三維間隔織物復(fù)合材料彎曲性能研究*

沈浩清 曹海建 黃曉梅 陳紅霞 劉 洋

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019;2. 南通大學(xué)分析測(cè)試中心，江蘇 南通 226019

三維間隔織物復(fù)合材料彎曲性能研究*

沈浩清1曹海建1黃曉梅1陳紅霞2劉 洋1

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019;2. 南通大學(xué)分析測(cè)試中心，江蘇 南通 226019

將樹脂基體與三維間隔織物進(jìn)行復(fù)合制成三維間隔織物復(fù)合材料。利用Instron 5969H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同間隔高度的三維間隔織物復(fù)合材料進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，重點(diǎn)分析間隔高度與其彎曲性能的相關(guān)性。結(jié)果表明：三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲性能與間隔高度呈負(fù)相關(guān)；三維間隔織物復(fù)合材料的緯向彎曲性能明顯好于經(jīng)向。

三維間隔織物復(fù)合材料，環(huán)氧樹脂，固化劑，彎曲性能，間隔高度

以玻璃纖維、環(huán)氧樹脂為原料制成的三維間隔織物復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、抗沖擊、耐腐蝕、隔聲、隔熱等特性，可作為蜂窩、泡沫等夾層結(jié)構(gòu)材料的替代品，在交通、汽車、建筑、船舶等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[1]。

三維間隔織物復(fù)合材料最早由荷蘭Parabeam公司于20世紀(jì)90年代末研發(fā)成功并產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該結(jié)構(gòu)材料已進(jìn)行了許多研究。比利時(shí)魯汶大學(xué)最早開展了相關(guān)研究，開發(fā)出類似的織物增強(qiáng)體，并進(jìn)行了部分性能對(duì)比試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[2-4]；曹海建等[5]對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊性能測(cè)試，研究結(jié)果表明低速?zèng)_擊過程中的初始損傷能量可用來表征材料的破壞程度，鋁蒙皮有利于增強(qiáng)材料的抗低速?zèng)_擊性能；王紹凱等[6]研究了芯材間距與三維間隔織物復(fù)合材料力學(xué)性能之間的相關(guān)性；PARK等[7]研究了不同芯材高度對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能的影響規(guī)律；HOSUR等[8]研究了三維間隔織物復(fù)合材料的復(fù)合工藝，重點(diǎn)分析了面板材質(zhì)與材料低速?zèng)_擊性能的相關(guān)性；LI等[9]研究了芯材密度和芯材結(jié)構(gòu)對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

本文擬采用手糊成型工藝分別制備間隔高度為5和10 mm的三維間隔織物復(fù)合材料，研究三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲特性和彎曲性能，重點(diǎn)分析間隔高度對(duì)彎曲性能的影響。

1 復(fù)合材料制備

1.1 原料與設(shè)備

三維間隔織物：纖維原料為1 200 tex的無(wú)堿玻纖紗，織物間隔高度為5和10 mm，由南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供。

樹脂基體：由環(huán)氧樹脂E51(南通星辰合成材料有限公司)與固化劑H023(無(wú)錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司)按 4.0︰1.0 的質(zhì)量比配制并經(jīng)充分?jǐn)嚢瓒伞Ａ硗?，試?yàn)根據(jù)樹脂基體與三維間隔織物1.2︰1.0的質(zhì)量比來確定樹脂基體的用量。

主要設(shè)備： Instron 5969H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)、101A-4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱(南京沃爾科技有限公司)等。

1.2 復(fù)合成型工藝

三維間隔織物復(fù)合材料成型工藝：

第一步，將30 cm×30 cm的玻璃板水平放置于桌面上，并在玻璃板上方蓋上33 cm×33 cm的聚酰亞胺薄膜，如圖1(a)所示；

第二步，將調(diào)配好的樹脂基體的1/5傾倒于聚酰亞胺薄膜上表面，并利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻，如圖1(b)所示；

第三步，在聚酰亞胺薄膜上表面放置三維間隔織物，并將剩余的4/5的樹脂基體傾倒于三維間隔織物上表面，再利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻，如圖1(c)所示；

第四步，在三維間隔織物的4個(gè)角放置等同于織物高度的鐵制墊子，并在三維間隔織物上表面蓋上同等規(guī)格的聚酰亞胺薄膜，最后再將同等規(guī)格的玻璃板覆蓋在最上方，如圖1(d)所示；

第五步，將上述涂覆好樹脂基體的三維間隔織物連同玻璃板一同放入烘箱，設(shè)置烘箱溫度75 ℃、烘干時(shí)間3 h；3 h后取出樣品，冷卻后除去玻璃板和聚酰亞胺薄膜，即得三維間隔織物復(fù)合材料，如圖1(e)所示。

圖1 三維間隔織物復(fù)合材料成型工藝

2 性能測(cè)試

參照GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能測(cè)試方法》[10]，分別制備測(cè)試用經(jīng)向彎曲試樣和緯向彎曲試樣。試樣尺寸為170 mm×60 mm，彎曲跨度為130 mm，測(cè)試速度為5 mm/min。具體測(cè)試如圖2所示。

圖2 三維間隔織物復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試

使用相機(jī)對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲破壞形貌進(jìn)行記錄。

根據(jù)式(1)計(jì)算三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度：

(1)

式中：σf——彎曲強(qiáng)度，MPa；

P——破壞載荷，N；

l——下夾頭跨距，mm；

b——材料寬度，mm；

h——材料厚度，mm；

tf——材料面板厚度，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 彎曲特性

以間隔高度為10 mm的三維間隔織物復(fù)合材料為例(圖3)，其彎曲特性：

首先，在測(cè)試的初始階段，彎曲載荷隨位移的增加而呈線性增加趨勢(shì)，此時(shí)試樣的上表面會(huì)出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，有小部分的樹脂開裂及碎屑脫落，并伴隨斷斷續(xù)續(xù)的樹脂破裂聲；

其次，隨著測(cè)試的進(jìn)行，彎曲載荷逐步增大，此時(shí)試樣的上表面出現(xiàn)斷裂，芯材塌陷，下表面樹脂破裂，纖維也逐漸被拉斷，過程中還伴隨著較大的纖維斷裂聲；

最后，隨著測(cè)試的繼續(xù)進(jìn)行，Instron 5969H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的上壓頭與試樣上表面接觸處的纖維斷裂、樹脂破裂，試樣下表面的纖維和樹脂也陸續(xù)被破壞，彎曲應(yīng)力達(dá)到最大；隨后彎曲應(yīng)力急速減小，彎曲載荷-位移曲線急速下降，三維間隔織物復(fù)合材料完全被破壞[圖3(b)]。

圖3 三維間隔織物復(fù)合材料彎曲特性

3.2 彎曲性能

經(jīng)測(cè)試，所得三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲性能如圖4所示。

圖4 三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲性能

3.2.1 間隔高度與彎曲性能的相關(guān)性

由圖4可知，三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著間隔高度的增加而下降。間隔高度為5 mm時(shí)，材料經(jīng)向彎曲強(qiáng)度為31.476 MPa，緯向?yàn)?8.177 MPa；間隔高度為10 mm時(shí)，材料經(jīng)向彎曲強(qiáng)度為 8.402 MPa，緯向?yàn)?4.103 MPa。這主要是由三維間隔織物的結(jié)構(gòu)決定的。三維間隔織物中芯材呈“8”字形，當(dāng)間隔高度較小(如5 mm)時(shí)，組成“8”字形的2根經(jīng)紗在樹脂基體的作用下緊密貼合在一起，形成了1根較粗的芯柱，此時(shí)三維間隔織物復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度較大；當(dāng)間隔高度較大(如10 mm)時(shí)，組成“8”字形的2根經(jīng)紗在樹脂基體的作用下主要呈細(xì)彎桿狀，此時(shí)芯材容易失穩(wěn)，因此彎曲強(qiáng)度下降明顯[11]。

3.2.2 材料經(jīng)緯向彎曲性能

由圖4可知，三維間隔織物復(fù)合材料緯向彎曲強(qiáng)度明顯大于經(jīng)向。間隔高度為5 mm時(shí)，材料緯向彎曲強(qiáng)度為38.177 MPa，經(jīng)向?yàn)?1.476 MPa；間隔高度為10 mm時(shí)，材料緯向彎曲強(qiáng)度為14.103 MPa，經(jīng)向?yàn)?.402 MPa。究其原因在于，三維間隔織物中經(jīng)向紗線呈彎曲狀態(tài)、緯向紗線呈直線狀態(tài)，故三維間隔織物復(fù)合材料的緯向彎曲強(qiáng)度明顯大于經(jīng)向[11]。

4 結(jié)論

(1) 三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲破壞形貌主要表現(xiàn)為上下表面纖維斷裂、樹脂破碎、芯材塌陷等。

(2) 三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著間隔高度的增加而下降。

(3) 三維間隔織物復(fù)合材料的緯向彎曲強(qiáng)度明顯大于經(jīng)向。

[1] 陳紹芳,伯燕,雷勵(lì).間隔織物的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].上海紡織科技,2011,39(10):42-43.

[2] SHYR T W, PAN Y H. Low velocity impact responses of hollow core sandwich laminate and interply hybrid laminate[J]. Composite Structures, 2004, 64(2):189-198.

[3] DRECHSLER K,BRANDT J,ARENDTS F J.Integrally woven sandwich-structures[C]∥Proc ECCM-3.Bordeaux,Elsevier Applied Science,1989： 365-371.

[4] VUURE A W V, IVENS J A, VERPOEST I. Sandwich-fabric panels[C]//Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium and Exhibition, 1995:1281-1292.

[5] 曹海建,錢坤,魏取福,等.三維整體中空復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能[J].紡織學(xué)報(bào),2009,30(10):70-74.

[6] 王紹凱,李敏,吳伯明,等.三維間隔連體織物復(fù)合材料的力學(xué)性能分析[C]//第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè))，2008.

[7] PARK S J, PARK W B, LEE J R．Characterization of the impact properties of three-dimensional glass fabric-reinforced vinyl ester matrix composites[J].Journal of Materials Science, 2000, 35(24): 6151-6154.[8] HOSUR M V, ABDULLAH M, JEELANI S. Manufacturing and low-velocity impact characterization of hollow integrated core sandwich composites with hybrid face sheets[J]. Composite Structures, 2004, 65(1):103-115.

[9] LI M, WANG S K, ZHANG Z,et al. Effect of structure on the mechanical behaviors of three-dimensional spacer fabric composites[J]. Applied Composite Materials, 2009, 16(1): 1-14.

[10] 全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法：GB/T 1447—2005[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[11] 高愛君,李敏,王紹凱,等.三維間隔連體織物復(fù)合材料力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2008,25(2): 87-93.

Study on bending properties of three-dimensional spacer fabric composites

ShenHaoqing1,CaoHaijian1,HuangXiaomei1,ChenHongxia2,LiuYang1

1. School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China；2. Analysis & Testing Center, Nantong University, Nantong 226019, China

The three-dimensional spacer fabric composites (3D composites) were compounded with the resin system and the three-dimensional spacer fabrics (3D fabrics). Bending properties of the 3D composites with different spacer height were tested by using the Instron 5969H universal material testing machine, and the relationship between spacer height and bending properties was emphatically analyzed. The results showed that the relationship between spacer height and bending properties was negative, and bending properties in weft direction were obviously better than those in warp.

three-dimensional spacer fabric composite, epoxy resin, curing agent, bending property, spacer height

*江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(BY2016053-02)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(16KJA430009、16KJB540001)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201610304027Z)；南通市應(yīng)用基礎(chǔ)研究——工業(yè)(GY12015018)；南通大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)費(fèi)項(xiàng)目(15R08)

2016-10-29

沈浩清，男，1994年生，在讀本科生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料的開發(fā)與制備

曹海建，E-mail:caohaijian@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)11-0006-04