增強體織物組織結(jié)構(gòu)對曲面復合材料力學性能的影響

汪 浩，徐珍珍，阮芳濤，王孝鋒

(安徽工程大學紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

紡織結(jié)構(gòu)復合材料自20世紀末發(fā)展以來，已廣泛應用于航空航天、交通、建筑、體育、醫(yī)療等領域?，F(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復合材料與人類的生活密切相關，對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展將產(chǎn)生重要的推動作用[1]。在紡織結(jié)構(gòu)復合材料中，纖維是承載體，基體起固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用[2]。通過選用不同的增強體結(jié)構(gòu)可以調(diào)控復合材料的力學性能。因此研究不同結(jié)構(gòu)織物的對復合材料力學性能的影響很有意義[3]。紡織結(jié)構(gòu)復合材料具有比強度大、重量輕、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性的特點[4]。目前，對復合材料的力學性能研究比較多，主要是集中在平板形狀的復合材料研究，對于曲面的紡織結(jié)構(gòu)復合材料研究較少。但是應用于不同物體的各類結(jié)構(gòu)部件要求形狀各異，并且在很多場合下需要用到曲面部件。本文通過自制的模具制備了曲面復合材料，并測試了曲面玄武巖復合材料的三點彎曲性能、沖擊性能以及頂破性能，探討了不同織物組織結(jié)構(gòu)對復合材料力學性能的影響，為提高曲面復合材料綜合力學性能的研究提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

玄武巖纖維布，平紋、斜紋、緞紋、無緯布，浙江石金玄武巖纖維股份有限公司；

環(huán)氧樹脂，JL-235，常熟佳發(fā)化學有限責任公司；

固化劑，JH-242，常熟佳發(fā)化學有限責任公司。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電子萬能試驗機，WDW-20，濟南天辰試驗機制造有限公司；

數(shù)顯簡支梁沖擊試驗機，濟南恒思盛大儀器有限公司；

曲面復合材料成型模具，自制，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mold

1.3 樣品制備

裁取10 cm×10 cm大小的玄武巖纖維織物，詳見表1，室溫下配制質(zhì)量比100∶27的環(huán)氧樹脂和固化劑混合溶液，將裁好的玄武巖布浸入樹脂，并在模具中復合成型(模具如圖1)。然后再將復合成型的復材切割成長寬高為5 cm×1 cm×1 cm的曲率半徑50 mm(模具的曲率為50 mm，進而制得的復材試樣曲率為50 mm)的曲面復合材料，用作三點彎曲和沖擊測試試樣；頂破測試試樣為整塊曲面復合材料，制樣流程圖如圖2所示。其中無緯玄武巖曲面復合材料根據(jù)切割方向分為2種試樣，一是沿著纖維鋪層方向切割，即無緯玄武巖曲面復合材料-90 °，二是垂直于纖維鋪層方向切割，即無緯玄武巖曲面復合材料-0(°)。

表1 試樣規(guī)格及相應的名稱簡寫Tab.1 Sample specifications and corresponding names abbreviated

圖2 制樣流程圖Fig.2 Schematic diagram of the process for composite sample preparation

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

三點彎曲性能參照GB/T 3356—2014進行測試，測試速度設置為5 mm/min；

沖擊性能參照GB/T 1043—2008進行測試，試樣長度為50 mm，寬度為10 mm，支撐線間距離為40 mm，沖擊速度為3.8 m/s；

頂破強力測試：壓頭為直徑8 mm，長度26 mm的圓柱體，頂破過程如圖3所示，頂破速度為50 mm/min。

圖3 頂破過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the topping process

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲性能分析

圖4為試樣的3點彎曲測試載荷-撓度曲線，可以看出，不同紡織結(jié)構(gòu)復合材料的曲線斜率也不相同，其中

1—WBC-0 ° 2—WBC-90 ° 3—PBC 4—TBC 5—SBC圖4 3點彎曲測試載荷-撓度曲線Fig.4 Three-point bending test load-deflection curves

PBC的曲線最陡，抵抗變形能力最高的，即模量最大，接著依次是SBC、TBC、WBC-90 °和WBC-0(°)。從表2中的數(shù)據(jù)得到，PBC的彎曲強度為189 MPa，SBC為143 MPa，TBC為112.1 MPa，WBC-0 °為28.6 MPa，WBC-90 °為142 MPa，其強度的變化趨勢和模量是一致的，其中，PBC的彎曲強度是最大的，SBC比WBC-90 °彎曲強度略高，WBC-0 °最小，TBC低于SBC。從增強體結(jié)構(gòu)上來看，平紋的組織點多，纖維多是屈曲狀態(tài)不易移動，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，因此，PBC的彎曲強度高。緞紋結(jié)構(gòu)雖然組織點較少，但纖維處于伸直狀態(tài)，在3點彎曲測試中，纖維有由伸直狀態(tài)到屈曲狀態(tài)的變化過程，因此，SBC彎曲強度也較大。和緞紋類似，雖然無緯結(jié)構(gòu)沒有很多的交織點，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不強，但是無緯結(jié)構(gòu)的纖維沒有屈曲結(jié)構(gòu)，纖維排列規(guī)律，取向程度高，所以WBC-90 °彎曲強度高。無緯結(jié)構(gòu)是一種單向鋪層纖維布，其結(jié)構(gòu)中纖維分布取向變化較小，其裂紋的擴展主要是沿著垂直纖維分布方向[5]，因此，導致了無緯90 °結(jié)構(gòu)的彎曲強度和彎曲模量增加，相應的無緯0 °結(jié)構(gòu)的彎曲強度和彎曲模量很小。

撓度與材料的受力變形相關，從而影響到材料的使用性能。從表2中可以看出，SBC的撓度最大，為9.7 mm，這是因為緞紋結(jié)構(gòu)的組織點少，容易產(chǎn)生滑移，同時玄武巖纖維紗線屈曲狀態(tài)少，所以緞紋結(jié)構(gòu)復合材料在承受載荷時，首先通過組織點滑移和纖維的屈曲，最后達到材料的完全斷裂；平紋結(jié)構(gòu)組織點較多，紗線和紗線間相互作用，不易產(chǎn)生滑移，因此PBC撓度較小。

表2 不同織物組織結(jié)構(gòu)對復合材料彎曲性能的影響Tab.2 Effect of different fabric structure on the bending properties of composite materials

2.2 沖擊性能分析

圖5為不同織物組織結(jié)構(gòu)對曲面復合材料沖擊吸收能量值，可以看出WBC-90 °和SBC的沖擊吸收能量要高于其他幾種結(jié)構(gòu)的復合材料?？椢锝Y(jié)構(gòu)直接影響到復合材料的能量吸收、損傷程度和破壞模式，試樣的損傷形式包括基體開裂、纖維斷裂、分層和表面變形，而且這些損傷形式相互影響共同存在[6]。從結(jié)構(gòu)上看，紡織結(jié)構(gòu)分為交織區(qū)和周圍區(qū)，交織區(qū)內(nèi)的纖維呈現(xiàn)非直線狀態(tài)，面內(nèi)剛度較低；周圍區(qū)是直纖維區(qū)，能夠承受更多載荷[[7-8]。緞紋的組織點少，易于產(chǎn)生面內(nèi)滑移，纖維紗線屈曲狀態(tài)少[9]，所以組織結(jié)構(gòu)為緞紋的復合材料在受到?jīng)_擊時，增強體承受載荷時，會發(fā)生組織點滑移，原本伸直的纖維也會發(fā)生屈曲，因此吸收的能量增多；平紋的組織點密集，纖維不易發(fā)生滑移，而且纖維一直處于屈曲狀態(tài)，因此，PBC承受沖擊時所能吸收的能量較低。斜紋組織的結(jié)構(gòu)介于平紋和緞紋之間，所以TBC的吸收能量數(shù)值也介于兩者之間。因為無緯結(jié)構(gòu)的玄武巖纖維布是鋪層的結(jié)構(gòu)，并沒有實際意義上的組織點存在，只是纖維與紗線的交織，WBC-0 °相當于是切割了纖維，纖維對載荷的傳遞起到較小的作用，沖擊吸收能量很低；而WBC-90 °吸收能量數(shù)值偏大，這是因為WBC-90 °為沿著纖維鋪層方向切割，纖維并沒有發(fā)生斷裂。

圖5 不同織物組織結(jié)構(gòu)對材料沖擊吸收能量柱狀圖Fig.5 Histogram of energy absorption energy of different fabric structures

圖6 WBC-90 °厚度對吸收能量影響Fig.6 Effect of WBC-90 ° thickness on impact strength

本文進一步設計了一組實驗進行驗證了WBC-90 °試樣厚度對沖擊吸收能量數(shù)值的影響，如圖6所示，8～10層的增長幅度是72.8 %，明顯大于2～4層的32 %，4～6層的48.2 %以及6～8層的20.7 %，很明顯隨著厚度的增加，沖擊吸收能量增幅變大，所以就無緯結(jié)構(gòu)的玄武巖曲面復合材料而言，厚度對其沖擊吸收能量起更大作用，這也就解釋了WBC-90 °沖擊吸收能量較大的原因[10]。

2.3 頂破性能分析

目前，復合材料很多使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常受到外界物體的低速頂破破壞，如尖銳砂礫的頂破破壞[11]。圖7為不同織物結(jié)構(gòu)復合材料的頂破強力，從圖中可以看出，TBC頂破強力最高，SBC次之，PBC最低，無緯結(jié)構(gòu)復合材料的頂破強度與前面3種結(jié)構(gòu)相差數(shù)值較小。平紋結(jié)構(gòu)組織點多，在承受載荷時，纖維不易發(fā)生滑移，并且經(jīng)緯方向的紗線都承受同等大小的力，試樣呈現(xiàn)十字形破壞，強力相對較低；緞紋結(jié)構(gòu)組織點少，在承受載荷時，纖維容易發(fā)生滑移，頂破強力較大。因為頂破速度要遠小于沖擊速度，而且頂破的試樣與三點彎曲和沖擊的不同，在受力交結(jié)點處對于載荷的反應也有所不同，因此，TBC的受力面出現(xiàn)了十字斷裂口，破壞嚴重，TBC的頂破強力最大，而PBC 和SBC受力面只是出現(xiàn)了十字斷裂紋?？椢镌陧斊茣r的破壞斷裂形貌，存在十字形和一字形破壞。當織物作為增強體時，其曲面復合材料的破壞形式也是這2種破壞形式。

圖7 不同織物結(jié)構(gòu)頂破強力Fig.7 Breaking strength histogram of different fabric structures

(a)SBC (b)PBC (c)WBC (d)TBC圖8 頂破試樣斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the broken samples

如圖8所示，SBC、TBC以及PBC的頂破破壞形貌滿足了十字形破壞；WBC的破壞是出現(xiàn)一字形斷裂口。TBC的頂破破壞情況比較嚴重，出現(xiàn)十字形斷裂口，即表面出現(xiàn)了分層斷裂，樹脂與增強體分離，出現(xiàn)了分層斷裂。PBC和SBC只是出現(xiàn)了十字形斷裂紋，SBC的裂紋面積比PBC的大，PBC裂紋出現(xiàn)輕微的分層斷裂；其中PBC和SBC斷口處相對齊整，而TBC斷口處纖維抽插雜亂，樹脂與增強體分撥脫離。因為增強體結(jié)構(gòu)經(jīng)緯紗能承受相近的載荷，所以出現(xiàn)十字形破壞；而無緯結(jié)構(gòu)的玄武巖曲面復合材料則會出現(xiàn)一字形破壞，WBC斷口處是樹脂與基體發(fā)生斷裂破壞，發(fā)生脫離，是因為它的經(jīng)緯方向所能承受的載荷差異很大，在緯度方向上基本沒有承載能力[12]。WBC斷裂口附近出現(xiàn)基體脫落，而增強體未發(fā)生斷裂破壞。

3 結(jié)論

(1)相對于平紋、緞紋、斜紋及無緯結(jié)構(gòu)的曲面復合材料，平紋結(jié)構(gòu)增強體的曲面復合材料彎曲強度和模量在幾種織物組織結(jié)構(gòu)中是最大的，而緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復合材料撓度最大；

(2)緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復合材料的沖擊性能最好；玄武巖鋪層數(shù)目對無緯結(jié)構(gòu)玄武巖曲面復合材料的沖擊性能影響比較大；

(3)斜紋結(jié)構(gòu)的曲面復合材料頂破強力最高；增強體為織物結(jié)構(gòu)的曲面復合材料頂破破壞形式有十字形和一字形；

(4)力學性能測試結(jié)果綜合分析可知：增強體是緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復合材料綜合性能優(yōu)良。