不同結(jié)構(gòu)UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲性能

李翠玉，羅岳文，賈靜艷，馮亞男，楊 雪

(1 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387; 2 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

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不同結(jié)構(gòu)UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲性能

李翠玉1,2，羅岳文1，賈靜艷1，馮亞男1，楊 雪1

(1 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387; 2 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維為原料，在電腦橫機(jī)上編織出較理想的UHMWPE纖維緯平針、羅紋、畦編針織結(jié)構(gòu)織物。采用VARTM工藝、(0°,90°)3s鋪層方式成功制備了六層緯平針、六層羅紋以及六層畦編UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料板。對(duì)三種復(fù)合材料板的彎曲性能及其影響因素進(jìn)行研究，比較并分析其彎曲應(yīng)力-撓度變化曲線和破壞形式。結(jié)果表明：三種UHMWPE纖維緯編針織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-撓度曲線具有非線性特征，曲線均類似于拋物線；其中，緯平針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最大，羅紋次之，畦編最??；承受彎曲破壞的主要是樹脂基體，沒有出現(xiàn)增強(qiáng)體斷裂、撕開等現(xiàn)象，表明由高強(qiáng)聚乙烯纖維制成的增強(qiáng)體材料具有較強(qiáng)的韌性與較高的強(qiáng)力。

UHMWPE纖維；VARTM；緯編針織復(fù)合材料；彎曲性能

在紡織復(fù)合材料的發(fā)展中，緯編針織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展是較晚的，但由于它所具有的一些獨(dú)特性能，如，良好的成型性、優(yōu)良的抗沖擊性和較低的生產(chǎn)成本等[1-4]，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究日益增多和深入，應(yīng)用也越來越廣泛[5-7]。UHMWPE纖維具有很多優(yōu)異的性能，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，被稱為“奇異的塑料”[8]；且UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐沖擊性好、介電性能及防彈性能高的特點(diǎn)，近幾年得到了迅速的發(fā)展。而關(guān)于UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響方面的研究還較少[9-11]。

曹海建等[12]研究了三維全五向編織復(fù)合材料的彎曲性能，得出編織復(fù)合材料的彎曲性能隨著編織角的增加而減少，隨著軸紗、纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增加；三維全五向編織復(fù)合材料的彎曲性能明顯好于三維五向編織復(fù)合材料。梁倩囡[13]對(duì)縫合編織復(fù)合材料低速?zèng)_擊及沖擊后彎曲性能進(jìn)行了研究，在3.2J/mm的沖擊能量作用下，縫合編織復(fù)合材料的沖擊損傷模式主要為基體開裂、裂紋，且沖擊作用對(duì)試樣的彎曲性能造成消極影響，其中相比于彎曲強(qiáng)度，彎曲模量對(duì)沖擊損傷更加敏感。徐艷華等[14]對(duì)雙軸向襯紗緯編玄武巖纖維復(fù)合材料做了彎曲性能測試，研究表明其具有較好的軸向彎曲性能，其橫向和縱向彎曲性能均優(yōu)于斜向。

Allison等[15]研究了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲性能，用三點(diǎn)彎曲測試探究幾何波對(duì)材料強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明波紋會(huì)降低強(qiáng)度。Li 等[16]研究了集成3D編織墊片復(fù)合材料在室溫和低溫下的彎曲性能和破壞機(jī)理，結(jié)果表明，彎曲性質(zhì)在液氮溫度下比在室溫下明顯改善。Ren等[17]研究了連續(xù)復(fù)合波紋鋼腹板橋梁的彎曲性能，經(jīng)過探討推導(dǎo)出波紋鋼網(wǎng)復(fù)合梁的計(jì)算方法和有效彈性模量的計(jì)算公式。

Xue等[18]對(duì)SiC /鋁復(fù)合材料的彎曲性能做了研究，得出彎曲強(qiáng)度開始呈增長趨勢，達(dá)到最大值435 MPa后逐漸減小。

UHMWPE 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)、航空航天等重要領(lǐng)域，其力學(xué)性能的研究已受到學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視，而對(duì)UHMWPE 纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲性能的研究卻不多見。本工作探究不同組織結(jié)構(gòu)等因素對(duì)緯編針織復(fù)合材料彎曲性能的影響，為UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 緯編針織物的編織

實(shí)驗(yàn)所用UHMWPE紗線是經(jīng)過絡(luò)筒、長絲加捻及紗線卷繞改造成為符合針織用紗要求(捻度均勻偏低、摩擦因數(shù)小等)的捻度為25捻/10cm的67tex紗線。

使用機(jī)號(hào)為12E的LXC-252SC龍星電腦橫機(jī)編織緯平針、羅紋、畦編組織三種針織物。緯平針是針織物中最基礎(chǔ)、最簡單的織物，羅紋具有優(yōu)良的彈性，畦編是既有集圈又有基本組織的織物，此三種針織物適合作對(duì)比參照實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)試織，不斷調(diào)整參數(shù)，從而得到比較理想的編織工藝參數(shù)，即實(shí)驗(yàn)中度目(彎紗深度)為90，牽拉力25，機(jī)頭速率0.4m/s，最終編織出比較理想的緯平針、羅紋和畦編緯編針織物，下機(jī)后得到三種不同組織結(jié)構(gòu)織物的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 三種不同組織結(jié)構(gòu)織物的工藝參數(shù)

1.2 緯編針織復(fù)合材料試樣的制備

復(fù)合材料試樣的制備采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)。選擇無色低黏度的GCC-135環(huán)氧樹脂和藍(lán)色GCC-137固化劑作為樹脂基體體系，樹脂與固化劑的質(zhì)量比為100∶30，室溫固化24h。為使制備的復(fù)合材料均衡對(duì)稱，六層緯平針織物、六層羅紋織物以及六層畦編織物分別采用(0°，90°)3s鋪層方式，如六層復(fù)合材料的對(duì)稱鋪層方式為(0°,90°,0°,90°，0°,90°)。

經(jīng)過多次試制，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，最終制備出比較理想的緯平針、羅紋和畦編UHMWPE纖維緯編針織增強(qiáng)復(fù)合材料，如圖1所示，圖1(a)為粘接好的真空膜試樣圖，圖1(b)為制備完成后復(fù)合材料板。

制得的UHMWPE纖維緯平針、羅紋、畦編緯編針織復(fù)合材料的厚度分別為3.56，3.62，3.67mm，纖維體積分?jǐn)?shù)分別為37.08%，34.46%，32.27%，纖維體積分?jǐn)?shù)間存在微小差異的主要原因是織物本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：不同組織結(jié)構(gòu)的緯編針織物結(jié)構(gòu)緊密度不同，復(fù)合時(shí)對(duì)稱鋪層方式使得織物橫、縱列相互交叉，層間結(jié)合時(shí)緊密度存在差異，導(dǎo)致樹脂浸潤過程中樹脂的滲透率不同，而最終三種結(jié)構(gòu)緯編針織復(fù)合材料板的纖維體積分?jǐn)?shù)存在差異。

圖1 制備完成前后的復(fù)合材料 (a)粘好真空膜的試樣;(b)制備好的復(fù)合材料Fig.1 The composite before and after fabrication (a)bonding with vacuum membrane；(b)the composite after fabrication

1.3 緯編針織復(fù)合材料彎曲實(shí)驗(yàn)

參照GB/T1449—2005[19]實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將試樣對(duì)稱的放在兩支座上，在兩支座間的試樣中間施加集中載荷。采用的儀器為CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)，復(fù)合材料試樣尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)，將制得的三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料分別沿縱向(90°方向)和橫向(0°方向)切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，加載速率為2mm/min，實(shí)驗(yàn)中每種試樣測試5塊。由CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)得到載荷與撓度的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算并繪制出應(yīng)力-撓度曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 彎曲性能分析

不同結(jié)構(gòu)緯編針織復(fù)合材料橫、縱向彎曲性能比較見表2，90°表示縱向，0°表示橫向。由表2的數(shù)據(jù)可以看出緯平針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料所受彎曲應(yīng)力最大，畦編最小，而在同種結(jié)構(gòu)中橫向與縱向的最大彎曲應(yīng)力相差不大，表明采用(0°,90°)3s鋪層方式，可以使復(fù)合材料板受力均勻，并使橫向與縱向的抗彎能力幾乎一致。

表2 三種緯編針織復(fù)合材料彎曲性能

采用origin畫圖得到三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料縱、橫向彎曲應(yīng)力-撓度特征曲線，如圖2所示，圖2中0°表示緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沿橫向裁剪試樣的彎曲實(shí)驗(yàn)曲線，90°表示沿縱向裁剪試樣的彎曲實(shí)驗(yàn)曲線。

從三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-撓度曲線和表2的數(shù)據(jù)可以看出：

(1)三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)力-撓度曲線均呈非線性，形態(tài)更似于拋物線，即彎曲應(yīng)力隨著撓度值的增加不是成比例增加，這主要是由于采用三點(diǎn)彎曲方法，支座只對(duì)試樣垂直方向移動(dòng)有約束，對(duì)水平方向移動(dòng)沒有限制，實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料增強(qiáng)體原料UHMWPE纖維為高性能纖維，強(qiáng)度高，隨著跨距中央加載上壓頭的不斷下降，試樣彎曲度越來越大，最終試樣與支座之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)脫落，承受抗彎力的主要是樹脂基體，且沒有出現(xiàn)樹脂斷裂的現(xiàn)象，表明樹脂與增強(qiáng)體復(fù)合而成的UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料具有較好的韌性和較高的抗彎強(qiáng)度。三種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲曲線特征具有相似性，表明三種結(jié)構(gòu)UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲破壞機(jī)制與方式相似。

(2)三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)力-撓度曲線初始階段線性度較好，隨著撓度值不斷增加表現(xiàn)出呈非線性變化規(guī)律，曲線在最高點(diǎn)處呈圓弧形，隨著試樣撓度緩慢上升到一定高度時(shí)，彎曲應(yīng)力直接下降為零，如圖2所示。導(dǎo)致曲線有如此變化規(guī)律的原因是隨著跨距中央加載上壓頭的不斷下降，達(dá)到最大彎曲應(yīng)力時(shí)，試樣在支座位置發(fā)生滑移，彎曲應(yīng)力開始緩慢下降，當(dāng)試樣撓度達(dá)到一定高度后，試樣從支座上滑落。

(3)同一種UHMWPE纖維緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板的縱、橫向彎曲應(yīng)力-撓度曲線相似，差別很小，表明實(shí)驗(yàn)中試樣鋪層均衡對(duì)稱，使試樣彎曲縱橫向性能的差別減?。挥形⑿〔町惖脑蚴怯捎诳椢锝Y(jié)構(gòu)雖相同，但在樹脂中線圈的形態(tài)、幾何參數(shù)、界面狀況等不可能處處完全一致，導(dǎo)致對(duì)復(fù)合材料彎曲應(yīng)力-撓度曲線有一定的影響。

圖2 三種緯編針織復(fù)合材料0°，90°方向應(yīng)力-撓度曲線 (a)緯平針；(b)羅紋；(c)畦編Fig.2 The stress-deflection curve of three kinds of weft knitted composites in 0°and 90°direction (a)weft plain;(b)rib;(c)cardigan

圖3為三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲縱向應(yīng)力-撓度曲線(圖3(a))、橫向應(yīng)力-撓度曲線(圖3(b))以及總的應(yīng)力-撓度曲線(圖3(c))。一般認(rèn)為開始承受彎曲載荷的主要是基體樹脂，在起始階段三條曲線幾乎重合，但隨著加載上壓頭的不斷下降，不同緯編針織結(jié)構(gòu)體系也起一定的作用，從圖中可以觀察到，三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的撓度曲線變化規(guī)律相近，緯平針織結(jié)構(gòu)承受的彎曲力最大，羅紋次之，畦編最小。主要原因如下：一是由于三種針織物的橫縱密度不同，其中緯平針的橫縱密度最大，畦編最小，在實(shí)驗(yàn)中緯平針能夠承受更大的彎曲載荷，且緯平針、羅紋、畦編復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)、面密度等基本參數(shù)依次減??；二是由于三種織物結(jié)構(gòu)之間的差異，緯平針結(jié)構(gòu)較為緊密，延展性相對(duì)稍差，羅紋組織是由正反線圈圈套而成，延展性較好，而畦編結(jié)構(gòu)是由反面集圈圈套而成，線圈長度不勻，因此其強(qiáng)度比緯平針織結(jié)構(gòu)和羅紋針織結(jié)構(gòu)的小，受到彎曲作用力時(shí)，其最大彎曲力最小。因此，UHMWPE纖維緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度也會(huì)受針織結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)以及復(fù)合材料的纖維體積含量、面密度等因素的影響。

圖3 三種緯編針織復(fù)合材料應(yīng)力-撓度曲線 (a)90°方向；(b)0°方向；(c)0°和 90°方向Fig.3 The stress-deflection curve of three kinds of weft knitted composites (a)0°direction;(b)90°direction;(c)0°direction and 90°direction

2.2 彎曲破壞形式分析

彎曲斷裂破壞與拉伸斷裂破壞不同，試樣拉伸斷裂一般是從基體破壞開始，直至增強(qiáng)體脫層、撕開、斷裂結(jié)束，而試樣的彎曲破壞開始主要是樹脂基體在起作用。實(shí)驗(yàn)采用目視檢測方法和掃描電鏡來觀察內(nèi)部破壞形態(tài)。彎曲損傷試樣上表面受到擠壓，受壓面無明顯變化，下表面受到拉伸作用，受拉面出現(xiàn)泛白現(xiàn)象，復(fù)合材料中增強(qiáng)體部分的線圈受彎曲力的作用而逐漸伸直，但并未發(fā)生斷裂，直到試樣滑離支座。一般認(rèn)為隨著樹脂遭到破壞后，復(fù)合材料彎曲能力下降，即復(fù)合材料被破壞，試樣在壓頭作用的位置上發(fā)生了永久的彎曲變形；由于與樹脂相比，增強(qiáng)體織物更柔軟，并沒有出現(xiàn)增強(qiáng)體斷裂、撕開等現(xiàn)象，這也表明了由高強(qiáng)聚乙烯纖維制成的增強(qiáng)體材料具有較強(qiáng)的韌性與較高的強(qiáng)力。如圖4所示為試樣彎曲破壞圖(以緯平針織結(jié)構(gòu)為例)，從圖中可以看到，織物結(jié)構(gòu)并沒有受到撕裂性破壞或出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，只是由于基體的損傷使復(fù)合材料失去抗彎曲能力。

圖4 試樣彎曲破壞圖 (a)上表面;(b)下表面Fig.4 The figure of curving and destructive sample (a)the upper surface;(b)the lower surface

圖5為UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲處的纖維表面在SEM下的微觀圖，圖5(a)為彎曲破壞后多根纖維與樹脂整體圖，圖5(b)為單根纖維表面樹脂破壞圖，從圖中可看出，試樣的破壞主要是樹脂遭到破壞，纖維并未抽拔出來，纖維增強(qiáng)體沒有斷裂情況發(fā)生。由于復(fù)合材料中增強(qiáng)體為緯編針織物，與樹脂相比，增強(qiáng)體織物更柔軟，所以并未出現(xiàn)增強(qiáng)體斷裂、撕開等現(xiàn)象，這也表明了由高強(qiáng)聚乙烯纖維制成的增強(qiáng)體材料具有較強(qiáng)的韌性與較高的強(qiáng)力。在緯編針織復(fù)合材料的彎曲中很少有樹脂與增強(qiáng)體同時(shí)遭到破壞的情況，通常樹脂遭到破壞后，復(fù)合材料便不再具備彎曲能力了，由圖5(a),(b)可以看到浸潤在纖維表面的樹脂遭到了不同程度的破壞而纖維幾乎不受影響，這正是緯編針織復(fù)合材料彎曲破壞的主要形式。

圖5 彎曲后纖維表面SEM照片 (a)多根纖維;(b)單根纖維Fig.5 SEM images of fiber surface after bending (a)several fibers;(b)single fiber

圖6(a)所示為彎曲正面樹脂破壞的微觀圖，從圖中可以看到，樹脂在某些地方遭到較嚴(yán)重的破壞，而纖維并未抽拔出來，這也說明了樹脂與增強(qiáng)體浸潤良好。圖6(b)為彎曲破壞處的截面圖，由此可以反映出層間情況：有輕微的裂痕，但是裂紋不顯著，說明并未有嚴(yán)重的脫層現(xiàn)象發(fā)生。從圖5與圖6的SEM圖可知，UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料是由于基體的解體導(dǎo)致其失去了彎曲能力，纖維并沒有出現(xiàn)斷裂、抽拔等破壞情況。

圖6 彎曲后樹脂破壞SEM照片 (a)彎曲正面；(b)彎曲截面Fig.6 SEM images of destructive resin after bending (a)the right side;(b)the section

3 結(jié)論

(1)三種UHMWPE纖維緯編針織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能曲線具有非線性特征，彎曲應(yīng)力-撓度曲線均類似于拋物線；當(dāng)撓度達(dá)到一定值后，試樣從支座上滑落，彎曲應(yīng)力下降為零。

(2)三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在最大應(yīng)力處的撓度相差較小，同一種緯編針織結(jié)構(gòu)的縱、橫向彎曲應(yīng)力-撓度曲線相近，數(shù)值相差甚小，這是由于采用(0°,90°)3s鋪層方式使得材料的橫縱向承受彎曲能力一致。

(3)三種緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中緯平針的彎曲強(qiáng)度最大，羅紋次之，畦編最小，表明不同組織結(jié)構(gòu)織物的工藝參數(shù)、不同組織結(jié)構(gòu)針織復(fù)合材料的纖維體積含量等基本參數(shù)對(duì)復(fù)合材料彎曲性能均有一定影響。

(4)承受彎曲破壞的主要是樹脂基體，沒有出現(xiàn)增強(qiáng)體斷裂、撕開等現(xiàn)象，這也表明了由高強(qiáng)聚乙烯纖維制成的增強(qiáng)體材料具有較強(qiáng)的韌性與較高的強(qiáng)力。

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Bending Properties of UHMWPE Fiber Weft Knitted Composites with Different Structures

LI Cui-yu1,2,LUO Yue-wen1,JIA Jing-yan1，F(xiàn)ENG Ya-nan1,YANG Xue1

(1 School of Textile, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China; 2 Key Laboratory of Advanced Textile Composites(Ministry of Education),Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Three kinds of weft knitting structure fabrics (weft plain, rib, cardigan ) based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) as raw materials were knitted by computerized flat knitting machine. Each kind of fabric was laminated from six layers into composite material plates respectively, which is laid up in (0 °, 90 °)3sby VARTM. The bending performance and the influencing factors of the three kinds of fabrics were studied, which were followed by the comparison and analysis of the stress-deflection curve and the failure mode. The results indicate that the bending stress-deflection curve of three kinds of UHMWPE weft knitting structure composites has nonlinear characteristics and the curves are all similar to a parabola; the bending strength of weft plain knitted fabric laminated plate is the best, rib is the second, cardigan is the last. This shows that the technological parameters of different fabric structures have a great influence on the bending performance of composite materials. The bending failure mainly occurs on the resin matrix, and no fracture, tearing occurs on the reinforcement. This also shows that the reinforcing material made by UHMWPE fiber has strong toughness and high strength.

UHMWPE fiber;VARTM;weft knitted composite;bending performance

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.014

TB332

A

1001-4381(2015)11-0084-07

國家自然科學(xué)基金(51403154)

2014-07-12；

2015-04-14

李翠玉(1974—)，女，副教授，研究方向：紡織復(fù)合材料，聯(lián)系地址：天津市西青區(qū)賓水西道399號(hào)天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院(300387)，E-mail: lcytju@gmail.com