不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)碳布性能的影響

邢丹丹，陳婷婷，唐亦囡

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京210012）

0 前言

自20世紀(jì)60年代突破聚丙烯腈基碳纖維連續(xù)制備技術(shù)后，經(jīng)過多年的研發(fā)、應(yīng)用與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外開發(fā)了以T300、T800、T1100G以及AS4、IM7、IM10為代表的三代高強(qiáng)型碳纖維，逐步實(shí)現(xiàn)了聚丙烯腈基碳纖維“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、實(shí)用化”，推動(dòng)了碳纖維在航空航天、國(guó)防等軍事領(lǐng)域以及高級(jí)體育用品、醫(yī)療器械等民用領(lǐng)域的應(yīng)用［1-4］。

碳纖維不僅具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等一系列優(yōu)異性，同時(shí)又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟及可加工性，使其與復(fù)合材料形成了一種嶄新的材料體系，碳布是其不可缺少的組成部分［5-7］。

以碳布為增強(qiáng)體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，作為2l世紀(jì)新材料領(lǐng)域最先進(jìn)的高科技產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國(guó)防與工業(yè)等領(lǐng)域。針對(duì)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高及外形尺寸穩(wěn)定性良好的復(fù)合材料構(gòu)件成型制備工藝，碳布的厚度會(huì)影響預(yù)浸料的鋪貼性能，進(jìn)而影響復(fù)合成型過程中復(fù)雜曲面與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋪貼要求［8-9］。而作為復(fù)合材料中承受載荷的主體，碳布拉伸性能顯著影響著復(fù)合材料的拉伸性能。然而，在設(shè)計(jì)和織造織物時(shí)，織物的厚度與拉伸性能不能直接控制，能直接控制的只有織物結(jié)構(gòu)參數(shù)［10-11］。本研究的主要目的是探索結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物厚度及拉伸性能之間關(guān)系，用以設(shè)計(jì)出厚度與拉伸性能符合復(fù)合材料使用要求的碳布。

本文采用T800-6k碳纖維，通過對(duì)不同經(jīng)緯密配比及同種經(jīng)密不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比的平紋碳布進(jìn)行檢測(cè)，探索不同參數(shù)配比下織物的厚度與經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力的變化，獲取織物參數(shù)與碳布性能間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

T800-6K碳纖維，日本東麗。

設(shè)計(jì)制備了4種不同經(jīng)密的碳布，其中每種經(jīng)密又分別設(shè)計(jì)了4種不同的緯密，其參數(shù)如表1所示。

表1 織物不同經(jīng)緯密配比

表1所設(shè)計(jì)織物其經(jīng)緯紗股數(shù)配比為1：1，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了經(jīng)緯紗股數(shù)配比為1：2與2：1兩種參數(shù)。其中每種股數(shù)配比分別設(shè)計(jì)了4種不同的緯密，參數(shù)如表2所示。

表2 不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比

1.2 儀器設(shè)備

INSTRON 5566萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；

1-630數(shù)字式織物厚度儀

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 厚度測(cè)試

試驗(yàn)儀器選用1-630數(shù)字式織物厚度儀，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)借鑒JC/Tl70—2012《E玻璃纖維布》， 加壓壓力為100 kPa，加壓時(shí)間為10 s，試驗(yàn)在溫度（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±10）%下進(jìn)行。

1.3.2 拉伸性能測(cè)試

采用INSTRON 5566萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行織物經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 7689.5-2013《增強(qiáng)材料機(jī)織試驗(yàn)方法第5部分：玻璃纖維拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，試驗(yàn)在溫度23℃、濕度54%下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物厚度分析

在經(jīng)緯紗股數(shù)為1：1的情況下，不同經(jīng)密隨著緯密的變化，其織物厚度的變化如圖1所示；不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比下，同種經(jīng)密隨著緯密的變化，其織物厚度變化如圖2所示。

圖1 不同經(jīng)密織物厚度的變化

從圖1可以看出，同種經(jīng)密隨著緯密的提高其厚度呈整體上升的趨勢(shì)，同時(shí)在緯密不變的情況下，隨著經(jīng)密的提高，織物厚度也是呈整體上升的趨勢(shì)。主要原因在于隨著織物經(jīng)緯密的提高，織物緊度變高，紗線在織物中的截面形態(tài)發(fā)生變化，引起整體屈曲波高變高，從而造成織物正反面之間的垂直距離增大，如圖2。從圖中可以明顯看出，緯密不變的情況下，隨著織物經(jīng)密的提高，紗線在織物內(nèi)部的彎屈曲狀態(tài)發(fā)生變化，織物厚度有明顯的提高。

圖2 同種緯密不同經(jīng)密織物紗線的截面形態(tài)

從圖3可以看出，在經(jīng)密相同的情況下，隨著緯密的提高其厚度呈整體上升的趨勢(shì)。當(dāng)經(jīng)緯紗股數(shù)配比為1：2與2：1時(shí)，兩種織物的厚度理論上應(yīng)相同，但厚度測(cè)試結(jié)果顯示，織物經(jīng)緯紗股數(shù)配比為1：2時(shí)其厚度明顯低于2：1時(shí)的厚度。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要在于碳布織造時(shí)，紗線間并未進(jìn)行加捻，因此2股緯紗在引入時(shí)，紗線間進(jìn)行了滑移，降低了織物的整體屈曲波高。而經(jīng)紗由1股變?yōu)?股時(shí)，其經(jīng)密不發(fā)生變化，每個(gè)筘齒內(nèi)紗線股數(shù)變成2股，織造時(shí)經(jīng)紗因鋼筘的原因，紗線間發(fā)生了輕微的重疊，因此經(jīng)緯紗股數(shù)配比為2：1時(shí)的厚度要高于1：2時(shí)的厚度。

圖3 不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比織物厚度變化

2.2 拉伸性能分析

在相同紗股數(shù)配比不同經(jīng)密及同種經(jīng)密不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比下，隨著緯密的變化其織物經(jīng)向拉伸性能的變化如圖4、圖5所示。

圖4 不同經(jīng)密織物經(jīng)向拉伸性能的變化

圖5 不同經(jīng)緯紗股數(shù)配比織物經(jīng)向拉伸性能的變化

從圖4可以看出，在織物經(jīng)密不變的情況下，僅增加緯密，其拉伸斷裂強(qiáng)力呈上升趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較為緩慢，主要原因在于雖然提高織物的緯密使得經(jīng)緯紗線間的交織增加摩擦阻力增大，拉伸斷裂強(qiáng)力增加，但同時(shí)緯密的提高會(huì)導(dǎo)致經(jīng)紗與織機(jī)間的摩擦作用增強(qiáng)，造成經(jīng)紗強(qiáng)力的降低。而織物緯密不變的情況下，隨著經(jīng)密的提高，織物的拉伸斷裂強(qiáng)力呈顯著上升的趨勢(shì)，但其上升趨勢(shì)逐漸降低。主要原因在于對(duì)織物而言，其經(jīng)緯密存在一個(gè)極限值，在極限內(nèi)，隨著經(jīng)緯密的提高其強(qiáng)力增加，若超過這一極限，則織物的強(qiáng)力會(huì)逐漸降低。本研究經(jīng)緯密在其極限內(nèi)，但開始逐漸趨于其極限值。

從圖5中可以看出，經(jīng)緯密相同的情況下，增加緯紗股數(shù)織物經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力略微有所提高，但相對(duì)于增加經(jīng)紗股數(shù)而言，其對(duì)織物的拉伸斷裂強(qiáng)力影響較小。原因在于織物經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力主要由經(jīng)向紗線所提供，提高緯紗股數(shù)雖然在一定程度上可以增加織物紗線間的交織，但對(duì)經(jīng)紗方向的拉伸性能貢獻(xiàn)較少。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)織物厚度分析，隨著經(jīng)緯密的提高，織物厚度呈上升的趨勢(shì)，同時(shí)經(jīng)紗股數(shù)對(duì)織物厚度的影響要大于緯紗股數(shù)。

（2）通過對(duì)不同經(jīng)緯密及紗線股數(shù)配比織物拉伸性能測(cè)試，結(jié)果表明織物經(jīng)緯密在極限范圍內(nèi)時(shí)，織物經(jīng)向拉伸性能隨著經(jīng)緯密的提高而提高，同時(shí)織物緯紗股數(shù)增加對(duì)其經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力影響相對(duì)較小。