参照ASTM　D7264/7264M—2015标准实验测试纳米黏土改性前后3DOWC弯曲性能，测试试样沿0°（经）和90°（纬）方向的弯曲性能，分析试样沿不同测试方向的弯曲损伤机理，比较并分析了纳米改性前后试样的弯曲形态、弯曲强度和模量等的影响。

4.4.4.1　试样制备

弯曲试验试样实物图如图4-31（a）所示，具体参数见表4-11，弯曲试样实际尺寸见表4-12。

图4-31　弯曲试样图

表4-11　试样参数

表4-12　弯曲试样实际尺寸

4.4.4.2　弯曲性能

应用WDW-30　kN万能强力试验机，基于三点弯曲实验测试复合材料试样弯曲性能。为防止试样滑移，开始时给试样施加预压力5　N。根据测试标准ASTM　D7264/7264M—20105设置上压头位移速度1mm/min，均匀加载并记录加载值。各组试样分别测试得到5个有效数据。

随着万能强力试验机加载逐渐增加，试样达到极限弯曲载荷，根据公式（4-11）～式（4-13）可以得到弯曲应力σ或弯曲强度σmax、应变ε与弯曲模量Ef。

式中：σ——弯曲应力，MPa；

P——施加载荷，N；

ε——应变，mm；

ξ——弯曲挠度，mm；

m——力—位移曲线的斜率。

4.4.4.3　弯曲性能非线性拟合

表4-13为改性前后复合材料试样弯曲强度实验数据，以弯曲强度为目标值，优化纳米黏土质量分数，复合材料强度随纳米黏土质量分数变化曲线如图4-32所示。

表4-13　改性前后试样弯曲强度(www.daowen.com)

图4-32　改性前后试样弯曲强度

从图4-32可知，不同质量分数纳米黏土改性复合材料试样沿经纬纱方向变化趋势一致。0°方向的经纱位于织物的第二层，对织物进行溶剂处理时，由于纱线位于里层，只能除去少量浸润剂。90°方向的纬纱位于织物的表层，浸润剂去除得比较多，加入经纳米改性的环氧树脂进行VARTM成型时，纤维与基体的黏结性较好，故力学性能提高，变化幅度较大。弯曲强度变化曲线显示：0°和90°方向试样均在纳米黏土添加量为1%时达到弯曲最大值。由于纬纱方向变化程度较大，以纬纱试样弯曲强度为目标值优化纳米黏土质量分数，如图4-33所示。

拟合函数见式（4-14），拟合函数的相关参数见表4-14（A, w，n, r均为常数）。

图4-33　不同纳米黏土质量分数与弯曲强度关系及其拟合曲线的一阶导数

表4-14　拟合函数的相关参数

相关系数R2为0.99633，接近1，说明拟合效果很好。由图4-33（b）可以发现，当纳米黏土质量分数为1.3%时，弯曲强度最大。实验验证发现，纳米黏土质量分数为1.3%，制备改性复合材料试样，测试弯曲强度为533.22MPa，低于纳米黏土质量分数为1%时的536.24MPa，因此，弯曲实验确定最优纳米黏土质量分数为1%。

4.4.4.4　应力—应变曲线

图4-34所示为根据实验结果绘制的不同纳米粒子含量的试样沿0°和90°测试方向的弯曲应力—应变曲线。

由图4-34可以看出，不同质量分数纳米黏土改性及未改性复合材料试样弯曲应力—应变曲线发展和变化趋势总体相似。结合可知，经、纬纱总线密度相等，所以弯曲应力相差不大；而外层经纱比外层纬纱的线密度大，所以材料的失效位移长，经向应变大于纬向应变。在三点弯曲测试中，试样上表面主要承受压缩力，下表面主要承受拉伸力。随着位移增大，基体破碎增多，纤维开始承受相应载荷；当达到纤维最大断裂应力时，试样开始失效。由于增强体为多层织物，上表面和下表面纱线承受最大载荷，当外层纱线断裂失效丧失承载能力后，载荷向里层传递，因此，曲线呈下降趋势，最终，试样断裂失效。当添加质量分数为1%纳米黏土时，经纬向的应力均达到最大值。随着纳米黏土质量分数的增加，材料弯曲应力出现了不同程度的降低。分析试验结果可知，在相同应变情况下，经纳米黏土改性复合材料试样的失效应力比未改性试样的失效应力大。

图4-34　含不同质量分数纳米黏土3DOWC的弯曲应力—应变曲线

4.4.4.5　弯曲强度

实验测试比较添加不同质量分数纳米黏土改性复合材料的弯曲强度和模量，如图4-35所示，由此可知：相对于未改性复合材料，经纳米黏土改性后的复合材料弯曲性能得到较明显的改善。当添加质量分数为1%的纳米黏土时，材料的经纬向弯曲强度达到最大值，分别为517.22MPa和536.24MPa，比未改性复合材料的性能分别提高了约7.21%和13.71%；经纬向最大弯曲模量分别为12.44 GPa和17.87 GPa，分别提高了约5.69%和16.64%。纳米黏土添加量达到一定的程度，接近饱和状态，再加入更多的纳米黏土会因产生“团聚”效应而导致更多的缺陷，使材料性能降低。

图4-35　不同质量分数纳米黏土改性与未改性复合材料弯曲强度和模量

4.4.4.6　断裂形貌特征分析

复合材料的弯曲损伤主要集中在加压区域。由图4-36（a）可以看出，试样断口呈现丛生簇状结构，未改性复合材料的弯曲失效主要是纤维增强体的抽拔和纤维/树脂界面的脱粘失效。如图4-36（b）所示，添加纳米黏土之后，纤维与基体之间的结合力提升，断裂截面表现为纤维/树脂有良好的结合力。断裂失效初始阶段主要是树脂破裂发出细微声响，随着载荷增大，纤维断裂声音逐渐清脆，最终达到试样承受极限。由于纤维/树脂间界面结合力的提升，彼此会发生载荷传递，致使断裂较为集中。当纳米黏土质量分数过高，或在环氧树脂中分散性不好时，纳米黏土会发生“团聚”现象，且由于团聚体易干，成为破坏过程中的应力集中点，相当于引入了大量的化学缺陷，导致材料的强度下降。

图4-36　90°弯曲试样断裂形貌