經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮性能

陳　思， 龍海如

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮性能

陳思， 龍海如

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

將經(jīng)編間隔織物與軟質(zhì)聚氨酯泡沫復(fù)合，制備了5種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料試樣.對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了平板壓縮試驗(yàn)，探討間隔絲針背橫移數(shù)、間隔絲直徑和織物厚度對(duì)復(fù)合材料壓縮和能量吸收性能的影響.利用有限元分析方法和ANSYS軟件建立了復(fù)合材料的單胞有限元模型，對(duì)其壓縮性能進(jìn)行了模擬，得到復(fù)合材料的應(yīng)力云圖和應(yīng)力-壓縮率曲線.有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果顯示出較好的吻合度.

經(jīng)編間隔織物； 聚氨酯泡沫； 壓縮性能； 有限元分析

一直以來(lái)，聚氨酯材料因出眾的彈性和韌性被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[1].但是，作為一種結(jié)構(gòu)材料，僅僅具有出眾的彈性和韌性是不夠的，實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)材料的強(qiáng)度也有較高的要求，而強(qiáng)度較低正是聚氨酯材料的軟肋.因此，在使用過(guò)程中，需要使用增強(qiáng)體來(lái)增強(qiáng)聚氨酯材料，使之兼?zhèn)淞己玫膹椥?、韌性以及強(qiáng)度.

間隔織物以其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度和組織結(jié)構(gòu)變化多樣性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地作為增強(qiáng)體材料使用[2-3].關(guān)于間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能已有不少研究.文獻(xiàn)[4]研究了緯編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料在不同壓縮速率下的壓縮響應(yīng).間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)通常作為復(fù)合材料壓縮性能的影響因素被提及.文獻(xiàn)[5]建立了間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料的單胞有限元模型，并對(duì)復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行預(yù)測(cè).文獻(xiàn)[6]利用3種具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)編間隔織物，制備出新型三明治復(fù)合材料板，并對(duì)其壓縮性能進(jìn)行探討，研究結(jié)果表明，間隔織物的面密度、間隔絲的直徑和墊紗角度是影響復(fù)合材料壓縮性能的重要因素.一般而言，要提高復(fù)合材料的抗壓性能，需選用彈性模量較高的間隔絲、較大墊紗角、直立或交叉編織較為緊密的織物表面組織結(jié)構(gòu)[7-8].現(xiàn)有研究均是針對(duì)間隔織物增強(qiáng)樹(shù)脂基剛性復(fù)合材料進(jìn)行探討[5-6, 8]，對(duì)間隔織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的研究尚未涉及.

本文將經(jīng)編間隔織物與軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料進(jìn)行復(fù)合，得到一種新型的經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料.通過(guò)壓縮試驗(yàn)和有限元分析，探討平板壓縮狀態(tài)下經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚氨酯基復(fù)合材料壓縮及能量吸收性能的影響，以期為不同應(yīng)用條件下選擇合適的織物結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù).

1　試樣的制備與結(jié)構(gòu)

1.1經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文選取了5種具有不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)編間隔織物.間隔絲的類(lèi)型及間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和2所示.所選經(jīng)編間隔織物均在機(jī)號(hào)為E18的拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)上織造.

表1　間隔絲類(lèi)型Table 1　Types of spacer yarns

表2　經(jīng)編間隔織物原料與結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters and material of warp-knitted spacer fabrics

1.2復(fù)合材料試樣制備

本文所采用聚氨酯材料是一種親水性聚氨酯發(fā)泡劑，可以采用一步法制備聚氨酯彈性體泡沫.該發(fā)泡劑是由異氰酸酯和多羥基聚醚進(jìn)行化學(xué)合成的高分子漿料，可以與水在室溫下以m(發(fā)泡劑) ∶m(水) =10∶0.8反應(yīng)發(fā)泡，且發(fā)泡速率適中，發(fā)泡均勻.聚氨酯基復(fù)合材料的制備在一個(gè)模具中完成.該模具上下表面的距離可以根據(jù)間隔織物厚度的不同進(jìn)行調(diào)整.在制備過(guò)程中，模具上下表面的距離可以調(diào)整成與間隔織物厚度相同，聚氨酯漿料沿間隔織物的經(jīng)向注入，確保制備出的聚氨酯復(fù)合材料的厚度與間隔織物的厚度一致.發(fā)泡成型后的聚氨酯基復(fù)合材料在室溫中放置72 h，以確保聚氨酯材料形態(tài)穩(wěn)定.制備出的聚氨酯基復(fù)合材料見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3.

(a) 示意圖

(b) 實(shí)物圖圖1　聚氨酯基復(fù)合材料示意圖與實(shí)物圖Fig.1　Schematic illustration and real appearance of polyurethane-based composites

表3　聚氨酯基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3　Structure parameters of polyurethane-based composites

2　復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試與分析

使用上海HL WDW SERIES型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行平板壓縮性能測(cè)試，見(jiàn)圖2所示(圖中F為施加壓力載荷，Z為壓縮位移，H為試樣厚度).

圖2　平板壓縮試驗(yàn)Fig.2　Plate compression test

試樣壓縮試驗(yàn)參照GB/T 8168—2008《包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行.選取的壓縮速率為12 mm/min，接近于靜態(tài)力.在壓盤(pán)下壓過(guò)程中，儀器自動(dòng)記錄壓力隨位移的變化值，據(jù)此可以得到對(duì)應(yīng)的力-位移曲線.為了消除受力面積對(duì)壓縮性能的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理：力除以受力面積(壓盤(pán)直徑為60 mm，試樣直徑為50 mm)得到應(yīng)力值，位移除以原始厚度得到壓縮率值，據(jù)此得到應(yīng)力-壓縮率曲線，如圖3所示.所有曲線均為在相同條件下5次測(cè)試后所得平均值.

從圖3可以看出，就間隔絲的墊紗方式而言，試樣C1(針背橫移3針距)和C2(針背橫移4針距)抗壓能力隨著間隔絲針背橫移數(shù)的增大而減??；試樣C2(間隔絲直徑為0.20 mm)和C3(間隔絲直徑為0.16 mm)的抗壓性能隨著間隔絲直徑的減小而減??；試樣C4(厚度為6.12 mm)具有最佳的抗壓性能，對(duì)于試樣C1(厚度為7.68 mm)和C5(厚度為10.62 mm)而言，在小壓縮率情況下，試樣C1的抗壓性能略高于C5，而當(dāng)壓縮率超過(guò)50%時(shí)，試樣C5的抗壓性能高于C1.

圖3　試樣的應(yīng)力-壓縮率曲線Fig.3　The stress-compression ratio curves of specimens

3　復(fù)合材料壓縮過(guò)程中的能量吸收性能

作為緩沖材料，材料自身的能量吸收性能是工程應(yīng)用最為關(guān)心的問(wèn)題.一般用能量吸收率E來(lái)表征材料的能量吸收特性，其計(jì)算方法如式(1)所示.

(1)

其中：σ為應(yīng)力；ε為在應(yīng)力σ下的壓縮率.

根據(jù)式(1)，利用Matlab軟件可以計(jì)算得出在不同載荷作用下，上述不同試樣的能量吸收率曲線如圖4所示.從圖4可以看出，經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚氨酯基復(fù)合材料能量吸收性能有顯著的影響.當(dāng)應(yīng)力值小于0.5 MPa時(shí)，試樣C1(針背橫移3針距)能量吸收率值高于C2(針背橫移4針距)；當(dāng)應(yīng)力值大于0.5 MPa時(shí)，試樣C2能量吸收率值高于C1.由此說(shuō)明，間隔絲針背橫移數(shù)較大的試樣(C1)在小應(yīng)力下具有較高的能量吸收率.反之，間隔絲針背橫移數(shù)較小的試樣(C2)在大應(yīng)力條件下具有較好的能量吸收特性.試樣C2(間隔絲直徑為0.20 mm)能量吸收率的最大值大于C3(間隔絲直徑為0.16 mm)，但間隔絲較細(xì)的試樣(C3)在小應(yīng)力的作用下具有較高的能量吸收率，而用較粗間隔絲制備的試樣(C2)在大應(yīng)力值的條件下達(dá)到能量吸收率的最大值.由此可知，間隔絲較細(xì)的試樣適合在小應(yīng)力條件下作為能量吸收材料使用.而在大應(yīng)力條件下，間隔絲較粗的試樣擁有較高的能量吸收率.試樣C1(厚度為7.68 mm)，C4(厚度為6.12 mm)和C5(厚度為10.62 mm)的能量吸收率值隨著試樣厚度的變化而變化.當(dāng)應(yīng)力值小于0.5 MPa時(shí)，試樣C5具有最大的能量吸收率；當(dāng)應(yīng)力值大于1.5 MPa時(shí)，試樣C4的能量吸收率大于其他兩個(gè)試樣.這說(shuō)明，較厚的試樣適合在應(yīng)力值較小的階段吸收能量，而厚度較小的試樣則適合在大應(yīng)力條件下被當(dāng)作能量吸收材料使用.

圖4　試樣的能量吸收率曲線Fig.4　Energy absorption efficiency curves of specimens

通過(guò)以上對(duì)比分析可知，間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的能量吸收性能有明顯的影響.在實(shí)際使用過(guò)程中，可以通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)整復(fù)合材料的能量吸收性能.

4　復(fù)合材料壓縮性能有限元分析

通過(guò)聚氨酯基復(fù)合材料的平板壓縮試驗(yàn)可知，經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮性能有明顯的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化體現(xiàn)在材料的能量吸收性能中.因此，希望通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為設(shè)計(jì)不同壓縮性能的聚氨酯基復(fù)合材料提供依據(jù).

為了簡(jiǎn)化計(jì)算難度，結(jié)合之前學(xué)者的研究，作出如下假設(shè)[4-5]：(1)間隔絲被聚氨酯泡沫完全固定，不發(fā)生水平滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，間隔絲之間相互獨(dú)立，壓縮過(guò)程中沒(méi)有相互擠壓摩擦；(2)在壓縮過(guò)程中，織物上下面層不發(fā)生水平方向的相對(duì)位移；(3)在壓縮過(guò)程中，材料發(fā)生彎曲變形，并且隨著壓力的增大，壓縮變形也隨之增大.雖然間隔織物的上下表面承受壓力載荷，但由于聚氨酯泡沫的作用，織物上下表面的應(yīng)力都傳給了聚氨酯基體材料；(4)聚氨酯基復(fù)合材料被視為理想的彈性體，間隔絲截面近似成圓形，且間隔絲大小、形態(tài)均勻一致.

利用有限元軟件ANSYS，建立間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行壓縮性能分析.以試樣C2為例，依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取最小受力單元建立有限元實(shí)體模型，模型建立過(guò)程如圖5所示.復(fù)合材料實(shí)體模型包括間隔織物和聚氨酯泡沫兩部分.建模時(shí)，首先對(duì)間隔織物(圖5(a))和聚氨酯泡沫(圖5(b))分別建立最小受力單元實(shí)體模型，然后利用合并功能將兩部分模型合并得到復(fù)合材料單胞模型(圖5(c)).

(a) 間隔織物　　(b) 聚氨酯泡沫　　(c) 復(fù)合材料圖5　幾何模型創(chuàng)建過(guò)程Fig.5　Process of geometry model establishing

復(fù)合材料的幾何參數(shù)：材料厚度H=7.72 mm，間隔層高h(yuǎn)=6.28 mm，上下面板的長(zhǎng)a=0.42 mm，寬b=1.79 mm，間隔絲直徑D=0.20 mm.模型采用SOLID 10 node 92單元，間隔織物和聚氨酯泡沫的材料屬性設(shè)置見(jiàn)表4[9-10]，其中，I為材料彈性模量，G為材料的剪切模量，μ為材料的泊松比，下標(biāo)1表示間隔織物的經(jīng)向，2表示間隔織物的緯向，3表示垂直于1和2平面方向.間隔織物的材料屬性設(shè)置為正交各向異性，聚氨酯泡沫材料屬性設(shè)置為正交各向同性.模型采用自由網(wǎng)格劃分方式.

表4　單胞模型材料屬性設(shè)置Table 4　Material properties of unit cell model

根據(jù)實(shí)際壓縮過(guò)程設(shè)定加載和邊界約束條件.由壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣的壓縮曲線呈非線性變化，因此，在施加載荷時(shí)需要分多個(gè)載荷步施加，以求精確解.在有限元模型的上表面分10個(gè)載荷步施加壓縮位移載荷，每步壓縮0.45 mm，而對(duì)模型的下表面施加所有自由度的約束.通過(guò)ANSYS軟件對(duì)實(shí)體模型施加載荷后，經(jīng)過(guò)通用后處理功能，得到材料的應(yīng)力分布云圖.圖6為單胞模型在整體坐標(biāo)系下的應(yīng)力分布云圖.從圖6可以看出，在聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮過(guò)程中，聚氨酯材料是主要的受力載體，聚氨酯區(qū)最大應(yīng)力值約為間隔織物最大應(yīng)力值的68.6倍.因?yàn)樵谡w坐標(biāo)系下，聚氨酯的彈性模量高于間隔織物的彈性模量，在相同的壓縮率條件下，聚氨酯內(nèi)部將產(chǎn)生大于間隔織物的應(yīng)力.間隔織物在壓縮過(guò)程中，主要是間隔絲發(fā)生了彎曲變形.從圖6還可以看出，間隔絲應(yīng)力的最大值在間隔絲中點(diǎn)附近(圖中MX標(biāo)記處)，這表明間隔絲的中點(diǎn)附近是易損區(qū)域，并且應(yīng)力隨著壓縮變形的增大向間隔絲的兩端擴(kuò)展.

(a) 復(fù)合材料

(b) 間隔織物

(c) 聚氨酯泡沫圖6　復(fù)合材料壓縮過(guò)程中應(yīng)力分布Fig.6　The stress distribution of composite during compression process

間隔絲在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力響應(yīng)如圖7所示.從圖7可以看出，間隔絲壓縮應(yīng)力的最大值為5.0 kPa，最大值出現(xiàn)在復(fù)合材料厚度約為3 mm時(shí)，從另一方面證明間隔絲的中點(diǎn)附近是易損區(qū)域.

圖7　間隔絲壓縮應(yīng)力響應(yīng)Fig.7　Compression stress response of spacer yarn

將有限元分析得到的應(yīng)力-壓縮率曲線與壓縮試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，有限元模擬的復(fù)合材料壓縮應(yīng)力-壓縮率曲線和試驗(yàn)得出的壓縮變形曲線總體吻合較好，但存在少量偏差.因?yàn)樵谟邢拊治鲞^(guò)程中，復(fù)合材料被假設(shè)為理想的彈性體，它的變形完全遵從胡克定律，并且忽略了聚氨酯泡沫和間隔絲之間的摩擦，在實(shí)際的壓縮過(guò)程中，復(fù)合材料的壓縮變形并不完全服從胡克定律，而且聚氨酯泡沫和間隔絲之間的摩擦也是客觀存在的.

圖8　試樣C2的應(yīng)力-壓縮率試驗(yàn)曲線與有限元模擬曲線對(duì)比Fig.8　Comparison of simulation and test stress-compression ratio curves of C2

盡管復(fù)合材料有限元模擬的應(yīng)力-壓縮率曲線和試驗(yàn)曲線存在少量的偏差，但本文的有限元模擬結(jié)果還是能很好地反映試樣壓縮性能的變化趨勢(shì)，可以為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù).

5　結(jié)　語(yǔ)

(1) 經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的能量吸收性能有明顯的影響.間隔絲針背橫移數(shù)較大、間隔絲較細(xì)、厚度較大的復(fù)合材料，在小應(yīng)力值條件下具有較高的能量吸收率.反之，間隔絲針背橫移數(shù)較小、間隔絲較粗、厚度較小的復(fù)合材料更適合在大應(yīng)力條件下作為能量吸收材料使用.因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)整織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法來(lái)獲得不同能量吸收性能的聚氨酯基復(fù)合材料，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求.

(2) 有限元方法為材料的力學(xué)性能分析提供了便利條件.本文建立的有限元模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可以用來(lái)模擬聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮受力情況.但是由于條件假設(shè)以及模型的簡(jiǎn)化，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果還是存在少量的偏差，這需要在后續(xù)的工作中繼續(xù)完善.

[1] LU Q S, SUN L H, YANG Z G. Optimization on the thermal and tensile influencing factors of polyurethane-matrix polyester fabric composites [J]. Composites Part A, 2010, 41(8):997-1005.

[2] GUO X F, LONG H R. Theoretical modeling of spacer yarn arrangement for warp-knitted spacer fabrics and experimental verification [J]. Textile Research Journal, 2013, 83(14):1467-1476.

[3] LIU W J, SUN B Z, HU H，et al. Compressive behavior of spacer weft knitted fabric reinforced composite at various strain rates [J]. Polymer Composites, 2007, 28(2):224-232.

[4] 錢(qián)靜，繆旭紅，沈瑤.經(jīng)編間隔織物壓縮性能的試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)仿真[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，42(1)：26-29.

[5] VUURE A W, PFLUG J, IVENS J A, et al. Modeling the core properties of composite panels based on woven sandwich-fabrics performs [J]. Composites Science and Technology, 2000, 60(8):1263-1276.

[6] VELOSA J C, RANA S, FANGUEIRO R. Mechanical behavior of novel sandwich composite panels based on 3D-knitted spacer fabrics [J]. Reinforced Plastics and Composites, 2011, 31(2):95-105.

[7] LIU Y P, HU H. Compression behavior of warp-knitted spacer fabrics for cushioning applications[J].Textile Research Journal, 2011，82(1)：11-20.

[8] 曹海建，錢(qián)坤，魏取福.三維整體中空復(fù)合材料壓縮性能的有限元分析 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2011，28(1)：231-234.

[9] 朱波.整體中空夾層復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能及剩余強(qiáng)度研究 [D].南京：南京航天航空大學(xué)航空宇航學(xué)院，2010：8-13.

[10] 吳德隆，沈懷榮.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能 [M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1998：83-89.

Compression Behaviors of Polyurethane-Based Composites Reinforced with Warp-Knitted Spacer Fabrics

CHENSi,LONGHai-ru

(College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620,China)

Five kinds of polyurethane-based composite samples were prepared by impregnating the warp-knitted spacer fabrics with flexible polyurethane foam. A compression test was carried out to investigate the influence of fabric structure parameters including the movements of spacer-guide-bar, diameters of spacer yarns and thicknesses on the compression behaviors and energy-absorption efficiency of the composites. By using finite element (FE) analysis method and ANSYS software, the unit cell models of the composites were built to simulate the compression properties and get the stress distributing graph and strain-stress curves of the compasites. To compare the FE simulation and experimental curves, it can be found that they exhibited good consistency.

warp-knitted spacer fabrics; polyurethane foam; compression behavior; finite element analysis

1671-0444(2015)03-0282-06

2014-02-26

陳思(1985—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生，研究方向?yàn)獒樋椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料.E-mail:ansn9119@126.com

龍海如(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail:hrlong@dhu.edu.cn

TS 186.1

A