、自行车多通件等[8, 9]。随着我国“双碳”战略的实施[10]，碳纤维自行车成为新型环保交通方式之一。圆管构件在自行车日常行驶中经常会受到弯曲和压缩载荷的作用，因此，对三维编织圆管复合材料的压缩、弯曲性能研究十分有必要。
Lapena等[11]利用纤维缠绕法制备了玄武岩纤维(BF)与玻璃纤维(GF)环氧复合管，对比探究二者的力学性能。结果显示：BF复合材料管抗拉强度和层间剪切应力均优于GF复合管。BF复合材料管抗拉强度比GF复合材料高45%；Lehtiniemi等[12]采用纤维缠绕法制备了亚麻和粘胶纤维管状复合材料样品，与E-玻璃纤维复合材料相比发现：E-玻璃纤维复合材料的性能更好。Thirumavalavan等[13]制备了不同纤维体积分数的玄武岩/E-玻璃纤维复合管，通过对比发现：提高25%玄武岩纤维的含量可增强复合材料管的力学性能，玄武岩纤维的加入提高了E-玻璃纤维复合材料管的抗压性能，提高了管的强度和刚度系数。杜刚等[14]利用二维编织机和热膨胀软模成型工艺制备复合材料圆管，并在圆管的顶端加上碳纤维，探究碳纤维对圆管轴向压缩性能的影响。试验研究表明，当圆管受到轴向压缩载荷作用时，管的径向都将发生压胀现象，且随载荷的增加而增加，碳纤维加强的管件能降低管件径向的变形，管件的抗压缩性能显著提高。通过上述研究发现：纤维性能对复合材料管件的力学性能有显著影响，但是不同纤维复合材料管件的变形和失效演变过程还不清楚，这是目前亟需解决的问题。
碳纤维(Carbon fiber，CF)是目前复合材料领域最常见的高性能纤维之一。其具有比强度和比模量高的特点[15-17]；超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight Polyethylene，UHMWPE)具有良好的韧性，成为军事防护领域重要的高性能材料[18-20]。本文通过控制变量法制备三维编织碳纤维圆管复合材料和UHMWPE纤维圆管复合材料，通过轴向压缩测试和三点弯曲测试对比研究不同纤维种类增强体的圆管复合材料力学性能的差异，并分析这两种复合材料圆管的失效机制，为不同应用领域管件复合材料的设计提供理论指导。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
编织纱分别为购自威海拓展纤维有限公司的T700-12K碳纤维和浙江千禧龙特种纤维有限责任公司的QXLG-400D的UHMWPE纤维；基体采用购自常熟佳发化学有限公司的环氧树脂，牌号为JC-02A/B；原料质量配比为环氧树脂∶固化剂=100∶85。材料力学性能参数分别如表1、表2所示。
表 1 碳纤维力学性能参数Table 1. Mechanical property parameters of carbon fiberName Norm Density /(g·cm−3) 1.8 Tensile strength /GPa
Elongation at break /%5.31
2.18Tensile modulus of elasticity /GPa 240 表 2 UHMWPE纤维力学性能参数Table 2. Mechanical property parameters of UHMWPE fiberName Norm Density /(g·cm-3) 0.97 Breaking strength /GPa
Elongation at break /%3.0
3.83Modulus of rupture /GPa 130 1.2 圆管预制件的制备及固化
圆管预制件采用四步法三维编织[21]技术，通过控制变量法保证编织角度、花节高度等参数一致。试验以硅胶圆棒为芯模，碳纤维和UHMWPE纤维分通过四步法循环编织成型，纱线集束于芯模上，形成碳纤维圆管预制件和UHMWPE纤维圆管预制件。图1为圆管复合材料的制备过程。
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图 1 圆管复合材料制备过程：(a)预成型体编织示意图；(b)四步法圆形编织；(c)固化工艺示意图Figure 1. Preparation process of tubular composites: (a) Schematic diagram of preform braiding; (b) Four-step circular braiding; (c) Diagram of curing process采用真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM)技术进行树脂与纤维预制件的固化。VARTM技术由于抽真空技术有效提高了树脂对纤维的浸润能力，增加纤维对树脂的比例，提高纤维的体积含量[22, 23]。固化工艺条件为先90℃ 固化2 h，然后升温至110℃ 固化1 h，随后再升温至135℃ 固化 6 h，最后冷却至室温拆模。模具为内径25 mm，壁厚3 mm的铝管经过线切割所得，为保证实验准确性，线切割精度低于20丝。表3为固化后两种圆管复合材料试样的参数。
表 3 圆管复合材料试样参数Table 3. Parameters of tubular composite specimenSample name Braiding angle /(°) Fiber volume fraction /% Carbon fiber 35.8 36.5 UHMWPE 35.7 34.8 1.3 轴向压缩试验
碳纤维圆管复合材料和UHMWPE纤维圆管复合材料轴向准静态压缩试验参照《纤维增强塑料压缩性能试验方法》(GB/T1446-2005标准)[24]进行测试。压缩样品尺寸(见图2)为长(l)×直径(d)=20×25.2 mm。电子万能试验机以恒定速率沿试样轴向进行压缩，使得试样破坏或者高度减小到预定值。在整个过程中，测量施加在试样上的载荷和试样高度变化，根据位移载荷测定数值来计算强度和压缩应力，加载速度为2 mm/min。试样个数为5件。采用高速摄影仪记录试样的压缩破坏过程。通过数字图像相关法(Digital image correlation，DIC)，将试样表面进行散斑处理，通过相关计算获取区域的变形信息。
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图 2 压缩测试样品：(a) CF圆管侧面图；(b) CF圆管正面图；(c) UHMWPE圆管侧面图；(d) UHMWPE圆管正面图Figure 2. Diagrams of compression test samples: (a) Side view of CF tubular composite; (b) Front view of CF tubular composite; (c) Side view of UHMWPE tubular composite; (d) Front view of UHMWPE tubular composite1.4 弯曲性能试验
弯曲性能测试的试样规格尺寸参照《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》(GB/T1449-2005)[25]并结合实际进行样品的弯曲性能测试，将试样切为长(l)×直径(d)＝150×25.2 mm的圆柱形，厚度h为25.2 mm。试样具体形貌见图3。采用电子万能试验机测试材料的弯曲强度，施加速度为2 mm/min的速度载荷，测试有效数据不少于3个。
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图 3 管件复合材料弯曲测试试样：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 3. Flexural test specimens of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE2. 结果与讨论
2.1 轴向压缩试验结果与分析
通过轴向压缩实验，探究了三维编织碳纤维圆管复合材料和UHMWPE纤维圆管复合材料的应力-应变曲线及主要力学性质，分析得出两种复合材料的失效机制。通过DIC技术处理，揭示了管状复合材料变形演化过程。
2.1.1 圆管复合材料压缩应力-应变响应
图4为圆管复合材料的压缩应力-应变曲线，图4(a)是碳纤维应力-应变曲，图4(b)是UHMWPE纤维应力-应变曲线。结果显示：碳纤维圆管试件压缩应力随应变增加而增加，直到达到最大强度后，开始迅速下降，其呈现出脆性失效特征。UHMWPE纤维试件压缩应力随应变的增加而增加，达到最大强度后，缓慢下降，其呈现出韧性失效的特征。这是由于碳纤维剪切性能差，失效应变小，变形能力差，因此到达最大应变后，应力迅速下降，呈现出脆性破坏。而UHMWPE纤维韧性好，失效应变大，变形能力更好，因此在压缩变形过程中，其应力-应变曲线到达最大值之后，会有明显的塑性变形过程，应力缓慢下降。图5为圆管复合材料破坏形貌图，图5(a)是碳纤维管件破坏形貌图，图5(b)是UHMWPE纤维管件破坏形貌图。图5(a)可以看出：碳纤维管件复合材料破坏形貌有明显的剪切裂纹，图5(b)可以看出UHMWPE复合材料最终破坏形貌没有明显裂纹出现，只是在管件中间出现“鼓包”变形。这说明UHMWPE复合材料变形能力强，韧性好；碳纤维变形能力差，表现出脆性剪切失效特征。图6为管件复合材料变形演化过程图。图6(a)是碳纤维变形演化过程，图6(b)是UHMWPE纤维变形演化过程。从图6(a)可以看出碳纤维在17.4 s时变形分布就发生明显变化，管件变形在剪切带两侧变形有明显差异，变形主要集中在发生剪切滑移的区域。随后，随着加载时间的增加，剪切带两侧变形差异会逐渐增加，在38.6 s时，应力接近峰值，约为126 MPa，此时管件变形分布值最大。从图6(b)可以看出UHMWPE纤维管件在开始阶段变形比较均匀，直到58.2 s时变形分布才发生显著的变化，变形逐渐集中到中间“鼓包”区域。在73.4 s时，其应力值接近峰值，约为39.06 MPa。这也说明碳纤维在压缩变形过程中韧性差，失效应变小，变形能力差，因此当载荷逐渐增加，碳纤维管件很快发生变形分布的变化；而UHMWPE纤维韧性好，失效应变大，变形能力好，所以在加载时间增加一段时间之后才发生明显的变形分布变化。图7是复合材料管件压缩应力-应变曲线演化过程图。图7(a)是碳纤维管件压缩应力-应变曲线演化过程图，图7(b)是UHMWPE纤维管件压缩应力-应变曲线演化过程图。从图7(a)可以看出：碳纤维管件在B点处变形分布发生明显变化，此时试样受力还未达到其最大承载极限，其应力值仅为应力峰值的43%，即碳纤维管件发生局部应变时，还远未达到其承载极限。直到应变继续增加至7%左右，试样承载能力才开始下降。这说明碳纤维管件压缩承载极限和应变集中并不是同时出现，而且局部的应变集中远在试样达到承载极限之前就已经出现。在图7(b)可以看出：UHMWPE纤维在B点变形分布发生显著变化，此时其应力为应力峰值的92%。由此可见，UHMWPE纤维管件显著的局部应变集中也出现在应力峰值之前，但是其出现时间较碳纤维管件更晚，说明在压缩过程中UHMWPE纤维管件的变形较碳纤维管件更加均匀，试样变形更倾向于整体应变而非局部的集中应变。
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图 4 圆管复合材料压缩应力-应变曲线：(a)碳纤维；(b) UHMWPE纤维Figure 4. Compressive stress-strain curves of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE![]()
图 5 管件复合材料压缩后形貌破坏图：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 5. Morphological damage diagrams of tubular composites after compression: (a) CF; (b) UHMWPE![]()
图 6 复合材料管件压缩变形演化过程图：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 6. Plot of the compression deformation evolution process of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE![]()
图 7 复合材料管件压缩应力-应变曲线演化过程图：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 7. Plot of the evolution of compressive stress-strain curves of composite pipe fittings: (a) CF; (b) UHMWPE2.1.2 主要力学性质分析
图8为管件复合材料压缩过程主要力学性质对比图。图8(a)为强度和模量对比，图8(b)为能量吸收对比。由图8(a)可知：碳纤维管件平均压缩强度为110.94 MPa，比UHMWPE纤维管件高56%；碳纤维管件初始模量为20.39 GPa，比UHMWPE纤维管件高64.8%。由图4二者压缩应力-应变曲线对比可知：碳纤维管件最大应力值高于UHMWPE纤维管件。二者达到峰值时，若应变量均增加0.5%时，碳纤维复合材料呈现的是“断崖式”下降，下降百分比为14%，而UHMWPE复合材料则是“波动形”下降，有一定的缓冲区，下降百分比为0.72%。图8(b)可以看出：碳纤维管件复合材料压缩过程中能量吸收值为508 J，比UHMWPE纤维材料能量吸收值高20.9%，这说明在管件准静态压缩过程中，纤维的高强高模可以弥补其韧性差导致吸能较少的弱点。
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图 8 复合材料管件压缩过程主要力学性质对比：(a)强度和模量；(b)能量吸收Figure 8. Comparison of the main mechanical properties of tubular composite during compression: (a) Strength and modulus; (b) Energy absorption2.2 弯曲性能试验结果与分析
图9为管件复合材料弯曲载荷-位移曲线。可知：碳纤维管件和UHMWPE管件随着位移的增加，弯曲载荷逐渐增加，到达载荷最大值后缓慢下降。UHMWPE圆管复合材料的最大载荷量远低于碳纤维，当载荷达到峰值时，继续增加相同的位移量，碳纤维圆管复合材料弯曲载荷下降得更快。这是由于碳纤维受到在弯曲破坏时，其变形能力差，失效应变小，材料呈脆性失效模式，弯曲载荷迅速下降；UHMWPE纤维韧性好，变形能力强，因此继续增加载荷，材料发生韧性变形，具有一定的缓冲作用，弯曲载荷下降缓慢。图10为圆管复合材料弯曲测试过程高速摄影图。图10(a)是碳纤维管件复合材料弯曲过程图，图10(b)是UHMWPE纤维管件弯曲过程图。由图10(a)可知碳纤维试样在受到弯曲的应力作用时并不会立即失效，会出现较为明显的弯曲现象，随着载荷的增加弯曲现象逐渐加大。图10(b)可以看出UHMWPE材料在受到载荷作用时有很明显的变形，其弯曲程度相较于碳纤维更加明显，这表明UHMWPE纤维韧性好，受力弯曲变形大，而碳纤维抗弯曲性能更好。图11为三维编织管件复合材料弯曲试验表面形貌图，图11(a)为碳纤维管件形貌图，图11(b)为UHMWPE纤维管件形貌图。由图11可以看出：三维编织管件复合材料受到弯曲载荷时仅会出现少许树脂基体脱落，不会出现明显的分层现象及破坏。而陈静等[26]和余海燕等[27]通过对碳纤维层合板进行三点弯曲测试，从表面形貌图发现试样均产生裂纹及分层现象。这表明三维编织结构由于纵向纱的加入，织物的整体结构性会加强，抗分层性效果更好，三维编织结构更适合对织物整体性要求高的领域。图12为能量吸收和弯曲强度对比。可知：碳纤维圆管复合材料在弯曲强度为38.63 MPa，比UHMWPE纤维材料强度高出50%；碳纤维管状复合材料弯曲能量吸收值为463.1 J，比UHMWPE材料高出68%。这说明碳纤维圆管复合材料抗弯曲性能更好，强度和能量吸收都更好。
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图 10 圆管复合材料弯曲测试过程高速摄影图：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 10. High-speed photograms of the bending test process of tubular composites: (a) CF; (b) UHMWPE![]()
图 11 三维编织管件复合材料弯曲试验表面形貌图：(a) CF；(b) UHMWPEFigure 11. Surface topography of 3 D braided tubing composites in bending test: (a) CF; (b) UHMWPE![]()
图 12 管件复合材料能量吸收和弯曲对比Figure 12. Comparison of energy absorption and bending of tubular composite3. 结 论
(1)碳纤维管件变形发生明显变化比UHMWPE管件用时短，且二者呈现不同破坏特征。碳纤维管件在17.4 s时变形分布就发生明显变化，管件在剪切带两侧变形有明显差异，变形主要集中在发生剪切滑移的区域。UHMWPE管件开始阶段变形比较均匀，直到58.2 s时变形分布才会发生显著的变化，变形逐渐集中到中间“鼓包”区域。碳纤维管件复合材料呈现明显的剪切破坏特征，UHMWPE材料呈现韧性压溃变形过程。在达到最大载荷后，若应变量均增加0.5%时，碳纤维复合材料应力值呈“断崖式”下降，下降百分比为14%，UHMWPE材料呈“波动式”下降，下降百分比为0.72%。
(2)碳纤维管状复合材料的压缩强度和吸能均优于UHMWPE材料，其压缩强度为110.64 MPa，比UHMWPE材料高56%，其能量吸收值也遵循如此，比UHMWPE材料高20.9%左右，碳纤维的高强高模可以弥补其韧性差导致吸能较少的弱点。
(3)碳纤维管状复合材料弯曲强度高于UHMWPE复合材料，当碳纤维材料弯曲强度为38.63 MPa时，比UHMWPE材料弯曲强度高出50%；碳纤维管状复合材料弯曲能量吸收值为463.1 J，比UHMWPE高68%。参考文献：
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图 1 圆管复合材料制备过程：(a)预成型体编织示意图；(b)四步法圆形编织；(c)固化工艺示意图
Figure 1. Preparation process of tubular composites: (a) Schematic diagram of preform braiding; (b) Four-step circular braiding; (c) Diagram of curing process
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图 2 压缩测试样品：(a) CF圆管侧面图；(b) CF圆管正面图；(c) UHMWPE圆管侧面图；(d) UHMWPE圆管正面图
Figure 2. Diagrams of compression test samples: (a) Side view of CF tubular composite; (b) Front view of CF tubular composite; (c) Side view of UHMWPE tubular composite; (d) Front view of UHMWPE tubular composite
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图 3 管件复合材料弯曲测试试样：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 3. Flexural test specimens of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 4 圆管复合材料压缩应力-应变曲线：(a)碳纤维；(b) UHMWPE纤维
Figure 4. Compressive stress-strain curves of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 5 管件复合材料压缩后形貌破坏图：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 5. Morphological damage diagrams of tubular composites after compression: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 6 复合材料管件压缩变形演化过程图：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 6. Plot of the compression deformation evolution process of tubular composite: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 7 复合材料管件压缩应力-应变曲线演化过程图：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 7. Plot of the evolution of compressive stress-strain curves of composite pipe fittings: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 8 复合材料管件压缩过程主要力学性质对比：(a)强度和模量；(b)能量吸收
Figure 8. Comparison of the main mechanical properties of tubular composite during compression: (a) Strength and modulus; (b) Energy absorption
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图 10 圆管复合材料弯曲测试过程高速摄影图：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 10. High-speed photograms of the bending test process of tubular composites: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 11 三维编织管件复合材料弯曲试验表面形貌图：(a) CF；(b) UHMWPE
Figure 11. Surface topography of 3 D braided tubing composites in bending test: (a) CF; (b) UHMWPE
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图 12 管件复合材料能量吸收和弯曲对比
Figure 12. Comparison of energy absorption and bending of tubular composite
表 1 碳纤维力学性能参数
Table 1 Mechanical property parameters of carbon fiber
Name Norm Density /(g·cm−3) 1.8 Tensile strength /GPa
Elongation at break /%5.31
2.18Tensile modulus of elasticity /GPa 240 
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表 2 UHMWPE纤维力学性能参数
Table 2 Mechanical property parameters of UHMWPE fiber
Name Norm Density /(g·cm-3) 0.97 Breaking strength /GPa
Elongation at break /%3.0
3.83Modulus of rupture /GPa 130
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表 3 圆管复合材料试样参数
Table 3 Parameters of tubular composite specimen
Sample name Braiding angle /(°) Fiber volume fraction /% Carbon fiber 35.8 36.5 UHMWPE 35.7 34.8
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目的
随着复合材料的发展，三维编织复合材料管件在承力结构件中得到广泛应用。纤维性能对复合材料管件的力学性能有显著影响，但是不同纤维复合材料管件的变形和失效演变过程还不清楚，本文通过制备高模高强和高韧性两种纤维增强管件复合材料，探究了纤维性能对管件编织复合材料的力学性能及其变形和失效演变过程的影响机制。
方法本文圆管预制件采用四步法三维编织技术，通过控制变量法保证编织角度、花节高度等参数一致。试验以硅胶圆棒为芯模，纤维通过四步法循环编织成型，纱线集束于芯模上，形成碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维圆管预制件，结合真空辅助树脂传递模塑工艺制备出两种纤维管件复合材料。为了探究其失效行为，本文分别参照GB/T1446-2005标准和GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》对试样进行轴向准静态压缩试验和三点弯曲试验，采用高速摄影仪记录试样的压缩破坏过程。通过数字图像相关法(Digital image correlation，DIC)，将试样表面进行散斑处理，通过相关计算获取区域的变形信息，以演示复合材料管件变形和失效过程。
结果(1)碳纤维管件变形发生明显变化比UHMWPE纤维管件用时短，且二者呈现不同破坏特征。碳纤维管件在17.4 s时变形分布就发生明显变化，管件在剪切带两侧变形有明显差异，变形主要集中在发生剪切滑移的区域。UHMWPE纤维管件开始阶段变形比较均匀，直到58.2 s时变形分布才会发生显著的变化，变形逐渐集中到中间“鼓包”区域。碳纤维管件复合材料呈现明显的剪切破坏特征，UHMWPE纤维材料呈现韧性压溃变形过程。在达到最大载荷后，若应变量均增加0.5%时，碳纤维复合材料应力值呈“断崖式”下降，下降百分比为14%，UHMWPE纤维材料呈“波动式”下降，下降百分比为0.72%。(2)碳纤维管状复合材料的压缩强度和吸能均优于UHMWPE纤维材料，其压缩强度为110.64 MPa，比UHMWPE材料高56%，其能量吸收值也遵循如此，比UHMWPE纤维材料高20.9%左右。(3)碳纤维管状复合材料弯曲强度高于UHMWPE纤维复合材料，碳纤维材料弯曲强度为38.63 MPa，比UHMWPE纤维材料弯曲强度高出50%；碳纤维管状复合材料弯曲能量吸收值为463.1 J，比UHMWPE高68%。
结论在压缩过程中高韧性UHMWPE纤维管件的变形较高强高模碳纤维管件更加均匀，试样变形更倾向于整体应变而非局部的集中应变。此外，高强高模管件的压缩和弯曲强度比高韧性管件分别高56%和50%；压缩和弯曲能量吸收比高韧性管件分别高20.9%和68%。管件的变形演化过程表明了提高纤维强度和模量可以增加其破坏失效过程中的能量吸能。
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三维编织复合材料管件以其整体性结构好、可设计强、比强度高、比模量大等优点，在航空航天、交通运输等领域的承力结构件中得到广泛应用。但纤维性能对三维编织复合材料结构件承载时的变形和失效演化过程的影响机制尚不清楚。
本文通过三维编织和真空树脂传递模塑技术制备了碳纤维和UHMWPE圆管复合材料，通过轴向压缩和三点弯曲试验，探究了高强高模和高韧性两种纤维增强复合材料管件的失效行为，借助DIC技术发现：高强高模碳纤维管件在17.4 s时变形分布发生明显变化，管件在剪切带两侧变形有明显差异，变形主要集中在发生剪切滑移的区域，在38.6 s时，管件变形分布值最大，其应力值接近峰值，约为126 MPa。高韧性UHMWPE管件开始阶段变形比较均匀，直到58.2 s时变形分布才会发生显著的变化，变形逐渐集中到中间“鼓包”区域。在73.4 s时，其应力值接近峰值，约为39.06 MPa，如
图1 所示。两种复合材料管件显著的局部应变集中都出现在应力峰值之前，但是UHMWPE纤维管件显著集中变形出现的时间较碳纤维管件更晚，说明在压缩过程中高韧性UHMWPE纤维管件的变形较高强高模碳纤维管件更加均匀，试样变形更倾向于整体应变而非局部的集中应变。此外，高强高模管件的压缩和弯曲强度比高韧性管件分别高56%和50%；压缩和弯曲能量吸收比高韧性管件分别高20.9%和68%。管件的变形演化过程直观的表明了纤维高强高模性能可以弥补其韧性差而导致吸能较少的弱点。
管件承载失效变形过程。(a)压缩应力-应变曲线。(b)失效变形演化过程图
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