三维五向编织复合材料纤维束真实形态观测

　　摘要：为了对三维五向编织复合材料细观纤维束的真实形态进行描述，采用显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)获得三维五向编织复合材料的内部结构切片图像。通过调节灰度差值保留复合材料中纤维束的真实挤压形态，进而利用多层截面堆积的方式提取纤维束的真实形态。在此基础上，利用图像处理技术成功提取纤维束的横截面形状，建立坐标系，计算每一个截面的面积、截面中心点位置、截面偏转角度等纤维束参数，并对其进行分析。结果表明：纤维束在空间中表面存在螺旋状纹路，不同位置的截面变形情况也会不同;编织纱截面形状为凸透镜形，在编织过程中截面形状基本不变;轴纱截面形状呈三角形和扇形过渡变化，在2h/8和6h/8处截面面积最大，4h/8处面积最小;编织纱截面积大小随着花节高度增加呈近正弦式变化，在4h/8处截面积最小，截面偏转角度也最小。研究结果可为后期建立精细化三维五向编织复合材料模型奠定基础。

　　关键词：三维五向编织复合材料;Micro-CT;纤维束真实形态;截面变化

　　孙梦尧; 于颂; 刘景艳; 张典堂; 钱坤 纺织高校基础科学学报2022-01-20

　　三维编织复合材料是综合现代复合材料和编织技术发展的新型先进结构复合材料。近年来，三维五向编织复合材料作为主承力构件和功能构件被广泛应用于航天航空、军事防护、交通运输和海洋等领域，其结构设计及力学分析是当前学者研究的热点问题[1-3]。三维编织复合材料中纤维束真实形态的研究直接关乎织物细观结构建模及数值模拟的准确性，对于揭示服役条件下三维编织复合材料失效机理有重要意义[4-6]。关于三维编织复合材料的细观结构与纤维束横截面形状已经有一些学者进行了研究[7-9]。文献[10]利用磨抛手段获取了9份不同花节高度位置的切面，采用CCD显微摄像仪获取了三维五向编织复合材料的一系列截面图像，观察到了内部纤维束的真实截面。然而其观察面数量较少，并未分析截面变化规律，同时也未提取材料中纤维束的整体形态。朱元林等[11]假设纤维束截面为椭圆形，经挤压后接触面为六边形柱面，建立了一个新的三维四向实体细观结构模型，该模型主要通过假设和理论计算推导出来，与纤维束的真实形态还存在一些偏差。近年来随着Micro-CT等内部检测技术的发展，对织物结构的内部形态研究越来越多[12-14]。文献[15-17]利用显微计算机断层扫描成像(Micro-CT)的方式，对2/2平纹织物以及2.5 D织物进行纤维束提取试验，并利用数理统计法分析了相关截面参数变化，以及纤维束中心点位置、截面面积、截面偏转角度等参数变化趋势，但是并未对编织结构进行研究。在对三维编织复合材料的细观结构研究中，刘振国等[18]在碳纤维预制体中混入玻璃纤维作为示踪纱，通过CT扫描方式提取三维全五向编织复合材料中的纤维束，得到了纤维束的真实形态，但是提取的截面为玻璃纤维的形态，且玻璃纤维和碳纤维的材料属性差别很大，在预制体中的变形程度也不同，不能准确描述碳纤维编织复合材料中的纤维束形态。综上，现有研究对碳纤维三维五向编织复合材料内部纤维束的真实形态，如横截面变化和受挤压程度的研究很少，然而此研究对于细观结构建模影响重大。本文采用Micro-CT对树脂基三维五向编织复合材料的内部结构进行观察，可以清晰地看到纤维束在不同方向上的切片图像，并提取了纤维束的真实形态。结合图像分析技术获得了纤维束的截面形状，建立形成纤维束截面轮廓点的坐标系，计算得到一个花节内不同高度下的纤维束截面面积、截面中心点位置和截面偏转角等参数，并对其结果进行分析。为进一步精细化建立三维五向结构模型和仿真计算奠定了基础，为建立复杂载荷下的结构设计分析方法和失效判据提供依据。

　　1 实 验 1.1 三维五向编织复合材料的制备

　　预制体设计：选用四步法编织三维五向预制体，携纱器平面走势如图1所示。其中不同区域的纤维束运动轨迹用不同颜色标出，红色代表内胞，蓝色代表面胞，绿色代表角胞。另外，○表示编织纱，代表轴纱。纤维束平面路径图和单胞结构如图2所示，可以发现一个单胞内包含9根轴纱和10根编织纱，所有编织纱按平面路径方向可以分为与水平线呈 45° 和-45° 等2种，而所有轴纱都与水平面垂直。

　　原材料：选用密度为1.78 g/cm3 的PAN基碳纤维，编织纱规格为T700-12 K。树脂选用南通星辰合成材料有限公司的凤凰牌E-51环氧树脂，密度为1.2 g/cm3 。预制体：尺寸为300 mm×300 mm×4 mm，纤维体积含量为(54±1)%，花节宽度 4.2 mm，花节高度 7.2 mm，表面编织角30°。复合工艺：用树脂传递模塑(RTM)工艺制备三维五向编织复合材料，模具尺寸为300 mm×300 mm×4 mm。固化工艺：烘箱温度70 ℃，加热时长3 h。 RTM机操作站以及制备好的复合材料板块如图 3所示。板块表面光滑平整无气孔，经机械加工厂切割成10 mm×20 mm×4 mm大小的试件。图3 RTM机和制备完成的板块 Fig.3 RTM machine and fabricated plate 1.2 Micro-CT扫描实验原理和方法高分辨率Micro-CT扫描技术可以对复合材料内部结构进行高精度、高清晰度和高对比度的扫描和重构，有助于对复合材料内部结构的深入研究[19-21] 。工作原理如图4所示，利用试件材料不同位置的不同密度，造成X射线的衰减系数不同，当X射线穿过试件时投射至面阵探测器上形成透射图像。扫描过程中试件需要在样件台上旋转。当旋转180°后，Micro-CT 设备的探测器就已经得到该样件的完整投影数据。射线束(锥形)面阵探测器射线源工作 X Y Z 图4 Micro-CT原理示意图 Fig.4 Illustration of Micro-CT principle 采用上海恩迪无损检测控制技术有限公司提供的 Micro-CT设备对试件进行扫描，空间分辨率为5～100 μm。对试样每次进步0.5°，旋转360°采集数据，样品断层扫描间距为35 μm，通过对试件进行断层扫描后，得到5.3 G的体素数据，沿编织方向的切片层数1256层。

　　2 结果与讨论

　　图5(a)为试件经Micro-CT扫描后得到的整体形貌，(b)～(c)为不同位置和方向的切面图，其中由亮线圈出的部分为识别出的纤维束截面形状。碳纤维对X射线的衰减系数大，所以在图像中较亮;树脂的衰减系数小，颜色较暗。调节灰度差值使树脂在成像区域完全变暗至黑色，从而获得清晰的纤维束形态[22] 。由于在大型结构件中，内胞在结构分布中所占比例较多，所以本文主要研究三维五向编织结构中内胞纤维束的真实形态。

　　2.1 纤维束横截面

　　借助VGSTUDIO MAX软件对三维五向编织复合材料的扫描数据进行截面提取，利用渲染工具调节图像界面的灰度差值，使各个纤维束之间的边界更加明显。截面间隔为35 μm，一个花节高度内可提取出196层截面，同时可通过软件中的多边形工具对每一层提取出的截面进行截面定位，以保证纤维束信息的准确性[23]。将编织纱截面提取完成后的剩余区域为轴纱的横截面，继续利用多边形工具对其分割提取。当所有纤维束截面提取完成后，由196层厚度为35 μm的截面堆叠而成的实体即为纤维束的真实形态，如图6所示。从图6可清晰看出，编织纱的截面随着花节高度的变化会产生偏转，表面出现凹凸不平，而纤维束整体形态仍保持伸直状态;轴纱在空间中保持竖直形态，由于在每一个高度下轴纱所受周围编织纱的挤压情况不同，导致轴纱整体形态在空间上形成内凹带棱的螺旋形态，但实质上并非发生扭转。为了便于分析，将图 6 中的纤维束在花节高度(h)上平均分成8份，并提取这些截面图像，如图7所示。由图7(a)可以看出，随着花节高度的增加，编织纱截面始终保持细长凸透镜形状，在3 h/8～4 h/8位置处编织纱有明显的旋转和挤压程度的变化。由图 7(b)可以看出，轴纱截面形状为扇形和三角形过渡变化，随着花节高度的增加，自身截面被挤压的程度不同。

　　2.2 纤维束整体形态

　　由三维五向编织原理可知[24-25]，随着编织工序的进行，编织纱会由内胞区域运动至面胞区域，但是这类编织纱在预制体内部时，截面变化情况和其他内胞中的纤维束相同[18]。本试样中提取的编织纱就存在运动到预制体表面的情况，此类编织纱截面平行于花节宽度方向。由于试样是由大块板材切割制得，所以未提取到角胞区域的纤维束形态。实验提取了13根编织纱和9根轴纱的空间形态，并对所有纤维束进行标号定位，如图8所示。从图 8(a)、(b)处的截面对比可以看出，纤维束形状并不能完全重合，但是截面位置基本相同，其中部分编织纱运动到预制件表面进入到面胞区域，使其周围轴纱形态也发生变化。虽然轴纱在空间上也并非完全竖直排列，但由于轴纱并不参与编织，所以其位置并未发生移动。图8(c)为重构的三维编织纤维束真实模型。

　　2.3 纤维束横截面变化情况 2.3.1 编织纱横截面

　　此模型共计196层截面，通过Image-J中的Measure功能计算截面参数。以花节起始位置0h处为第一层，定义5号轴纱中心点为原点，花节宽度方向为 X轴，预制体厚度方向为Y轴，建立平面坐标系。构成一个纤维束截面轮廓需要n个点，设n=25，连接这些点形成一个多边形，可计算出截面面积S、截面中心点坐标(xi，yi)、截面偏转角θ等相关截面参数。然后进行下一层参数的统计。为了便于分析截面变化规律，将花节均分成8份，如图9所示。

　　对13根编织纱进行参数统计，形成了截面相关参数曲线，如图10所示。实验中，纤维束运动到面胞时的参数不做统计，只统计内胞中的数据，即个别纤维束选取层数不足9层。图10(a)为不同花节高度下的截面面积变化情况，图10(b)为编织纱在水平面上的投影路径，图10(c)为不同花节高度下截面偏转角 θ的变化情况。

　　由图 10(a)可以发现，编织纱截面面积主要聚集在2～3 mm2 之间。随着花节高度的增加，面积变化呈正弦型曲线，且振幅大小较稳定，说明在编织过程中，编织纱挤压程度会发生变化，且在 4h/8 位置上编织纱挤压程度最大。由图 10(b)可以看出，纤维束中心路径平面上的投影呈±45°，这与文献[10]中的结论相同。但是由于编织纱在空间中互相缠绕交织，同时“打紧”工序使其受力变形，实际的纤维束自身存在旋转和偏移，并非完全伸直。此外，在复合过程中模具加压也会对预制体厚度产生影响，导致纤维束截面形状改变。这将对后期细观精细化建模提供新的思路。从图 10(c)可以发现，截面偏转角 θ 的范围是 40°～60°，120°～140°，整体曲线以切面位置等于 4h/8 为轴呈对称状，在花节高度为 1h/8～2h/8 和 6h/8～7h/8 时，编织纱偏转程度最大;在花节高度为 4h/8 时，纤维束的偏转程度最小。这也说明每一根编织纱在不同层下的中心点位置也并非呈线性趋势，编织纱自身的确存在偏转从而导致截面中心偏移。综上所述，在四步法编织过程中编织纱自身存在偏转，截面形状呈凸透镜状基本不会变化，但是面积大小呈正弦式变化，4h/8 处的编织纱截面面积最小，即所受挤压程度最大;在1h/8～2h/8和6h/8～ 7h/8位置中编织纱偏转程度最大。

　　2.3.2 轴纱横截面

　　轴纱的空间形态和编织纱完全不同，图11(a)为轴纱的截面面积变化情况。由于轴纱在编织方向呈竖直状态，并不参与编织，可认为所有轴纱的运动规律相同，所以图11(b)选取了具有代表性的3号轴纱，统计不同高度下的截面中心点变化情况。由图 11(a)可看出，轴纱的截面积大小在 1.5～ 2.2 mm2 之间，曲线图呈双峰状，2h/8和6h/8处轴纱面积最大，即此时受挤压程度最小，4h/8处的面积数值最小。由图11(b)可以看出，截面中心点分布比较集中，纤维束整体并未形成偏移。由于轴纱截面形状为三角形到扇形的过渡变化，导致截面偏转角的计算结果并不准确，所以本文并未对其进行计算。

　　3 结 论

　　(1)三维五向编织复合材料内胞区域中编织纱和轴纱相互作用明显，编织纱截面中轴线在空间呈伸直状态，但存在明显偏转。轴纱受编织纱运动影响，表面呈内凹带棱的螺旋形态，这将为细观模型重构提供更可靠的依据。

　　(2)三维五向编织复合材料内胞区域中编织纱截面形状为凸透镜形，且基本不变，但截面积大小随着花节高度增加呈近正弦式变化。轴纱截面形状在三角形和扇形之间迭代变化。

　　(3)编织纱的平面路径与水平线夹角并非理想状态下的±45°，这也说明使用有限元分析的细观模型存在较大的局限性。