玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料的制備及拉伸性能研究

張麗哲

(南通大學紡織服裝學院，南通，226019)

玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料的制備及拉伸性能研究

張麗哲

(南通大學紡織服裝學院，南通，226019)

以環(huán)氧樹脂為基體，分別以玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物和玻璃纖維機織物作為增強材料，通過手糊法制備復合材料，并通過試驗對比研究兩種復合材料的拉伸性能。結(jié)果表明，經(jīng)編復合材料沿各個軸向的拉伸強度比復合前多軸向經(jīng)編針織物及機織復合材料的強度均有明顯提高，增幅均在50%以上，說明多軸向經(jīng)編復合材料具有更優(yōu)異的力學性能。這為進一步擴大玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料的應用領(lǐng)域提供了有力證據(jù)。

玻璃纖維，多軸向經(jīng)編復合材料，機織復合材料，拉伸性能

纖維增強復合材料是由纖維材料與基體材料按一定工藝復合形成的高性能新型材料，由于其具有單一材料所無法比擬的優(yōu)良性能，近年來被廣泛應用于國防軍事、航空航天、道路交通、民用建筑等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及量大面廣的民用領(lǐng)域。纖維增強復合材料主要包括纖維增強材料和基體材料。近年來增強材料已從早期使用的長絲逐漸發(fā)展為各種織物。軸向經(jīng)編織物由于采用獨特的預定向編織技術(shù)織造而成，使織物中每一個組成部分的性能都能得到合理的應用，特別是沿織物的各個軸向，其拉伸性能與傳統(tǒng)的增強材料相比有較大的提高[1]。因此，近年來國內(nèi)外對多軸向經(jīng)編復合材料的研究和應用發(fā)展非?？靃2-5]。

本文以環(huán)氧樹脂為基體，分別以E-玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物和E-玻璃纖維機織物作為增強材料，通過手糊成型法制得復合材料，并對兩種復合材料的拉伸性能進行測試，通過對比試驗結(jié)果分析兩種復合材料的力學性能。

1 復合材料的制備

1.1 試驗原材料

本試驗所使用的復合材料增強體為E-玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物和E-玻璃纖維機織物，由常州宏發(fā)土工復合材料工程有限公司提供。其中，多軸向經(jīng)編針織物為三軸向(0°、±45°)玻纖布，軸向紗線采用普通無捻無堿E-玻璃纖維，束縛紗采用滌綸低彈絲，玻璃纖維機織物的經(jīng)紗和緯紗均采用普通無捻無堿E-玻璃纖維。織物的具體參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃纖維織物參數(shù)

復合材料基體材料選用環(huán)氧樹脂，這種樹脂具有固化收縮率低、固化壓力低、黏結(jié)性好、成型產(chǎn)品力學性能良好等諸多特性，因此在紡織復合材料中應用較為廣泛[6-7]。本試驗選用雙酚A型液態(tài)環(huán)氧樹脂618#，以及活性稀釋劑5748#、固化劑5769#和增塑劑5776#。樹脂基體的配方參數(shù)如表2所示。

表2 樹脂基體配方

1.2 復合材料制備工藝

復合材料成型工藝有多種，如手糊成型、噴射成型、真空袋壓成型、熱壓罐成型等[8]。手糊成型法固化時無反應副產(chǎn)物放出，在常溫常壓下即可成型。綜合考慮試驗條件、試驗設(shè)備等，采用手糊成型法制備復合材料。

樹脂基復合材料制備過程如下[9]：

(1) 按所需糊制的平板尺寸在平臺上放線，并清除線內(nèi)雜質(zhì)污物，在其上平鋪一層尺寸略大于平板尺寸的聚酯薄膜，驅(qū)除氣泡。

(2) 按配方配制樹脂膠液，并分別沿增強材料的橫列和縱行方向裁剪出一矩形平板，使其尺寸略大于所需平板的實際尺寸；將配制好的樹脂均勻涂刷在聚酯薄膜上，將裁剪好的織物平整地鋪敷其上，并用樹脂將其完全浸透，驅(qū)除氣泡，使含膠量均勻；在凝膠前用一層薄膜蓋上，并驅(qū)除氣泡，排盡多余樹脂，待固化。

(3) 復合材料固化后，將聚酯薄膜除掉，按試驗要求尺寸畫線，將多余飛邊修剪掉，去除毛刺，經(jīng)檢驗合格后即可使用。

2 復合材料拉伸性能研究

2.1 拉伸性能試驗

試驗儀器：YT010-1000型土工布綜合強力機；

試樣尺寸：250 mm×25 mm；

夾距尺寸：150 mm；

每組試樣數(shù)目：5塊；

加載速度：5 mm/min；

試驗環(huán)境：恒溫恒濕。

2.2 試驗結(jié)果與分析

為突出樹脂基多軸向經(jīng)編復合材料的拉伸性能，將多軸向經(jīng)編復合材料三個方向(0°、±45°)的拉伸性能分別與多軸向經(jīng)編針織物基體及玻璃纖維機織物進行了對比研究。根據(jù)拉伸性能試驗方法的國家標準，復合材料拉伸應力或拉伸強度的計算公式為

(1)

式中：σt——拉伸強度(MPa)；F——拉伸載荷(N)；b——試樣寬度(mm)；d——試樣厚度(mm)。

2.2.1 玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物復合前后拉伸性能的比較

對多軸向經(jīng)編針織物與樹脂基體復合前和復合后分別沿鋪緯方向0°、 +45°、 -45°的拉伸性能進行測試，得出試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物復合前后拉伸強度對比

從圖1可以看出，經(jīng)編復合材料的拉伸性能與復合前的多軸向經(jīng)編針織物相比，沿0°、+45°、-45°三個方向的拉伸強度增幅分別為52%、 81%、 59%，拉伸性能提高明顯。這是由于作為增強體的纖維材料完全浸入樹脂基體中，其表面受基體保護而不易損傷，因此復合材料在受外力作用較小時，增強纖維不會發(fā)生斷裂，從而提高了復合材料的承載能力。隨著復合材料所受應力的增加，其中某些纖維會在薄弱橫截面上發(fā)生斷裂，使復合材料表面產(chǎn)生裂紋，而此時具有良好塑性和韌性的樹脂基體可阻止裂紋進一步擴展。當復合材料所受外部載荷接近其極限值時，沿拉伸方向更多的纖維斷裂，應力集中使基體產(chǎn)生裂紋直至破壞。由于纖維斷裂時位置不一致，導致纖維從基體中拔出的長度不同，因此復合材料斷裂時的斷口不在同一平面上，這與試件的實際斷裂形態(tài)一致。

另外，對比圖1試驗結(jié)果和表1數(shù)據(jù)可知，多軸向經(jīng)編織物沿+45°和-45°方向的拉伸強度較為接近，而沿0°方向的拉伸強度明顯高于±45°方向。這說明多軸向經(jīng)編織物的單向拉伸性能與襯墊紗線方向無關(guān)，而主要取決于織物受載荷方向上襯墊紗線的線密度，增強紗線越粗，其拉伸強度越大，則該方向上織物的強力越大。此外，編織地組織使用的束縛紗的強力與玻璃纖維相比可忽略不計，但通過束縛紗對各層增強紗線的捆綁作用，可避免紗層間相互滑移，有助于提高織物的層間性能，從而提高織物的拉伸性能。

2.2.2 玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料與機織復合材料拉伸性能的比較

由于單層玻璃纖維機織物在厚度方向上比多軸向經(jīng)編針織物要薄很多，為使兩種結(jié)構(gòu)的復合材料測試標準接近，試驗時將6層玻璃纖維機織物疊合與樹脂基體復合制成復合材料。同時，由于復合材料的纖維體積含量不同，無法準確衡量其力學性能的優(yōu)劣。因此，這里引入了比強度的概念，即每種試樣的強度除以各自的纖維體積含量，得到試樣單位纖維體積含量的強度。

由于目前國內(nèi)尚未出臺有關(guān)紡織結(jié)構(gòu)增強復合材料纖維體積含量的計算標準，因此本試驗中復合材料的纖維體積含量主要通過理論計算得到，即利用增強織物的面密度計算試樣中玻璃纖維的熔融體積，再除以復合材料試樣的體積進行換算。計算公式為[10]

(2)

式中：G——織物的面密度(g/m2)；h——復合材料試樣的厚度(mm)；ρ——玻璃纖維的體積密度(g/cm3)。

測試數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理后結(jié)果如圖2所示。

圖2 玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料與機織復合材料的拉伸強度對比

由圖2可知，多軸向經(jīng)編復合材料與機織復合材料相比，在其三個軸向方向上抗拉強度均提高50%以上。在0°方向，由于前者使用的是2 400 tex玻璃纖維，而后者采用6層疊加的68 tex玻璃纖維，所以前者強力明顯高于后者。從組織結(jié)構(gòu)上看，多軸向經(jīng)編針織物中用于增強的玻璃纖維呈平直排列并相互疊加，與機織物中呈波浪形排列并相互交織的經(jīng)緯紗相比，其取向度提高，并且由束縛紗將其捆綁在一起，能夠共同承擔外力作用，紗線的性能得到充分利用，從而避免了機織物中由經(jīng)緯紗交織所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，以及紗線潛能不能充分利用的缺陷。此外，多軸向經(jīng)編復合材料與機織復合材料沿+45°和-45°方向的拉伸強度差異也較大，這是由于多軸向經(jīng)編針織物在這兩個方向均有襯墊紗線分擔載荷，因此，多軸向經(jīng)編復合材料較機織復合材料的抗拉強度有很大的提高。

3 結(jié)語

采用手糊法制備玻璃纖維多軸向經(jīng)編復合材料和玻璃纖維機織復合材料，并對其拉伸強度進行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 多軸向經(jīng)編針織物與樹脂基體復合后的拉伸強度明顯高于復合前經(jīng)編織物的強度，表明樹脂基體與多軸向經(jīng)編針織物具有良好的黏結(jié)強度，可顯著提高復合材料的力學性能，這也擴大了多軸向經(jīng)編復合材料的應用領(lǐng)域。

(2) 多軸向經(jīng)編復合材料的拉伸強度明顯高于機織復合材料，這不僅與多軸向經(jīng)編針織物中襯墊紗的鋪設(shè)方向有關(guān)，而且與織物的層數(shù)、纖維的體積含量、制作工藝等因素有關(guān)。因此，多軸向經(jīng)編復合材料比機織復合材料具有更廣泛的應用前景，可以適應各類產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域?qū)徔棌秃喜牧细叩囊蟆?/p>

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Research on preparation and tensile properties of composite reinforced with glass fiber multi-axial warp-knitted fabrics

ZhangLizhe

(School of Textile and Clothing, Nantong University)

With epoxy resin as the matrix, the composite materials, reinforced respectively with glass fiber multi-axial warp knitted fabric and woven fabric of glass fiber, were prepared by hand lay-up. The tensile properties of these two kinds of composite materials were studied by contrast experiment. The results show that the axial tensile strength of warp knitted fabric composites is significantly improved over 50% compared with multi-axial warp knitted fabric and woven fabric. This shows that multi-axial warp knitted composite material has more excellent mechanical properties, providing strong evidence for further expanding the application of glass fiber multi-axial warp knitted composite material.

glass fiber, multi-axial warp knitted composite material, woven composite, tensile property

2014-12-04

張麗哲，女，1982年生，副教授。研究方向為紡織新產(chǎn)品、新工藝開發(fā)。

TS186.1

A

1004-7093(2015)12-0018-04