三維管狀編織復(fù)合材料的制備及軸向壓縮性能研究

曹海建　陳紅霞

摘要：采用1 200 tex的EGlass纖維為原料，利用3DBJ1008型模塊式三維編織平臺(tái)制備三維四向、三維五向管狀編織物；以E51環(huán)氧樹(shù)脂、H023聚醚胺組成樹(shù)脂體系，與上述編織物復(fù)合制成三維管狀編織復(fù)合材料；利用Instron 3385H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的軸向壓縮性能，觀察材料壓縮特性，并研究編織結(jié)構(gòu)、編織角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料軸向壓縮性能的影響。結(jié)果表明，三維管狀編織復(fù)合材料的破壞特性表現(xiàn)為明顯的脆性破壞；同時(shí)，材料破壞形式主要表現(xiàn)為樹(shù)脂開(kāi)裂、纖維斷裂、界面脫粘等。三維四向、三維五向管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮性能均隨著編織角增加而增強(qiáng)；三維五向編織結(jié)構(gòu)軸向壓縮性能明顯好于三維四向結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果將為該類材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維四向；三維五向；編織復(fù)合材料；軸向壓縮性能；編織角；破壞模式

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）05-0007-03

Abstract：Tubular threedimensional fourdirection （3D4D） and threedimensional fivedirection （3D5D） braided fabrics were prepared from EGlass fibers （1 200 tex） with 3DBJ1008 modular threedimensional braiding machine； resin system was composed with epoxy resin E51 and polyethenoxyamines H023， which， together with the foregoing braided fabrics， was made into tubular threedimensional braided composites （3D braided composites）； axialdirection compressive properties of the 3D braided composites were tested with 3385H Instron universal material testing machine， the compression characteristics of the 3D braided composites were observed， and the influence of structure parameters （such as braided structure and braided angles） on axialdirection compressive properties of the composites was studied. The results show that the tubular 3D braided composites suffers from obvious brittle failure， of which the concrete phenomena include resin fracture， fiber breakage and interface debonding， etc. The axialdirection compressive properties of both 3D4D and 3D5D braided composites are enhanced with the increase of braided angles； the axialdirection compressive properties of 3D5D braided composites are significantly better than that of 3D4D. The results will lay a theoretical basis for structure optimization design and performance analysis of such materials.

Key words：threedimensional fourdirection； threedimensional fivedirection； braided composite； axialdirection compressive property； braided angle； failure mode

三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有整體性、可設(shè)計(jì)性、高強(qiáng)、高模、抗沖擊等特性，在航空航天、交通工具、體育休閑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[12]。三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料大致可分為三維四向、三維五向和三維全五向編織復(fù)合材料。其中三維五向編織復(fù)合材料是在傳統(tǒng)三維四向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它通過(guò)在三維四向編織復(fù)合材料的編織空隙沿軸向添加軸紗來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)使材料的纖維體積分?jǐn)?shù)、軸向力學(xué)性能均獲得一定程度的提高，為編織復(fù)合材料作為主承力構(gòu)件提供了可能[35]。

陳利等[6]研究了三維五向編織結(jié)構(gòu)材料的縱向拉伸、壓縮性能，結(jié)果表明材料拉伸、壓縮模量比較接近，但拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓縮強(qiáng)度；劉謙等[7]制備了三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，研究了材料的彎曲和壓縮性能，研究表明材料的壓縮、彎曲等性能與纖維和基體的界面性能關(guān)系密切；Chen[8]、皮秀標(biāo)等[9]建立三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；劉振國(guó)[10]提出可在所有編織空隙中加入軸紗以最大程度提高三維編織復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能。

本文以EGlass纖維為原料，采用3DBJ1008型模塊式組合三維編織平臺(tái)制備三維編織物，并與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合制成三維編織復(fù)合材料。利用Instron 3385H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試三維編織復(fù)合材料的軸向壓縮性能，研究編織結(jié)構(gòu)、編織角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料軸向壓縮性能的影響。研究結(jié)果將為該類材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料與設(shè)備

1.1.1原料

EGLass纖維（山東泰山玻璃纖維有限公司），纖度1 200 tex；環(huán)氧樹(shù)脂E51（南通星辰合成材料有限公司）；聚醚胺H023（無(wú)錫仁澤化工有限公司）；脫模劑XTEND807（北京科拉斯科技有限公司）。

1.1.2主要設(shè)備及測(cè)試儀器

3DBJ1008型模塊式組合三維編織平臺(tái)；Instro 3385H型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；RTM注射系統(tǒng)（法國(guó)Isojet公司）；JA2003型電子精密天平（上海菁海儀器有限公司）；101A4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱（南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司）；S212型恒速攪拌器（上海申順生物科技有限公司）。

1.2三維管狀編織復(fù)合材料制備

三維管狀編織物制備工藝見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。三維管狀編織復(fù)合材料制備工藝：a）編織物預(yù)處理。將編織物置于烘箱中加熱烘干，去除水分，待烘干后，取出稱其凈重。b）模具表面處理。利用浸有乙醇的清潔布擦除模具表面殘留的脫模劑和污漬，并晾干。c）編織物放入模具。將編織物放入模具并合上模具，放入烘箱中預(yù)熱30 min，烘箱溫度40 ℃；設(shè)置注塑速率，注塑頭、管道和樹(shù)脂儲(chǔ)存罐的溫度，注塑壓力等工藝參數(shù)，并對(duì)模具抽真空。d）編織物復(fù)合成型。將配好的樹(shù)脂基體注入模具，待注塑完畢后，切斷樹(shù)脂流動(dòng)管道，密封模具注塑口和樹(shù)脂回流口。e）復(fù)合材料制備。樹(shù)脂注射完成后，在烘箱中加熱固化，固化溫度80 ℃，固化時(shí)間3 h；固化完成后，取出模具，待模具冷卻后，脫模即得三維管狀編織復(fù)合材料。

1.3性能測(cè)試

三維管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮性能按照GB/T 5350—2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行[11]。試樣件內(nèi)徑24 mm，壁厚2 mm，高50 mm，夾持段長(zhǎng)度10 mm，測(cè)試加載速度為2 mm/min。

三維管狀編織復(fù)合材料工藝參數(shù)與軸向壓縮測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

2結(jié)果與分析

2.1壓縮特性

三維管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮特性如圖1、圖2所示。由圖1可知，三維四向、三維五向管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮性能變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為明顯的脆性破壞方式。三維管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮破壞特性：首先，軸向壓縮剛開(kāi)始時(shí)，材料表面沒(méi)有發(fā)生明顯變化，壓縮載荷隨位移增加呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)；其次，隨著軸向壓縮載荷進(jìn)一步增加，材料發(fā)出脆裂的聲響，樹(shù)脂基體裂紋逐漸增加，部分纖維開(kāi)始斷裂；最后，當(dāng)軸向壓縮載荷繼續(xù)增加直至最大時(shí)，材料出現(xiàn)纖維和樹(shù)脂均沿著編織角方向（大約45°角）傾斜破壞（圖2）。

2.2壓縮性能

三維管狀編織復(fù)合材料軸向壓縮性能如圖3、圖4所示。由圖可知，三維五向管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮模量均明顯優(yōu)于三維四向結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)槿S五向管狀編織結(jié)構(gòu)中有軸紗加入，使得材料軸向承載能力明顯增強(qiáng)[6]

同時(shí)，還可以看出三維四向、三維五向管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮彈性模量均隨著編織角增大而增加。這是因?yàn)榫幙椊堑脑黾訒?huì)導(dǎo)致材料的纖維體積含量增加，而纖維體積含量的增加會(huì)明顯增強(qiáng)材料的軸向壓縮性能，因此表現(xiàn)為材料的軸向壓縮性能隨著編織角的增大而增加[67]。

3結(jié)論

a）三維四向、三維五向管狀編織復(fù)合材料破壞特性均表現(xiàn)為明顯的脆性破壞；同時(shí)，材料破壞形式主要表現(xiàn)為樹(shù)脂開(kāi)裂、纖維斷裂、纖維與樹(shù)脂界面脫粘等。

b）三維五向管狀編織復(fù)合材料軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮模量均明顯好于三維四向結(jié)構(gòu)。

c）三維管狀編織復(fù)合材料的軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮模量均隨著編織角的增大而增加。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：張會(huì)?。?/p>