缝合密度对预浸料复合材料的性能影响

王芳芳，周凯运，乔志炜，张方超

（1.南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 210012；2.航空工业济南特种结构研究所，济南 250023）

0 前言

复合材料由于比模量高、比强度高、材料性能可设计、制造工艺简单、良好的热稳定性、抗疲劳、抗腐蚀等性能，已经广泛应用于航空航天技术、空间技术、汽车工业、化工、医学、武器装备技术、信息技术、民用建筑等领域［1，2］。在航空航天技术迅速发展的今天，传统材料及结构已经不能满足对力学性能、电性能、轻质、低烧蚀和高效隔热等的需求，为此Z向连接的预制体成为一种既能满足力学性能又能满足功能要求的复合材料增强体，实现了结构功能一体化设计、制造与应用。

缝合工艺是指采用缝合线使叠加的多层织物或分离的数片织物连接成整体结构的一种复合材料用预制体制备技术［3］。缝合复合材料具有抗分层能力强，抗疲劳性能优异、构件的整体性能好等特性，缝合作为一项提高复合材料层间性能的工艺越来越受到世界各国的普遍重视。20世纪90年代末，波音公司的第三代编织机已经研制成功，其中大量采用缝合工艺，实现几何尺寸更大、形状更复杂的结构，如半翼展机翼盒段、机身曲面板、蒙皮和压力挡板等［4］。张佐光等［5，6］提出了一种采用缝合工艺实现泡沫夹层结构、蜂窝结构的制备方法。B.巴赫［7］研发了一种采用缝合、针刺工艺提供一种纤维预浸料层加强的复合材料，该方法可以通过热压装置处理制备具有针对性的加强构件。梁森等［8］提出了一种嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料及其制作工艺，实现结构功能一体结构设计。王振华［9］提供了一种能使梯度密度材料功能和性能呈现合理梯度变化，且能消除界面问题的梯度密度树脂复合材料预制体的制备方法，该方法主要是先制备不同功能、性能的预浸料，然后梯度铺层叠加缝合实现层间连接。

国内外对缝合工艺对材料性能影响开展了大量的研究工作，缝合结构及工艺参数、缝合原材料等是决定纤维增强复合材料性能、产品质量及生产成本的重要因素，其中缝合密度作为主要的缝合参数之一，亦是提高材料层间性能的关键因素之一。［10，11］缝合密度对材料性能的影响主要体现为：①缝合线引入的同时会引入预制体缺陷，导致纤维布层一定程度受损及纤维屈曲，降低材料面内性能；②引入的缝合线在厚度方向连续，改善材料抗层间剪切能力。［12］因此，应合理设计缝合密度，提高复合材料制件整体性能。但是目前大多数研究的基础是采用干态纤维层逐层叠加、缝合、复合而制备成复合材料，而针对预浸料逐层叠加压实、缝合、复合而制备成复合材料的研究鲜有报道，尚且未查到缝合参数对预浸料缝合复合材料性能影响的相关报道。

本文选用环氧树脂制备石英纤维预浸料，将石英纤维预浸料逐层叠加压实，采用缝合工艺研制了不同缝合密度的石英纤维预浸料缝合预制体，然后采用热压罐成型工艺制备了相应的复合材料，深入研究了缝合密度对预浸料缝合复合材料的力学性能的影响，探究较优的缝合密度，为高性能预浸料缝合复合材料的推广应用提供设计依据和技术支撑，使得预浸料缝合预制体在航空航天发展上得到长足的应用，对我国的国防及民用复合材料技术具有重要意义。

1 实验部分

1.1 原材料

石英纤维布：厚度0.2mm的 2/2石英纤维斜纹布，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司；

石英纤维：B型，线密度为72 tex ，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司；

树脂：耐高温环氧树脂，自制。

1.2 预浸料缝合预制体的制备

为了避免引入因素过多，本试验采用0°/90°交替铺层的方式进行预浸料石英纤维布层铺放，并真空压实。按照表1所示的主要缝合参数，通过缝合工艺对已铺放好的预浸料进行缝合而得预浸料缝合预制体，见图1所示。

图1 不同缝合密度的预浸料缝合预制体

表1 预浸料缝合预制体的主要缝合参数

2 预浸料缝合复合材料成型与材料力学性能评价

采用热压罐成型方式对前述预浸料缝合预制体进行复合成型，制备形成预浸料缝合复合材料。预浸料缝合复合材料的拉伸、弯曲和层间剪切性能在Instron3365万能试验机上进行测试表征，其测试方法及标准见表2所示，每项性能测试取5个以上有效试样计算平均值，测试过程的加载速率均为1 mm/min。

表2 性能测试方法及标准

3 结果与讨论

3.1 面内性能分析

复合材料的面内性能主要是由面内连续长纤维和基体提供，测试不同缝合密度的预浸料缝合复合材料的面内性能，测试结果表3所示，缝合密度对预浸料缝合复合材料面内性能影响趋势见图2~图3所示。

表3 面内性能测试结果

在室温测试条件，对比未缝合与缝合密度为3 mm×3 mm预浸料复合材料的拉伸强度，缝合后预浸料缝合复合材料的拉伸强度降低约236.80 MPa，可见缝合线引入的同时会引入预制体缺陷，造成面内强度降低。由测试结果可知，缝合密度变化对预浸料缝合复合材料拉伸性能影响较大。

图2~图3分别为缝合密度对预浸料缝合复合材料面内拉伸、弯曲性能的影响趋势图。缝合线引入造成的纤维布层中纤维弯曲、断裂损伤等影响，随着缝合密度增大，预浸料缝合复合材料的拉伸、弯曲性能整体均呈现下降趋势。相比未缝合，随着缝合密度增大，室温测试条件下拉伸强度降低幅度分别约41.7%、47.5%和42.4%，拉伸模量降低幅度分别为9.9%、8.1%和12.9%；在室温和350 ℃测试环境下弯曲性能降低幅度均增大，且高温降低的幅度较大，弯曲强度降低幅度依次分别为4.6%、12%、13.2%，弯曲模量降低幅度依次分别为16.6%、18.8%、32.2%，但弯曲性能降低幅度低于拉伸性能，这是弯曲破坏时面内连续纤维随着基体开裂而被剪断；缝合密度6 mm×6 mm的面内性能的离散值整体相对较低，缝合线的引入在一定程度上降低了复合材料性能的离散性。

图2 缝合密度对预浸料缝合复合材料面内强度影响

图3 缝合密度对预浸料缝合复合材料面内模量影响

3.2 层间剪切性能分析

缝合复合材料的层间剪切强度主要由缝合线引入的长纤维与平面连续长纤维相互作用来提供。在室温和高温环境下，测试不同缝合密度的预浸料缝合复合材料的层间剪切强度，测试结果见表4所示，其缝合密度对预浸料缝合复合材料层间剪切强度影响趋势如图4所示。对比未缝合和预浸料缝合复合材料的层间剪切强度，层间剪切强度有所提升，可见引入的缝合线在厚度方向连续，提高了材料抗层间剪切能力。

表4 层间剪切强度测试结果

图4为缝合密度对预浸料缝合复合材料层间剪切性能的影响趋势图。随着缝合密度增大，预浸料缝合复合材料的层间剪切强度呈现先增后略减的变化趋势。缝合复合材料厚度方向引入的缝合线使层间剪切破坏机理发生改变，在原来的基体剪切破坏基础上增加了缝合线的剪切和拉伸破坏，有利于提高层间强度，但缝合密度过小时，缝合对纤维的弯曲和损伤较大，针脚处的富树脂区尺寸变大，更容易引发裂纹并造成应力集中，使层间剪切强度有所降低。常温测试环境下，缝合密度6 mm×6 mm的层间剪切强度略低于未缝合，可能是由于取样的差异导致，并不影响整体变化趋势。

图4 缝合密度对预浸料缝合复合材料层间剪切强度影响

相比常温测试环境，随着缝合密度增大，在高温测试环境下，层间剪切强度的增加幅度较大，且增加幅度约26%~34%，这可能是在高温环境下缝合线与耐高温树脂体界面性较好，提高了材料层间剪切的整体性能。

4 结论

通过对不同缝合密度的石英纤维预浸料缝合复合材料在室温和350 ℃条件下测试其力学性能，并针对缝合密度对其力学性能影响的分析和讨论，得到以下结论：

（1）预浸料缝合复合材料的面内拉伸、弯曲性能随着缝合密度增加，呈现下降趋势，且拉伸降低的幅度最大，而弯曲性能降低幅度较小，这是在弯曲承载过程中，随着缝合密度增加一定程度，纤维布层间易因层间强度高而不易发生层间开裂破坏。

（2）层间剪切性能随着缝合密度的增加，呈现先增后略减的变化趋势，因而，缝合密度存在一个最佳值，可以充分发挥缝合线的剪切和拉伸承载作用，使得缝合对层间强度的增强效果最大化。

（3）相比室温测试环境下，虽然高温环境对预浸料缝合复合材料的弯曲性能影响不大，但是随着缝合密度增加，预浸料缝合复合材料的层间剪切强度增加的幅度较大，说明预浸料缝合复合材料在高温环境下工作层间性能有一定程度的改善。