平面三向織物增強橡膠復合材料的偏軸拉伸性能研究

周紅濤, 肖學良, 錢 坤

( 1．江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122；2．鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224000)

0 前言

隨著紡織復合材料的應用領域的不斷拓寬，織物結構及其增強復合材料的研究越來越受到人們的重視?？椢镌鰪娤鹉z復合材料是柔性復合材料的一種，織物作為骨架材料不僅提高其強度，還能限制其變形及保持其尺寸穩(wěn)定性，因此，選擇合適的織物結構作為骨架材料對織物增強橡膠復合材料的應用具有重要的意義[1]。平面三向織物(TWF)是由三組彼此成60 °交織的紗線組成[2]，其交織結構如圖1所示，具有結構穩(wěn)定性好，抗彎強度高，抗撕裂強度高和力學性能準各向同性的特點，克服了機織物(PWF)受非沿經(jīng)紗和緯紗方向的載荷作用時承受載荷的能力及抵抗變形的能力大幅度下降的不足，因此，平面三向織物作為骨架材料應用于織物增強橡膠復合材料領域具有一定的優(yōu)勢。國內(nèi)外學者對平面三向織物在復合材料中的應用進行了大量的研究[3-9]，但研究內(nèi)容主要集中在樹脂基復合材料，對平面三向織物增強柔性復合材料的研究報道較少。本文以平面三向織物增強橡膠復合材料(TWFC)為對象，采用采用偏軸拉伸的方法研究其各向異性性能。陳守輝采用理論和實驗相結合的方法研究了機織物建筑膜材料偏軸拉伸的破壞機理[10]。郭囊括、敬凌霄等采用偏軸拉伸方法研究了柔性多軸向經(jīng)編聚氨酯涂層織物的拉伸性能，對理論分析模型和實驗結果進行了對比分析，理論模型對涂層織物的彈性模量和泊松比的預測較準確[11]；張營營等對聚四氟乙烯的玻璃纖維類膜材(PTFE膜材)和聚氯乙烯的聚酯纖維類膜材(PVC膜材)的偏軸拉伸性能及破壞機理進行研究[12-14]。

(a)平面三向織物結構 (b)平面三向織物的單胞圖1 平面三向織物結構及單胞形態(tài)Fig.1 The structure of triaxial woven fabric and its unit cell

本文對TWFC和平紋織物增強橡膠復合材料(PWFC)的各向異性性能進行研究，并分析了試樣形狀對織物增強橡膠復合材料偏軸拉伸的影響。研究成果為平面三向織物在橡膠復合材料及其他柔性復合材料的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

平面三向織物(TWF)和平紋織物(PWF)均采用錦綸66長絲，線密度為186.67 tex，捻度為70捻/米，江蘇太極實業(yè)新材料有限公司；平面三向織物和平紋機織物的面密度相同，詳細參數(shù)如表1所示；

丁腈橡膠混煉膠，新鄉(xiāng)市鼎誠橡膠有限公司；

開姆洛克402黏合劑，美國洛德公司。

1.2 主要設備及儀器

熱壓機，4128Carver熱壓機，30T，美國Mycro公司；

萬能強力機，Instron 3385H，美國英斯特朗公司。

表1 2種織物的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of two prepared fabrics

1.3 樣品制備

織物增強橡膠復合材料的制備采用熱壓法，工藝參數(shù)設置分別為：溫度145 ℃，壓力10 MPa(第一次)、16 MPa(第二次)；時間 20 min；克重：3 431 g/m2。

1.4 性能測試與結構表征

以平面三向織物(或平紋織物)增強橡膠復合材料的緯紗為基準，分別沿逆時針方向偏離基準0 °、15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 ° 7個方向裁剪試樣，每個角度裁剪3個試樣，進行拉伸試驗，拉伸性能參考HGT 2580—2008進行測試，考慮到織物紗線密度稀疏的實際情況，試樣尺寸為150 mm×50 mm，夾具間距設定為50 mm，拉伸速度為100 mm/min；同時，試驗增加了長方形(R)和啞鈴形(G)2種試樣的偏軸拉伸性能的對比分析。

2 結果與結論

2.1 長方形試樣偏軸拉伸的應力-應變曲線

偏軸角度/(°)：■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a) TWFCR (b) PWFCR圖2 TWFCR和PWFCR的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TWFCR and PWFCR

TWFCR和PWFCR偏軸拉伸的應力應變曲線如圖2所示，TWFCR拉伸斷裂強度沿各偏軸角度的的變化規(guī)律是：0 °和60 °>15 °，45 °和75 °>30 °和90 °；而斷裂伸長率的變化規(guī)律與拉伸斷裂強度的變化規(guī)律相反，即30 °和90 °>15 °、45 °和75 °>0 °和60(°) 。PWFCR拉伸斷裂強度沿各偏軸角度的的變化規(guī)律是：0 °和90 °>15 °和75 °>30 °和60 °>45 °；斷裂伸長率的變化規(guī)律為45 °>30 °和60 °>15 °和75 °>0 °和90(°)。這主要由紗線在織物中的分布造成的，當織物受偏軸拉伸時，紗線分為兩部分，一部分紗線兩端均受到夾具的握持，能承受較大的拉力，對拉伸強度貢獻較大；另一部分只有一端受到夾具的握持或者兩端均未受到夾具的握持，紗線只承受部分拉力及基體的剪切力，對拉伸強度的貢獻較小。當拉伸方向由平行于織物中紗線方向到相鄰兩組紗線的角平分線方向變化時，兩端同時受握持的紗線數(shù)量逐漸減少，因此拉伸斷裂強度逐漸減小，且沿任意兩組紗線角平分線方向?qū)ΨQ分布。在拉伸載荷的作用下，當紗線與拉伸方向平行時，試樣的伸長是紗線受力伸直形成的；當紗線拉伸方向與存在一定的夾角時，紗線的伸長由紗線自身受力伸直和紗線朝減小偏轉角度的方向偏轉產(chǎn)生的伸長組成，雖然基體對紗線的黏結作用對紗線減小偏轉角度的趨勢產(chǎn)生一定的束縛，但是基體的高彈性使試樣中的紗線仍發(fā)生一定程度的偏轉，因此，織物增強橡膠復合材料的斷裂伸長率隨著受力沿紗線方向到任意兩組紗線的角平分線方向的變化而逐漸增大，且沿任意兩組紗線角平分線方向?qū)ΨQ分布。這與陳守輝、張營營等對膜材料的偏軸拉伸變化規(guī)律一致[10]24[14]138。

2.2 啞鈴形試樣偏軸拉伸的應力-應變曲線

TWFCG和PWFCG的應力應變曲線分別如圖3所示，拉伸斷裂強度和斷裂伸長率隨偏軸角度的變化規(guī)律與TWFCR和PWFR的變化規(guī)律相同。

■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a)TWFCG (b) PWFCG圖3 TWFCG和PWFCG的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of TWFCG and PWFCG

—TWFCG —TWFCG —PWFCG —PWFCG(a)拉伸斷裂強度 (b) 斷裂伸長率圖4 試樣在不同拉伸方向時的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率Fig.4 Tensile fracture strength and elongation at break of the specimen in different loading directions

(a)TWFC (b)PWFC圖5 相同尺寸下TWFC和PWFC在不同拉伸方向的受力形態(tài)Fig.5 Stress states of TWF and PWF under different tensile directions with the same size

圖4顯示，TWFC和PWFC的啞鈴形試樣的拉伸斷裂強度大于長方形試樣的斷裂強度，而兩種形狀的斷裂伸長率變化不大。當受力方向與任一紗線平行時，PWFC的拉伸斷裂強度大于TWFC，斷裂伸長率略大于TWFC；隨著拉伸方向由平行于紗線到平行于任意兩組紗線的角平分線，PWFC的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率的變化率大于TWFC。這主要是由于2種織物的街頭特征造成的，偏軸拉伸角度為0 °時，PWFC中兩端同時受握持的紗線的根數(shù)大于TWFC，如圖5所示，使其具有較高的拉伸斷裂強度，PWFC紗線上的交織點數(shù)量小于TWFC，且復合之前PWFC增強體比TWFC增強體的結構松散，使其受拉伸作用時的斷裂伸長率略大于TWFC；隨偏軸角度的變化，TWFC中兩端同時受握持紗線的根數(shù)的變化小于PWFC，使其拉伸斷裂強度的變化程度也小于PWFC，當受到偏軸拉伸作用時，TWFC中3組紗線在交織點處形成相互鎖合的結構特點限制了紗線在拉伸過程中的變形，特別是在基體的黏結作用下，對紗線的變形的限制作用更顯著，因此，TWFC的斷裂伸長率的變化程度較小。

2.3 織物增強橡膠復合材料的拉伸破壞模式

織物增強柔性復合材料的拉伸破壞主要有3種破壞模式：純拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合型破壞。當織物中一組紗線與拉伸方向平行，其他紗線與拉伸方向垂直時，在受到拉伸載荷作用時，柔性復合材料只承受正應力，破壞模式是純拉伸破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為同一截面的紗線整齊斷裂或者沿斜向斷裂，如圖6(a)所示；當復合材料中存在兩端同時受握持且與拉伸方向呈一定夾角(非平行或者垂直)的紗線，在拉伸過程中，紗線發(fā)生偏轉使紗線與拉伸方向的夾角逐漸減小，破壞模式是拉剪混合型破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為斷口方向平行或者垂直于紗線方向，如圖6(b)；當不存在兩端同時受握持的紗線時，在拉伸載荷作用下，紗線克服基體對紗線的剪應力而趨與平行于拉伸加載方向，破壞模式是剪切破壞，破壞形態(tài)是斷口方向多是垂直于拉伸加載方向，如圖6(c)所示。

(a)純拉伸破壞 (b)拉剪混合破壞 (c)純剪切破壞圖6 試樣在不同拉伸方向下破壞模式Fig.6 Failure mode of the specimen in different loading directions

圖7～8分別為TWFC和PWFC的長方形試樣件和啞鈴形試樣件的偏軸拉伸斷裂后的破壞形態(tài)。結合圖5(a)知，TWFC的破壞模式均為拉剪混合型破壞，這主要是由平面三向織物的結構特點形成的，即三組彼此成60 °角的紗線交織，使其在受到偏軸拉伸時始終存在兩端同時受握持且與拉伸方向呈一定偏轉角度的紗線。隨著偏軸角度不同，PWFC呈現(xiàn)出不同的破壞模式，當拉伸方向與某一組紗線平行時(即90 °和0 °)時，如圖5(b)所示，破壞模式為純拉伸破壞；當拉伸方向與某一組紗線的夾角偏小時，破壞模式為拉剪混合型破壞，斷裂方向沿著某一組或者兩組紗線斷裂；當拉伸方向處于PWFC中的兩組紗線的角平分線上時(即45 °)時，兩端同時受握持的紗線根數(shù)為零，且紗線以拉伸方向為軸線對稱分布，破壞形態(tài)為純剪切破壞，紗線斷裂部位出現(xiàn)在試樣中受約束力較小的邊部，并沿著垂直于受力方向擴展。

(a)TWFCR (b)PWFR圖7 TWFCR和PWFC在不同拉伸方向的破壞形態(tài)Fig.7 Destruction morphologies of TWFR and PWFR in off-axis tensile direction

(a)TWFCR (b)PWFR圖8 TWFCG和PWFR的偏軸拉伸破壞形態(tài)Fig.8 Destruction morphologies of TWFCG and PWFCG in off-axis tensile direction

由圖7～8可知，啞鈴形試樣的破壞位置發(fā)生多數(shù)發(fā)生在試樣的中間位置，克服了長方形試樣由于拉應力集中而發(fā)生在夾頭附近的不足。

3 結論

(1)織物骨架性能決定織物增強橡膠復合材料的拉伸性能及其破壞模式，在拉伸載荷的作用下，隨著偏軸角度的變化，TWFC的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率的變化程度較小，表現(xiàn)出拉伸性能的準各向同性，破壞模式為拉剪混合破壞；PWFC的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率變化較大，屬于典型的各向異性材料，破壞模式也隨著偏軸角度的變化而改變。因此，TWFC更適合于對各向同性要求較高的柔性復合材料的領域；

(2)啞鈴形試樣的拉伸斷裂強度較高，且克服了長方形試樣由于拉應力集中而斷裂在夾頭附近的不足。