工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能

黃耀麗 呂麗華

摘?要：為了解決當(dāng)前常用的工字形鋪層復(fù)合材料整體性不佳的問題，通過合理設(shè)計，在普通織機(jī)上織造3種不同厚度的工字形三維機(jī)織物，并選用VARTM（真空輔助樹脂傳遞模塑）成型工藝將工字形三維機(jī)織物制備成復(fù)合材料，同時測試了該復(fù)合材料的彎曲性能，并且對比分析了不同厚度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能及其差異。結(jié)果表明：工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的厚度對其力學(xué)性能的影響非常顯著，隨著工字形三維機(jī)織復(fù)合材料中間厚度的增加，復(fù)合材料的載荷、彎曲強(qiáng)度以及總的吸收能量都表現(xiàn)出越來越好的趨勢。

關(guān)鍵詞：工字形;三維機(jī)織復(fù)合材料;普通織機(jī);彎曲性能

中圖分類號：TS101.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）06-0016-05

Abstract：In order to solve the problem of poor integrity of conventional laminated transverse H-shaped composites， 3D transverse H-shaped woven fabrics with three different thicknesses were fabricated with common loom based on reasonable design， and the 3D transverse H-shaped woven composites were prepared with VARTM molding process （vacuum assisted resin transfer molding process）. Besides， the bending properties of the composites were tested， and comparison and analysis were made on the mechanical properties and differences of the 3D transverse H-shaped woven composites with different thicknesses. The results show that the thickness of 3D transverse H-shaped woven composites has a significant influence on its bending properties， and with the increase of interior thickness of 3D transverse H-shaped woven composites， the load， bending strength and total energy absorption of the composites take on an increasingly better trend.

Key words：transverse H-shaped; 3D woven composites; conventional loom; bending properties

傳統(tǒng)工字形復(fù)合材料大多是將平面材料通過鋪層的方式粘合并壓制定型而成。雖然制作方法簡單，但材料整體性較差、易分層[1]。如果采用機(jī)織法直接織造工字形三維機(jī)織物，再將其與樹脂復(fù)合制成復(fù)合材料后就可解決以上問題，同時工字形三維機(jī)織物具有較大的厚度、質(zhì)量小等優(yōu)點，因此這種整體成型的復(fù)合材料方法受到越來越多的關(guān)注。

工字形復(fù)合材料是一種在工程應(yīng)用中常見的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其力學(xué)性能已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注[2-4]。Zhou等[5]測試了工字形三維編織復(fù)合材料的沖擊性能，結(jié)果表明，復(fù)雜的編織結(jié)構(gòu)對編織復(fù)合材料的應(yīng)力分布有明顯的影響。鄭春紅等[6]研究分析了三維編織工字形三維復(fù)合材料的彎曲性能，結(jié)果表明編織參數(shù)對于該復(fù)合材料的彎曲性能有著顯著影響。黃故等[7]測試了工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能，測試結(jié)果表明，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲載荷居于較高水平，在中等強(qiáng)度的載荷條件下，不會產(chǎn)生大的變形。楊萍等[8]采用局部/整體均勻化的方法對三維編織的工字形復(fù)合材料進(jìn)行了宏觀的力學(xué)性能模擬。He等[9]研究了二維C/SiC工字形復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的破壞形式，結(jié)果表明，由于層合復(fù)合材料的特點，該復(fù)合材料會在破壞過程中發(fā)生分層現(xiàn)象。目前工字形三維機(jī)織復(fù)合材料彎曲力學(xué)性質(zhì)研究文獻(xiàn)較少，其力學(xué)性質(zhì)、破壞損傷機(jī)理及模式還需要進(jìn)一步探討。高雄等[10]分析了不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料在不同方向上的彎曲性能，結(jié)果表明正交結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在各個方向上的性能比較平均，總體彎曲性能最好，這也是筆者在設(shè)計工字形三維機(jī)織物時選用正交分層結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。馬亞運(yùn)等[11]研究了雙軸向與四軸向經(jīng)編復(fù)合材料彎曲性能。本文研究的重點是將該工字形三維機(jī)織復(fù)合材料作為一種承重結(jié)構(gòu)件來應(yīng)用，而承重結(jié)構(gòu)件的承重能力最直觀的評價方法就是在彎曲受力過程中的所能承受的最大力以及破壞方法。長期以來本課題組對于其他異形三維機(jī)織物以及復(fù)合材料方面的研究也為本論文的順利開展提供了理論依據(jù)[12-13]。

本文選用低價、環(huán)保的玄武巖纖維，在普通織機(jī)上，低成本織造了不同厚度的工字形三維機(jī)織物。并采用VARTM成型工藝將其與樹脂復(fù)合制成復(fù)合材料，并對該復(fù)合材料進(jìn)行彎曲測試，分析其力學(xué)性能。研究結(jié)果將為工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在以后的工程應(yīng)用中提供良好的理論基礎(chǔ)。

1?實?驗

1.1?工字形三維機(jī)織物的設(shè)計

為了解決工字形三維機(jī)織物的高度在使用普通織機(jī)織造時受到織機(jī)綜框數(shù)目限制的問題，采用壓扁還原的方法織造了不同厚度的工字形三維機(jī)織物，一共采用兩個紋板就可以達(dá)到織造效果。如圖1所示，A1、A3區(qū)的織物組織結(jié)構(gòu)相同，在織造過程中采用同一塊紋板進(jìn)行織造，A2區(qū)的織物組織結(jié)構(gòu)不同于A1、A3區(qū)，因此采用另外一塊紋板進(jìn)行織造。

A1和A3部分為工字形三維機(jī)織物的法蘭部分，即上翼和下翼，A2為工字形三維機(jī)織物的腹板部分，即中間的梁。具體以高度20 mm、厚度2 mm的工字形三維機(jī)織物為例，說明A1、A2、A3各自的對應(yīng)位置，圖2為壓扁還原后的工字形三維機(jī)織物示意圖。

A1、A3區(qū)采用雙層織物設(shè)計方法，A2區(qū)采用平板狀的織物設(shè)計方法，為使A2區(qū)的織物結(jié)構(gòu)緊密，同時紗線層數(shù)增多，抗剪切性能良好，A1、A2、A3區(qū)的織物結(jié)構(gòu)都采用了正交分層結(jié)構(gòu)。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為厚度2、4、6 mm的工字形三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖，圓圈表示緯紗，線條表示經(jīng)紗。

圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別為厚度2、4、6 mm的工字形三維機(jī)織物的紋板圖。

1.2?工字形三維機(jī)織物的織造

a）原料選擇：經(jīng)、緯紗均采用800 tex玄武巖長絲（浙江石金玄武巖纖維有限公司），與其他高性能纖維如碳纖維、玻璃纖維相比，玄武巖纖維具有很好的力學(xué)性能，兼具低價、環(huán)保的性能。

b）織機(jī)選擇：采用SGA-598型半自動普通小樣織機(jī)（江陰市通源紡機(jī)有限公司）來織造工字形三維機(jī)織物。

c）穿綜：采用順穿法。在穿綜過程中，厚度6、4、2 mm的工字形三維機(jī)織物分別使用12頁綜框、8頁綜框、4頁綜框。

d）鋼筘的選擇與穿筘方法：為了減少織物的孔隙，選用筘號為40（即540齒/10 cm）的鋼筘。每筘齒穿入一個組織循環(huán)的紗線，梁厚為6、4、2 mm的工字形三維機(jī)織物的筘入數(shù)分別為12、8、4，當(dāng)筘入數(shù)較大時，通常需要將經(jīng)紗分成幾股綁在經(jīng)軸上，以減少紗線的黏連，同時為了防止織造過程中紗線因摩擦而起毛羽，需要給經(jīng)紗進(jìn)行少量的噴水從而減少表面毛羽浮起。

1.3?工字形三維機(jī)織復(fù)合材料制備

真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，簡稱VARTM成型工藝。相比起其他工藝來說，該工藝成本低、浪費(fèi)少，最主要的是材料上產(chǎn)生的空隙較少[14-16]。因此選用VARTM成型工藝來制備復(fù)合材料。

環(huán)氧乙烯基樹脂V-118（無錫錢廣化工原料有限公司），采用與之配套的固化劑和促進(jìn)劑。按照樹脂∶固化劑∶促進(jìn)劑=100∶5∶5配比;將配好的溶液從進(jìn)料口利用真空抽入真空袋內(nèi)，室溫固化24 h，放在80 ℃烘箱里熟化8 h得到工字形三維機(jī)織復(fù)合材料。工字形三維機(jī)織物在下機(jī)以后就采用高度分別為20、40、60 mm的矩形模具進(jìn)行固定，在固化以之后再取下模具。

1.4?彎曲性能測試

依據(jù)GB/T 9341—2008/ISO 178：2001《塑料彎曲性能測試》。將試樣制備成長120 mm、寬30 mm的樣品，最終得到3種不同厚度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料，如圖5所示。在TH-8102S萬能試驗機(jī)上進(jìn)行測試，測試速度設(shè)為10 mm/min，得到載荷-位移曲線、能量吸收柱狀圖。

2?結(jié)果與討論

2.1?彎曲載荷-位移曲線

工字形的三維預(yù)制件由于常常被用來做承重結(jié)構(gòu)，因此探究工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在受力過程中所能承受的載荷隨位移以及時間的變化是十分必要的。通過三點彎曲測試得到不同厚度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的載荷-位移曲線如圖6所示。

由圖6可知，在相同位移下，彎曲載荷隨著復(fù)合材料厚度的增加而增加，而且復(fù)合材料厚度對其彎曲載荷的影響較為顯著，這說明彎曲載荷對于該復(fù)合材料的厚度是敏感的。同時，盡管厚度不同，但工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的載荷-位移曲線都可以大致分成3個階段：第一階段即材料剛剛受到壓力的作用，曲線呈現(xiàn)直線上升的趨勢，直至出現(xiàn)屈服點;第二階段即隨著位移的增加（壓力的繼續(xù)作用）曲線逐漸趨于平緩，達(dá)到破壞點（最大載荷點）;第三個階段即隨著壓頭的繼續(xù)向下，材料達(dá)到最大載荷，因此曲線會出現(xiàn)急劇的下降。

為了更明顯地反映出工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的厚度對載荷的影響，從中提取了3個不同厚度的最大載荷，通過式（1）得到材料的彎曲強(qiáng)度，并做對比，如表1所示。

式中：σ為彎曲強(qiáng)度，MPa;P為破壞載荷，N;L為復(fù)合材料的測試跨距，mm;b為復(fù)合材料試樣的寬度，mm;h為復(fù)合材料試樣的厚度，mm。

由表1可知，隨著厚度的增加，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料最大載荷和彎曲強(qiáng)度都有著明顯的增加，最大載荷的變化尤為明顯。這是因為工字形三維機(jī)織物從結(jié)構(gòu)上來說分為兩部分：邊緣部分和主體部分，兩端為邊緣部分，中間為主體部分。

在受力過程中，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的主要支撐部位是中間的梁，因此該部位的厚度對整個材料性能的影響都是最大的。

2.2?能量吸收柱狀圖

能量也是衡量材料力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)，因此在Origin8.0中對載荷-位移曲線進(jìn)行積分得到材料的最大吸收能量，從而得到能量吸收柱狀圖。圖7為不同厚度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的能量吸收柱狀圖。

從圖7可以看出，能量隨著復(fù)合材料厚度的增加，其材料所能吸收的能量具有很大的差異，原因跟工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的主要支撐部位是中間的梁有關(guān)，因此不同的厚度對其材料的能量吸收性能的影響巨大。

3?結(jié)?論

通過制備工字形三維機(jī)織復(fù)合材料，解決了當(dāng)前常用的工字形鋪層復(fù)合材料整體性不佳的問題;同時通過對比同一高度不同厚度工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的載荷-位移曲線和能量-位移曲線，得出以下結(jié)論：工字形三維機(jī)織物從結(jié)構(gòu)上分為邊緣部分和主體部分，兩端為邊緣部分，中間為主體部分。在受力過程中，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的主要支撐部位是中間的梁，因此該部位的厚度對整個材料的性能的影響是最大的。隨著工字形三維機(jī)織復(fù)合材料中間厚度的增加，該工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的載荷、彎曲強(qiáng)度以及總的吸收能量都表現(xiàn)出越來越好的趨勢，且改善明顯。

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