機織三維角聯鎖結構織物復合板材的制備與力學性能研究*

張 默 賀曉亞

1.成都東軟學院，四川 成都 611844；2.江西服裝學院，江西 南昌 330201

20世紀60年代，為更好地滿足航空航天等尖端科技的需要，各種仿生復合材料[1]、溫敏復合材料[2]、梯度復合材料[3]等應運而生，復合材料迅速發(fā)展。其中，質輕、高強、高模的復合材料，如對位芳綸防彈材料[4]、碳纖維車體復合材料等[5]，備受尖端工業(yè)制造的青睞。目前，復合材料的制備工藝主要包括：將纖維材料作為增強體與基體材料進行復合制備纖維增強復合材料；將不同芯材與表面材料復合制備夾層復合材料；將硬質細粒均勻分布到基體材料內部制備細粒復合材料；將兩種及以上增強材料混雜制備混雜復合材料等[6-8]。

機織三維角聯鎖結構織物具有設計性強、強度高和耐沖擊等特點[9]，本文為進一步增強其力學性能，選擇機織三維角聯鎖結構織物作為增強材料，通過將其與樹脂復合，制備力學性能優(yōu)異的復合板材，并測試復合板材的性能，為今后復合板材的開發(fā)提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料

滌綸線(線密度為210 tex，捻系數為94，市售)，HR-197雙酚A型不飽和聚酯樹脂(市售)。

1.2 儀器與設備

INSTRON 5590型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)、SGA598型全自動劍桿織機(江陰市通源紡機有限公司)、Practum 213-1CN電子精密天平(精度0.001 g，德國賽多利斯集團)、XCJD-50型數顯簡支梁非金屬材料沖擊試驗機(承德優(yōu)特檢測儀器制造有限公司)、2BV型不銹鋼水環(huán)式真空泵(上海博禹泵業(yè)有限公司)。

1.3 試樣制備

1.3.1 織物的設計與織造

采用線密度為210 tex的滌綸線設計并制備了3、5和8層機織三維角聯鎖結構織物，其結構示意和上機組織圖分別如圖1和圖2所示。

1——經紗；2——緯紗

圖2 機織三維角聯鎖結構織物的上機組織圖

機織三維角聯鎖結構織物的上機參數設計：總經紗根數為130，每筘齒入1根經紗；經紗密度為85根/(10 cm)，緯紗密度為120根/(10 cm)。

織造流程主要包括常規(guī)的整經、穿經、穿筘、織造和整理等。

此外，為固定剪斷的緯紗，避免緯紗卷入織物中，影響織物質量，織物邊緣采用絞綜設計，以提高復合板材的整體力學性能。

1.3.2 復合板材的制備

機織三維角聯鎖結構織物與樹脂復合的工藝原理如圖3所示。

圖3 復合板材制備的工藝原理

準備適合機織三維角聯鎖結構織物的密封袋模具和吸入管。吸入管的一端置于密封袋模具的上端，另一端置于溫度為60 ℃、黏度較小的熔融態(tài)樹脂中。密封袋模具的底端插入一根真空管，真空管通過接入中間輔助袋后與真空泵連接，利用真空泵產生的負氣壓將熔融態(tài)樹脂吸入密封袋模具中，對機織三維角聯鎖結構織物進行注脂。然后，降溫至20 ℃使樹脂凝固，2 h后去除密封袋模具，即制得機織三維角聯鎖結構織物復合板材。

此外，本文還在相同條件下用散亂纖維作為增強體，制備了纖維隨機分布的復合板材作為對比試樣。

為研究單位體積纖維含量即復合板材中纖維體積占復合板材體積的百分數對復合板材力學性能的影響，本文以8層機織三維角聯鎖結構織物復合板材為例，通過改變樹脂的用量，制備單位體積纖維含量為36.91%、41.48%、48.59%、55.37%和62.57%的8層機織三維角聯鎖結構織物復合板材，以及相同單位體積纖維含量的纖維隨機分布復合板材，比較它們的力學性能。另外，本文還制備了單位體積纖維含量為55.37%的不同層數的機織三維角聯鎖結構織物復合板材，研究機織三維角聯鎖結構織物層數對復合板材力學性能的影響。

1.4 力學性能測試

參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，利用INSTRON 5590型萬能材料試驗機，測試復合板材試樣的拉伸強度。

參照GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》，利用INSTRON 5590型萬能材料試驗機，測試并計算復合板材試樣的彈性模量。

參照GB/T 1451—2005《纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法》，利用XCJD-50型數顯簡支梁非金屬材料沖擊試驗機，測試復合板材試樣的抗沖擊強度。

2 結果與討論

2.1 單位體積纖維含量對復合板材力學性能的影響

不同單位體積纖維含量的8層機織三維角聯鎖結構織物復合板材試樣與纖維隨機分布復合板材試樣的力學性能測試結果如表1所示。

表1 不同單位體積纖維含量的復合板材試樣的力學性能測試結果

由表1可知：

(1) 8層機織三維角聯鎖結構織物復合板材試樣的拉伸強度、彈性模量與抗沖擊強度開始均隨著單位體積纖維含量的增加而提高并達峰值，然后逐漸降低。其原因在于隨著單位體積纖維含量的增加，起初有更多的纖維、織物與樹脂結合，復合板材力學性能增加；當單位體積纖維含量超過一定程度時，復合板材內部的樹脂浸透變得不充分，同時樹脂用量減少，造成復合板材厚度降低，復合板材力學性能下降。其中，當單位體積纖維含量在55.37%時，復合板材的力學性能最佳。

(2) 以散亂纖維作為增強材料的復合板材，由于散亂纖維間的抱合力較弱，纖維間相對摩擦力較小，故樹脂與纖維黏合的隨機性較高，加之纖維無法對樹脂進行有效的塑型，故所形成的復合板材的拉伸強度、彈性模量與抗沖擊強度相對較低，力學性能較相同單位體積纖維含量的機織三維角連鎖結構織物復合板材差。

2.2 機織三維角聯鎖結構織物層數對復合板材力學性能的影響

單位體積纖維含量不變(以55.37%的單位體積纖維含量為例)、層數不同的機織三維角聯鎖結構織物復合板材試樣的力學性能測試結果如表2所示。

表2 不同層數機織三維角聯鎖結構織物復合板材試樣力學性能測試結果

由表2可以看出：在單位體積纖維含量不變的前提下，隨著機織三維角聯鎖結構織物層數的增加，復合板材的拉伸強度、彈性模量與抗沖擊強度均增加。其原因包含兩個方面：一方面，復合板材中機織三維角聯鎖結構織物層數越多，織物層間產生的空隙就越多，樹脂進入織物層間空隙后復合板材的厚度增加，導致復合板材的力學性能提高；另一方面，隨著機織三維角聯鎖結構織物層數的增加，織物格柵結構增強，樹脂可充分浸入織物內部，復合板材強度弱環(huán)減小。

3 結論

本文通過真空輔助成型工藝，將采用滌綸線織造的機織三維角聯鎖結構織物與樹脂復合，制備機織三維角聯鎖結構織物復合板材，通過對不同單位體積纖維含量和不同層數的復合板材的力學性能進行測試和分析，得出如下結論。

(1) 當復合板材單位體積纖維含量在55.37%時，其拉伸強度、彈性模量與抗沖擊強度均達最佳，遠高于由散亂纖維作為增強材料制備的復合板材。

(2) 當復合板材單位體積纖維含量不變時，隨著機織三維角聯鎖結構織物層數的增加，復合板材的力學性能提高。