2.5D芳綸機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能研究

李 靜 宋新軍

(1.中國紡織科學(xué)研究院，北京，100025;2.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津，300387)

2.5D(即角聯(lián)鎖)機(jī)織復(fù)合材料是一種新型工程材料，具有設(shè)計靈活、層間性能好、復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體成型等優(yōu)點，在航空、航天、航海、海洋石油平臺、醫(yī)療、防彈衣，以及汽車、橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。2.5D機(jī)織復(fù)合材料早期的應(yīng)用多為耐高溫和耐燒蝕材料，已有大量研究碳/樹脂基復(fù)合材料的文獻(xiàn)［1-3］，但鮮見對其他纖維增強(qiáng)材料2.5D機(jī)織復(fù)合材料的研究。2.5D機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多變，現(xiàn)有的力學(xué)性能數(shù)據(jù)不足以為2.5D機(jī)織復(fù)合材料的設(shè)計者和使用者提供可靠的參考。

本文利用普通二維織機(jī)設(shè)計制備了4種典型結(jié)構(gòu)2.5D芳綸機(jī)織復(fù)合材料［4］，并對這4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向拉伸性能進(jìn)行了研究。通過一系列的試驗，研究了2.5D芳綸機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件不同結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料經(jīng)向和緯向力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步用不同材料豐富了2.5D機(jī)織復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫，為2.5D機(jī)織復(fù)合材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 預(yù)制件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計制備的4種預(yù)制件結(jié)構(gòu)均為2.5D機(jī)織物中的層-層正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)［5］，見圖1。

圖1中1#為既帶襯經(jīng)又帶襯緯的層-層正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu);2#為帶襯經(jīng)的層-層正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu);3#為帶襯緯的層-層正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu);4#為層-層正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯?種結(jié)構(gòu)中接結(jié)經(jīng)紗呈波浪狀彎曲狀態(tài)，緯紗、襯經(jīng)紗、襯緯紗均為伸直狀態(tài)。紗線原料均為158 tex的kevlar 49，預(yù)制件的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 預(yù)制件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.2 復(fù)合固化

復(fù)合固化采用RTM(樹脂傳遞模塑法)固化成型，所用基體為86#環(huán)氧樹脂+固化劑+催化劑以一定比例混合的混合物，其力學(xué)性能見表2。

表2 基體的力學(xué)性能

1.1.3 試樣準(zhǔn)備

試樣尺寸參考GB/T3354—1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能檢驗方法》，其經(jīng)向拉伸的試樣尺寸如圖2(a)所示，緯向拉伸的試樣尺寸如圖2(b)所示。

圖2 試樣尺寸

所用試樣均采用同一模具復(fù)合而成，因此認(rèn)為試樣的厚度相同，均為2 mm。由于4種結(jié)構(gòu)預(yù)制件的厚度均大于2 mm，在復(fù)合過程中會受到不同程度的擠壓，但這種擠壓并不影響除厚度之外的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此2.5D芳綸機(jī)織復(fù)合材料中織物增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可沿用復(fù)合材料預(yù)制件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。試樣的實測尺寸和纖維體積分?jǐn)?shù)如表3所示，表中每個數(shù)據(jù)均為3個測試值的平均值。

表3 試樣實測尺寸和纖維體積分?jǐn)?shù)

由表3可以看出，4種結(jié)構(gòu)經(jīng)向和緯向拉伸試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)差異不大，在后面的試驗中視纖維體積分?jǐn)?shù)相同。

1.2 拉伸性能測試

拉伸性能測試在日本島津AG-250KNE型萬能強(qiáng)力機(jī)上進(jìn)行，采用面內(nèi)拉伸試驗的夾頭實現(xiàn)。復(fù)合材料為各向異性材料，其受力方向與材料內(nèi)纖維分布方向之間夾角的大小對復(fù)合材料力學(xué)性能的測試結(jié)果影響較大，所以試驗過程中的對中非常重要。本試驗采用重錘法對中，同時為了避免上夾頭晃動對復(fù)合材料造成損傷，操作順序為：先固定上夾頭，后固定下夾頭，最后通過機(jī)器的微調(diào)使試樣處于被夾緊但縱向不受力的狀態(tài)。

拉伸性能測試參照GB/T3354—1999，經(jīng)向拉伸的夾距為100 mm，緯向拉伸的夾距為50 mm，加載速度均為2 mm/min。為傳遞應(yīng)力并防止試樣打滑，試樣兩端用樹脂膠膜粘貼了2 mm厚的鋁質(zhì)加強(qiáng)片。

2 拉伸測試結(jié)果

復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸載荷-位移曲線表現(xiàn)出相同的規(guī)律，圖3為一條典型的拉伸載荷-位移曲線。

圖3 典型拉伸載荷-位移曲線

根據(jù)圖3，可以將整個拉伸性能測試過程分為三個階段：第一階段為線性變形階段，在拉伸載荷-位移曲線的初始階段，拉伸位移為0～0.5 mm，載荷與位移呈明顯的線性關(guān)系，此階段發(fā)生的是彈性變形，去掉外力后材料的變形即可消失。第二階段為塑性變形階段，拉伸位移為0.5～2.3 mm，最初的表現(xiàn)是在與載荷垂直的纖維束中出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，裂紋沿垂直載荷的纖維束的方向擴(kuò)展。第三階段為復(fù)合材料的破壞階段，當(dāng)?shù)谝桓w維束斷裂，破壞迅速地轉(zhuǎn)移到相鄰的纖維束上，最終表現(xiàn)為復(fù)合材料的斷裂，其端口如圖4所示。

圖4 拉伸破壞試樣圖

由圖4可見，拉伸破壞試樣的斷口較為整齊，沿著與受力方向垂直的紗線的走向分布，沒有較長紗線抽拔出和分層斷裂的現(xiàn)象。

表4給出了復(fù)合材料拉伸性能測試中載荷的最大值，每組測試3個試樣，并求得其平均值。

表4 拉伸載荷最大值 (單位：kN)

根據(jù)GB/T3354—1999中相應(yīng)的計算公式，可求得4種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，見表5。

表5 拉伸強(qiáng)度和彈性模量

表5的結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度的離散系數(shù)為3.051%～22.769%，彈性模量的離散系數(shù)為1.619%～16.965%。由表5可以看出，帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度和彈性模量均大于不帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料;帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的緯向拉伸強(qiáng)度和彈性模量均大于不帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

1#和2#帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度明顯大于3#和4#不帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料;同時，1#既帶襯經(jīng)又帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度，比2#帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度要小;3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度小于4#既不帶襯經(jīng)又不帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。分析1#與3#結(jié)構(gòu)的共同之處，發(fā)現(xiàn)其緯紗的密度分別大于2#和4#結(jié)構(gòu)的緯紗密度。所以造成這種現(xiàn)象的原因有：織造過程對纖維束造成損傷，即緯紗密度越大，經(jīng)紗的交錯次數(shù)越多，損傷越嚴(yán)重，降低了復(fù)合材料的強(qiáng)度;相鄰交織緯紗束對經(jīng)紗的側(cè)向載荷降低了復(fù)合材料的經(jīng)向強(qiáng)度;緯紗密度增加使經(jīng)紗的彎曲度增大，降低了復(fù)合材料的經(jīng)向強(qiáng)度。

1#和3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向強(qiáng)度大于2#和4#不帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。由于3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯密為35根/cm，1#既帶襯經(jīng)又帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯密為25根/cm，所以3#結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1#結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

3 測試結(jié)果分析

圖5為4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線。

圖5 4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線

由圖5可以看出，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線在初始階段均表現(xiàn)出了明顯的線性關(guān)系，且破壞均發(fā)生承載能力的突然下降，表現(xiàn)出脆性破壞的特點。其中1#和2#帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸斷裂載荷和彈性模量(初始直線段的斜率)比3#和4#不帶襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料要大，說明伸直狀態(tài)的襯經(jīng)紗對復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量具有較大的貢獻(xiàn)。同時，發(fā)現(xiàn)4種結(jié)構(gòu)中只有3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸有一段相對較緩的區(qū)域，發(fā)生在直線變形階段之后。從理論上講，襯緯的加入使得經(jīng)紗的屈曲增大，直線變形階段后，樹脂基體逐漸斷裂破壞，此時彎曲的經(jīng)紗就會逐漸伸直，表現(xiàn)在經(jīng)向拉伸載荷-位移曲線上就是直線變形階段后出現(xiàn)一段相對坡度較緩的區(qū)段。1#既帶襯經(jīng)又帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，由于襯經(jīng)在樹脂基體破壞到接結(jié)經(jīng)紗伸直的過程中起到了橋接和過渡的作用，所以在拉伸載荷-位移曲線上沒有明顯的緩坡階段。

圖6為4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向拉伸載荷-位移曲線。

圖6 4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料緯向拉伸載荷-位移曲線

由圖6可以看出，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向拉伸載荷-位移曲線在初始階段也都表現(xiàn)出了明顯的線性關(guān)系，且破壞后載荷直線下降，表現(xiàn)出脆性破壞的特點。

4種結(jié)構(gòu)中，1#和3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向拉伸斷裂載荷和彈性模量比2#和4#不帶襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料要大，說明伸直狀態(tài)的襯緯紗對復(fù)合材料緯向的拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量具有較大的貢獻(xiàn)。由于緯紗和襯緯均為伸直狀態(tài)，所以在緯紗密度較經(jīng)紗密度小的情況下，緯向的拉伸強(qiáng)度比經(jīng)向的拉伸強(qiáng)度大，進(jìn)一步說明伸直狀態(tài)的紗線對復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度具有較大的貢獻(xiàn)。由于3#帶襯緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯紗密度最大，所以3#結(jié)構(gòu)具有較大的斷裂強(qiáng)度。

4 結(jié)語

通過試驗研究，得到了2.5D芳綸機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件結(jié)構(gòu)對經(jīng)向和緯向拉伸性能的影響。試驗結(jié)果表明：

(1)伸直狀態(tài)的襯經(jīng)對復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量具有較大的貢獻(xiàn)，伸直狀態(tài)的襯緯對復(fù)合材料的緯向拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量貢獻(xiàn)較大。

(2)緯密的增加能增大緯向拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量，但緯密的增加使接結(jié)經(jīng)紗的彎曲度加大，降低了復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度和彈性模量。

(3)波浪狀彎曲的接結(jié)經(jīng)紗對復(fù)合材料的層間力學(xué)性能貢獻(xiàn)較大，在拉伸性能測試過程中未發(fā)生分層現(xiàn)象。

(4)芳綸與樹脂的粘結(jié)性能良好，試驗過程中無明顯的纖維抽拔出現(xiàn)象。

［1］楊彩云，劉雍，陳利，等.碳/環(huán)氧3D機(jī)織復(fù)合材料軸向和非軸向拉伸性能的實驗研究［J］.固體火箭技術(shù)，2006，29(1)：67-71.

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［3］楊彩云，劉雍，陳利，等.碳/環(huán)氧3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮性能的實驗研究［J］.材料工程，2006(S1)：39-42.

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［5］楊彩云.2.5D 機(jī)織物［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，1993，11(2)：44.