2.5D角聯(lián)鎖織物厚向壓縮特性的實(shí)驗(yàn)研究

萬喜莉，孫 穎，陳 利，李嘉祿

(天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部和天津市省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

三維機(jī)織技術(shù)是利用多層經(jīng)紗織造方法，由多層經(jīng)紗接結(jié)多層緯紗形成具有一定厚度的三維整體織物。其中，經(jīng)紗采用分層接結(jié)的方法，將相鄰緯紗層接結(jié)可形成角聯(lián)鎖機(jī)織物，簡(jiǎn)稱為2.5D織物。在2.5D角聯(lián)鎖機(jī)織物基礎(chǔ)上，沿織物經(jīng)向、緯向和厚度方向引入或同時(shí)引入紗線，可形成多種衍生組織結(jié)構(gòu)，包括2.5D結(jié)構(gòu)、2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)、2.5D襯緯結(jié)構(gòu)和2.5D襯經(jīng)襯緯結(jié)構(gòu)。2.5D角聯(lián)鎖織物不僅仿形性好、層間連接強(qiáng)度高，適合于大型構(gòu)件，而且可最大限度地減小機(jī)械加工對(duì)其增強(qiáng)復(fù)合材料承載能力的損傷。采用樹脂傳遞模塑(tesin transfer molding，RTM)、樹脂膜滲透 (resin film infusion，RFI)和熱壓罐成型等工藝將織物制成復(fù)合材料的過程中，干態(tài)的織物增強(qiáng)體不可避免地經(jīng)歷著厚度方向壓縮后浸漬樹脂的復(fù)合固化過程。在厚度方向壓縮作用下，織物內(nèi)部單根纖維及紗線之間發(fā)生移動(dòng)，纖維及紗線間孔隙減小，這不但影響樹脂在織物中的流動(dòng)性和浸潤性［1］，而且一定程度上決定了復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。相關(guān)研究工作表明，織物經(jīng)壓縮作用產(chǎn)生的幾何結(jié)構(gòu)變化，會(huì)導(dǎo)致其復(fù)合材料在拉伸過程中發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象［2］;織物壓縮作用后紗線扭結(jié)屈曲［3］，是構(gòu)成了復(fù)合材料承載失效的主要誘因［4－5］，因此，用于復(fù)合材料增強(qiáng)體，2.5D 角聯(lián)鎖機(jī)織物厚向壓縮性能是織物重要性能之一。

機(jī)織物厚度方向壓縮性能的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)分析和模型預(yù)測(cè)2種。Bannister等［6］研究了在4.14 MPa和6.9 MPa 2種壓縮載荷作用下三維角聯(lián)鎖機(jī)織物的紗線結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，高度壓縮織物可達(dá)到較高的纖維體積含量，但經(jīng)紗分布均勻性下降的同時(shí)緯紗的屈曲程度增加。Chen等［7］建立了多層平紋織物壓縮行為非線性模型，分析了織物厚度－壓縮應(yīng)力關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證該模型適用于玻璃纖維和碳纖維的多層平紋織物。Grujicic等［8］基于平紋織物厚度－壓縮應(yīng)力關(guān)系，采用梁?jiǎn)卧M四分之一單胞內(nèi)經(jīng)緯紗，建立了壓縮應(yīng)力與織物有效滲透率之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，織物有效滲透率隨壓縮應(yīng)力的增加先急劇下降而后下降趨勢(shì)趨緩。Potluri等［9］利用最小能量原理和織物風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Kawabata evaluation system，KES)，建立了織物三維壓縮模型，模型考慮了纖維及紗線在壓縮應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)變化，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了只考慮紗線彎曲、只考慮紗線壓縮以及既考慮紗線彎曲又考慮紗線壓縮等3種情況下織物三維壓縮模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明，既考慮紗線彎曲又考慮紗線壓縮的模型準(zhǔn)確性較高。Kruckenberg等［10］研究了多層平紋織物的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮行為發(fā)現(xiàn)，700 kPa壓縮應(yīng)力作用下，織物經(jīng)向截面內(nèi)經(jīng)紗波長(zhǎng)增大，波幅減小，緯紗寬度增大。Mahadik等［11－12］研究了 2.5D 和2.5D 襯經(jīng)織物厚度方向壓縮對(duì)織物纖維體積含量、細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，并測(cè)試了不同纖維體積含量2.5D襯經(jīng)織物增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，織物壓縮后纖維體積含量增加，經(jīng)向壓縮性能呈現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，而緯向壓縮性能無明顯變化。

本文以2.5D角聯(lián)鎖織物中常用的2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)織物為例，從宏觀和細(xì)觀角度研究了碳纖維2.5D襯經(jīng)織物厚度方向的壓縮性能。采用實(shí)驗(yàn)方法獲得織物厚度－壓縮應(yīng)力關(guān)系，分析宏觀壓縮特性的同時(shí)，與用于多層平紋織物壓縮模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在4種壓縮應(yīng)力作用下利用RTM復(fù)合工藝制備2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板，通過光學(xué)顯微鏡觀測(cè)并分析復(fù)合材料板的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，定量分析經(jīng)紗、襯經(jīng)紗和緯紗的屈曲變化情況，為復(fù)合材料用2.5D角聯(lián)鎖機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是織物厚度設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖1示出2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)。

圖1 2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)Fig.1 2.5D with stuffer warp

1.1 試樣制備

2.5D襯經(jīng)織物中經(jīng)紗為東麗T300-3K碳纖維，襯經(jīng)紗和緯紗為東麗T700-12K碳纖維，如圖2所示?？椢锍叽鐬?00 mm×135 mm×5.5 mm，纖維體積含量為46.3%，織物面密度為0.48 g/cm2，織物參數(shù)見表1。

圖2 2.5D襯經(jīng)織物Fig.2 2.5D with stuffer warp woven fabric

1.2 壓縮實(shí)驗(yàn)

參考GB 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測(cè)定第1部分:恒定法》，在島津萬能材料試驗(yàn)機(jī)(AG-250KNE)上測(cè)試織物厚度方向壓縮性能，如圖3所示。根據(jù)織物截面形狀尺寸，壓縮速度設(shè)置為0.5 mm/min，壓腳面積設(shè)置為400 cm2。壓縮應(yīng)力由載荷與織物受力面積的比值得到。

表1 織物參數(shù)表Tab.1 Parameters of fabric

圖3 織物厚度方向壓縮性能測(cè)試Fig.3 Compression test in thickness direction of fabric

1.3 織物厚度與壓縮應(yīng)力的關(guān)系

2.5D襯經(jīng)織物厚度-壓縮應(yīng)力曲線測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可看出，織物厚度方向壓縮過程分為3個(gè)階段:低應(yīng)力線性階段、非線性階段和高應(yīng)力線性階段。低應(yīng)力線性階段主要發(fā)生紗線滑移，經(jīng)緯紗產(chǎn)生嵌套現(xiàn)象，紗線間隙減小，越來越多內(nèi)部纖維承受載荷;低應(yīng)力非線性階段主要發(fā)生纖維滑移，纖維間孔隙減小，經(jīng)緯紗變形，織物厚度的減小變得困難;當(dāng)纖維滑移接近極限，隨壓縮應(yīng)力的增加，纖維本身發(fā)生變形，這就是高應(yīng)力線性階段，纖維可壓縮性影響織物厚度，而纖維可壓縮性與纖維種類、纖維泊松比及彈性模量等有關(guān)。當(dāng)纖維變形達(dá)到極限后，隨壓縮應(yīng)力增加織物厚度不再減小，織物的最小厚度為3.32 mm。

Chen等［7］忽略織物的面內(nèi)變形，提出多層平紋織物厚度和壓縮應(yīng)力之間的關(guān)系，如式(1)所示。式中:P為壓縮應(yīng)力;Cb(T)為織物的可壓縮性;T為織物厚度;T0為織物初始厚度。

其中，多層平紋織物可壓縮性Cb(T)是以織物厚度T為自變量的函數(shù)值，可由式(2)計(jì)算。

圖4 2.5D角聯(lián)鎖機(jī)織物厚度－壓縮應(yīng)力曲線Fig.4 Thickness-pressure curve of 2.5D angle-interlock woven fabric

式中:Vf為初始纖維體積含量;Tmin為織物最小厚度;Cb0為初始織物的可壓縮性;Cf為纖維可壓縮性;k為與纖維種類、纖維細(xì)度和織物結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。Chen發(fā)現(xiàn)取經(jīng)驗(yàn)值k=2適用于玻璃纖維和碳纖維多層平紋織物。

由2.5D襯經(jīng)織物厚度-壓縮應(yīng)力的測(cè)試曲線可知，織物的初始可壓縮性Cb0為常數(shù)，如式(3)所示，Cb0為2.40 MPa－1。纖維的可壓縮性Cf與纖維的彈性模量E和泊松比v有關(guān)，可由式(4)求出，碳纖維的泊松比為0.2，彈性模量為230 GPa，可得出碳纖維的可壓縮性為 7.83 ×10－6MPa－1。

本文基于Chen的研究工作，取經(jīng)驗(yàn)指數(shù)k分別為2、3和4，得到模型預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果的比較Fig.5 Comparison between experimental results and modelling predictions

由圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取k=3時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，因此，當(dāng)壓縮應(yīng)力小于3 MPa時(shí)，碳纖維2.5D襯經(jīng)織物可采用k=3的多層平紋織物壓縮模型預(yù)測(cè)織物厚度與壓縮應(yīng)力的關(guān)系。對(duì)于不同纖維、不同結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)2.5D角聯(lián)鎖機(jī)織物厚度與壓縮應(yīng)力之間關(guān)系還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。2.5D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)是基于普通平紋織物結(jié)構(gòu)織造而成，選擇多層平紋織物壓縮模型來預(yù)測(cè)2.5D角聯(lián)鎖織物的壓縮特性有一定的合理性。然而模型的適用范圍較小，需在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，建立更為合理的模型來預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)的2.5D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的壓縮特性。

2 紗線結(jié)構(gòu)觀測(cè)

2.1 紗線截面觀測(cè)

為研究壓縮過程中織物結(jié)構(gòu)變化，在0.05、0.61、2.88、5.30 MPa 4種壓縮應(yīng)力下，將上述2.5D襯經(jīng)織物復(fù)合固化，制得不同厚度的復(fù)合材料板，裁切成含有至少2個(gè)組織結(jié)構(gòu)的試樣，試樣尺寸為25 mm×25 mm×T mm，磨拋處理后在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)織物經(jīng)向截面和緯向截面內(nèi)紗線的屈曲狀態(tài)，經(jīng)紗所在經(jīng)向截面、襯經(jīng)紗所在經(jīng)向截面和緯紗所在緯向截面如圖6～8所示。圖中x為經(jīng)向，y為緯向，z為厚度方向。

2.2 紗線結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果

圖6 經(jīng)紗所在經(jīng)向截面圖Fig.6 Cross-sections in warp direction of warp

圖7 襯經(jīng)紗所在經(jīng)向截面圖Fig.7 Cross-sections in warp direction of stuffer warp

在厚度方向壓縮應(yīng)力作用下，2.5D襯經(jīng)織物紗線結(jié)構(gòu)變化主要表現(xiàn)為紗線屈曲程度和橫截面的變化。借鑒文獻(xiàn)［12］中對(duì)角聯(lián)鎖織物紗線形態(tài)觀測(cè)和表征方法在經(jīng)向截面圖中截取2個(gè)組織循環(huán)，以圖6(a)中A區(qū)的1根經(jīng)紗為例，沿經(jīng)紗的中心線取等間距離散點(diǎn)(如圖9所示)。將紗線的屈曲形態(tài)轉(zhuǎn)化為多個(gè)線段。計(jì)算每?jī)牲c(diǎn)之間經(jīng)紗線段的局部屈曲角，紗線段局部屈曲角定義為紗線段偏離水平基準(zhǔn)面的角度，紗線段局部屈曲角計(jì)算方法如圖10［5］所示。依照此法分別計(jì)算4種壓縮應(yīng)力作用下復(fù)合材料板中經(jīng)紗、襯經(jīng)紗及緯紗的各紗線段的局部屈曲角度，以5°為間隔區(qū)間，計(jì)算出每個(gè)范圍的局部屈曲角所占比例，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。利用加權(quán)平均得出經(jīng)紗、襯經(jīng)紗和緯紗的平均屈曲角如圖12所示。

圖8 緯紗所在緯向截面圖Fig.8 Cross-sections in weft direction of fabric

圖9 經(jīng)紗中心線的離散化Fig.9 Discretization of yarn centerline

圖10 紗線段局部屈曲角的計(jì)算方法Fig.10 Method for calculating local angle of yarn section

2.5D襯經(jīng)織物中襯經(jīng)紗和緯紗基本呈伸直狀態(tài)，經(jīng)紗因接結(jié)相鄰緯紗層提供厚度方向的連接與增強(qiáng)而具有較高的屈曲水平。經(jīng)紗與緯紗的交織點(diǎn)處存在較大孔隙，壓縮過程中單根纖維間和紗線間發(fā)生滑移，織物孔隙隨壓縮應(yīng)力的增加明顯減小。結(jié)合圖6和圖11(a)可看出，在0.05 MPa的壓縮應(yīng)力作用下，經(jīng)紗和緯紗發(fā)生滑移，局部屈曲角為0～10°的經(jīng)線段比例較小，局部屈曲角≥10°的經(jīng)紗段比例較大，經(jīng)紗屈曲程度較高;當(dāng)壓縮應(yīng)力增至0.61 MPa時(shí)，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處的纖維發(fā)生滑移，纖維及紗線間孔隙減小，局部屈曲角為0～10°經(jīng)紗段比例增加，經(jīng)紗屈曲程度降低，表層的經(jīng)紗明顯變?yōu)楸馄?壓縮應(yīng)力增至2.88 MPa時(shí)，局部屈曲角為0～5°紗線段所占比例最高，局部屈曲角為10°～30°經(jīng)紗段比例下降，所有經(jīng)紗變?yōu)楸馄?隨著壓縮應(yīng)力繼續(xù)增加，交織點(diǎn)處的纖維繼續(xù)向遠(yuǎn)離交織點(diǎn)處滑移，紗線扁平程度下降，局部屈曲角為0～5°經(jīng)紗段比例下降，其他局部屈曲角的經(jīng)紗段比例上升，說明壓縮應(yīng)力過大導(dǎo)致經(jīng)紗的屈曲程度增加。

圖11 經(jīng)紗、襯經(jīng)紗和緯紗紗線段局部屈曲角分布Fig.11 Frequency distribution of warp(a)，stuffer warp(b)and weft yarn(c)segment crimp

壓縮應(yīng)力作用下經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)處纖維向遠(yuǎn)離交織點(diǎn)處滑移，緯紗寬度明顯增加，相鄰緯紗內(nèi)纖維滑移方向不同，致使與緯紗嵌套的襯經(jīng)紗呈相鄰紗層對(duì)稱屈曲狀態(tài)，如圖7所示。2.5D襯經(jīng)織物中經(jīng)紗與襯經(jīng)紗、緯紗的線密度比很小，經(jīng)紗屈曲程度的變化對(duì)緯紗屈曲的影響較小。由圖7、8可看出，襯經(jīng)紗和緯紗的屈曲程度無明顯變化，圖11(b)、(c)表明襯經(jīng)紗和緯紗無局部高屈曲紗線段，紗線段局部屈曲角基本趨于15°以下。

圖12表明經(jīng)紗的平均屈曲角最高，當(dāng)壓縮應(yīng)力增至2.88 MPa時(shí)，經(jīng)紗平均屈曲角由初始的18°降至14°。這是由于壓縮應(yīng)力作用下織物厚度減小阻礙了經(jīng)紗在緯紗層間的滑移量。繼續(xù)增大壓縮應(yīng)力時(shí)，襯經(jīng)紗的屈曲程度增加，而此時(shí)緯紗的平均屈曲角降低，趨于伸直。

綜上，對(duì)于碳纖維2.5D襯經(jīng)織物，當(dāng)厚度方向壓縮應(yīng)力為0.61～2.88 MPa時(shí)，復(fù)合材料中經(jīng)紗屈曲程度明顯降低，襯經(jīng)紗和緯紗的屈曲程度無明顯變化，有利于實(shí)現(xiàn)纖維性能-織物-復(fù)合材料性能的轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)語

1)通過對(duì)碳纖維2.5D襯經(jīng)織物厚度方向壓縮性測(cè)試，獲得織物厚度與壓縮應(yīng)力的關(guān)系，與基于多層平紋織物壓縮模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮應(yīng)力小于3 MPa時(shí)，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)取為3的多層平紋織物壓縮模型可用于2.5D襯經(jīng)織物厚度與壓縮應(yīng)力關(guān)系估算。對(duì)于不同纖維、不同結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)2.5D角聯(lián)鎖織物厚度與壓縮應(yīng)力之間關(guān)系還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)2.5D襯經(jīng)結(jié)構(gòu)織物中經(jīng)紗的屈曲程度最高，厚度方向壓縮應(yīng)力的增加使得經(jīng)紗屈曲程度降低，而當(dāng)壓縮應(yīng)力超過一定范圍時(shí)，經(jīng)紗屈曲程度反而增加;因?yàn)橐r經(jīng)紗和緯紗無局部高屈曲紗線段，紗線基本呈伸直狀態(tài)，在壓縮過程中紗線的屈曲程度變化不明顯，當(dāng)壓縮應(yīng)力超過一定范圍時(shí)，襯經(jīng)紗的屈曲程度增加，這不利于纖維性能—織物—復(fù)合材料性能的轉(zhuǎn)化，緯紗伸直度增加，有利于提高織物緯向力學(xué)性能。

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