編織結(jié)構(gòu)對編織復(fù)合材料彎曲性能的影響

閆曉芳,曹海建,黃曉梅

(1.南京海爾曼斯集團(tuán)有限公司,江蘇 南京210000;2.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通226019)

編織復(fù)合材料具有層間結(jié)合力強(qiáng)、抗沖擊性能好等特點,在航天航空、軌道交通、船舶、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。而編織復(fù)合材料的性能主要決定于預(yù)制件(編織物),其根據(jù)機(jī)器底盤上紗線排列回到初始狀態(tài)所需要的運(yùn)動步數(shù),可以分為二步法、四步法和多步法[4-6],其中四步法是目前應(yīng)用最多、結(jié)構(gòu)變化最多的一種編織方式[7-9]。在編織過程中,每根編織紗按一定的規(guī)律運(yùn)動,從而相互交織,形成一個不分層的三維整體結(jié)構(gòu)。

分別采用1×1、1×2、2×1和2×2等4種編織方法制備了4種結(jié)構(gòu)的編織物,并與樹脂復(fù)合制成編織復(fù)合材料,重點研究了4種結(jié)構(gòu)對編織復(fù)合材料彎曲性能的影響。課題的研究對于該類材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和工程化應(yīng)用具有重要指導(dǎo)價值。

1 編織復(fù)合材料的制備

1.1 原料與設(shè)備

原料:1 000 tex無堿玻璃纖維(中材科技股份有限公司);E51型環(huán)氧樹脂(南通星辰合成材料有限公司);H023型聚醚胺(無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司)。

主要設(shè)備:3385H型萬能材料試驗機(jī)(美國Instron公司)。

1.2 編織物的制備

編織物制備工藝見文獻(xiàn)[10-12]。采用4種編織方法制備的編織物分別如圖1所示。

圖1 編織物

1.3 編織復(fù)合材料的制備

編織復(fù)合材料制備工藝:(1)將E51型環(huán)氧樹脂與H023型聚醚胺以4∶1的質(zhì)量比復(fù)配成樹脂體系;(2)將編織物與樹脂以1∶1的質(zhì)量比稱取樹脂備用;(3)取7 cm×120 cm的聚酰亞胺薄膜放置于一塊玻璃平板上,將配制好的1/5樹脂體系傾倒于聚酰亞胺薄膜表面,利用玻璃棒將樹脂涂抹均勻,然后將編織物放置在涂有樹脂的聚酰胺薄膜上;(4)將剩余的4/5樹脂傾倒于編織物上表面,再利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻;(5)將上述涂覆好樹脂編織物連同聚酰亞胺薄膜、玻璃平板一同放置于烘箱干燥,烘燥時間3 h、溫度70℃;(6)烘干結(jié)束后,待材料冷卻后取出,除去材料表面的聚酰胺薄膜,即得到編織復(fù)合材料。

2 測試方法

參照GB 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲性能測試得到表1。為有效分析編織方法對材料彎曲性能的影響,制作了4組不同編織方法的試件,在測試前對試件的上下底面進(jìn)行平整拋光整理,并剔除有缺陷、不符合尺寸要求的試件,每組試件選取5個有效測試值,取平均值作為參考。

表1 編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:cm

3 結(jié)果與分析

3.1 彎曲特性

4種結(jié)構(gòu)編織復(fù)合材料彎曲特性如圖2所示。(1)4種結(jié)構(gòu)編織復(fù)合材料具有相似的彎曲破壞過程。開始階段,材料的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而線性增加,并逐漸增加到最大值;隨后應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加迅速下降,表現(xiàn)為較明顯的脆性斷裂特性。(2)結(jié)合試驗過程發(fā)現(xiàn),開始階段,隨著應(yīng)變的增加,材料的上、下表面逐漸出現(xiàn)越來越多的樹脂開裂和脫落現(xiàn)象;隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加,樹脂脫落現(xiàn)象加劇,上、下面板發(fā)現(xiàn)越來越多的纖維斷裂現(xiàn)象;最后,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時,材料在上壓頭沿厚度方向發(fā)生斷裂破壞,且伴隨著較大的斷裂聲響,材料失效,如圖3所示。

3.2 彎曲性能

4種結(jié)構(gòu)編織復(fù)合材料的彎曲性能如表2所示。分析可知,1×2結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料彎曲性能最好;1×1和2×2結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料次之,且彎曲性能相近;2×1結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料性能較差。

原因分析,彎曲性能的差異主要是由編織結(jié)構(gòu)決定的。(1)對于1×1和2×2結(jié)構(gòu),其中所有編織紗與編織復(fù)合材料軸向的夾角相同,因此具有相近的彎曲性能;(2)對于1×2結(jié)構(gòu),其中大部分編織紗與編織復(fù)合材料軸向的夾角與1×1和2×2結(jié)構(gòu)相近,而小部分編織紗與材料軸向的夾角較大,使得材料受彎曲載荷作用時能夠承擔(dān)較多的彎曲載荷,因此具有最好的彎曲性能;(3)對于2×1結(jié)構(gòu),材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與1×2結(jié)構(gòu)相反,因此具有相對較差的彎曲性能。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 材料側(cè)面斷裂形貌

表2 編織復(fù)合材料的彎曲性能

4 結(jié)論

(1)1×1、1×2、2×1和2×2編織結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料具有相似的彎曲特性,彎曲應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加均呈現(xiàn)先增加再下降的規(guī)律。

(2)1×2結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料彎曲性能最好,1×1和2×2結(jié)構(gòu)次之,2×1結(jié)構(gòu)最差。

(3)編織復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的破壞模式主要表現(xiàn)為上壓頭沿厚度方向的纖維斷裂、樹脂的破碎和脫落等。