三維間隔織物復(fù)合材料的制備及拉伸性能研究*

劉 洋 黃曉梅 曹海建 陳紅霞 沈浩清

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

三維間隔織物復(fù)合材料的制備及拉伸性能研究*

劉 洋 黃曉梅 曹海建 陳紅霞 沈浩清

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

介紹三維間隔織物復(fù)合材料的制備方法，并采用Instron 5969型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測試，重點(diǎn)分析間隔高度、經(jīng)緯向等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果表明：三維間隔織物復(fù)合材料拉伸性能隨間隔高度的增加而下降；緯向拉伸性能優(yōu)于經(jīng)向。

三維間隔織物復(fù)合材料，拉伸性能，間隔高度，經(jīng)向，緯向

三維間隔織物復(fù)合材料是由垂向紗線連接上下兩層平行織物制備的三維間隔織物，再經(jīng)與樹脂復(fù)合等工藝，制成的一種新型夾芯結(jié)構(gòu)材料，具有質(zhì)輕、整體性、可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，常被用于飛機(jī)機(jī)身、船身、裝甲車身、油管夾層、保溫隔聲材料、軌道交通等領(lǐng)域[1-3]。

目前，國內(nèi)對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料的研究已較為成熟。追本溯源，三維間隔織物最早由比利時(shí)魯汶大學(xué)、德國斯圖加特大學(xué)研發(fā)成功，并開展了相關(guān)研究，進(jìn)行了部分性能測試與模擬[4]；同時(shí)，國內(nèi)外其他學(xué)者還進(jìn)行了一些其他性能的測試，如低速?zèng)_擊[5-6]、壓縮[7-9]等。本文主要研究三維間隔織物復(fù)合材料的制備工藝，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料拉伸性能的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與設(shè)備

三維間隔織物：原料為136 tex的E-Glass纖維束，織物間隔高度為5和10 mm，由南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供。

樹脂基體：環(huán)氧樹脂E51(南通星辰合成材料有限公司生產(chǎn))、固化劑聚醚胺H023(無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn))。

試驗(yàn)設(shè)備：101A -4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱(南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司)；Instron 5969型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國英斯特朗公司)(圖1)。

1.2 三維間隔織物復(fù)合材料的制備

1.2.1 樹脂基體的復(fù)配

樹脂基體的作用一方面是保護(hù)織物免受外部環(huán)境破壞，另一方面是傳遞載荷，使外部載荷通過樹脂基體能均勻地傳遞到織物中的每根纖維上，讓織物中的纖維成為承載的主體，提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。

本試驗(yàn)使用的樹脂基體是由環(huán)氧樹脂E51和固化劑聚醚胺H023按質(zhì)量比4.0∶1.0配制，并經(jīng)充分?jǐn)嚢璜@得的。

另外，本試驗(yàn)根據(jù)樹脂基體與三維間隔織物1.2∶1.0 的質(zhì)量比確定樹脂基體的用量。

1.2.2 復(fù)合成型工藝

三維間隔織物復(fù)合材料的復(fù)合成型工藝：

(1) 將30 cm×30 cm的玻璃平鋪于桌面上，如圖2(a)所示；

(2) 在玻璃表面放置35 cm×35 cm的聚酰亞胺薄膜，并在薄膜表面傾倒五分之一的樹脂基體，使其分布均勻，如圖2(b)所示；

(3) 將28 cm×28 cm的三維間隔織物置于涂覆有樹脂基體的薄膜表面，如圖2(c)所示；

(4) 將剩余五分之四的樹脂基體傾倒于三維間隔織物表面，如圖2(d)所示；

(5) 使樹脂基體分布均勻，以便于充分吸收，如圖2(e)所示；

(6) 在4個(gè)角上放置等同于織物高度的鐵質(zhì)墊片，蓋上薄膜，如圖2(f)所示；

(7) 蓋上玻璃，一起放入75 ℃烘箱中處理3 h后取出，如圖2(g)所示；

(8) 去除玻璃和聚酰亞胺薄膜，即得三維間隔織物復(fù)合材料，如圖2(h)所示。

2 測試標(biāo)準(zhǔn)

按照GB/T 1447—2005《夾層結(jié)構(gòu)拉伸性能測試方法》標(biāo)準(zhǔn)[10]，對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測試。

使用長條形測試樣品，尺寸為250 mm×25 mm， 測試時(shí)端部加強(qiáng)部分為50 mm、夾持部分為40 mm，如圖3所示。測試時(shí)加載速度設(shè)定為2 mm/min。

圖3 測試樣品

拉伸強(qiáng)度計(jì)算式：

(1)

式中：σ——拉伸強(qiáng)度，MPa；F——破壞載荷或最大載荷，N；b——測試樣品寬度，mm；d——測試樣品厚度，mm。

3 拉伸特性分析

以間隔高度為5 mm的三維間隔織物復(fù)合材料為例(圖4)介紹三維間隔織物復(fù)合材料的拉伸特性：

首先，測試開始階段，拉伸載荷隨著位移的增加而線性增加，此時(shí)試樣夾芯層與上表面接觸處出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，三維間隔織物復(fù)合材料表面有小部分的樹脂開裂及碎屑脫落，并伴隨斷斷續(xù)續(xù)的樹脂破裂聲；

其次，隨著測試的進(jìn)行，拉伸載荷逐漸增大，試樣表面的樹脂破裂嚴(yán)重，并陸陸續(xù)續(xù)地有纖維斷裂現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)可聽到纖維斷裂所發(fā)出的爆鳴聲；

最后，隨著測試的繼續(xù)進(jìn)行，一聲清脆的爆鳴聲后，試樣從中部斷裂，拉伸載荷迅速下降，材料完全被破壞。

(a) 拉伸載荷-位移曲線

(b) 試樣破壞形貌

所得三維間隔織物復(fù)合材料拉伸性能如表1所示。

表1 三維間隔織物復(fù)合材料拉伸性能

3.1 間隔高度對(duì)材料拉伸性能的影響

由表1可知，三維間隔織物復(fù)合材料的拉伸性能隨間隔高度的增加而下降。究其原因在于材料的特殊結(jié)構(gòu)——“8”字型。當(dāng)材料間隔高度較小時(shí)，組成“8”字型的2根經(jīng)紗在樹脂的作用下會(huì)緊密貼合在一起，形成1根較粗的芯柱，此時(shí)三維間隔織物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度較大；當(dāng)材料間隔高度較大時(shí)，組成“8”字型的2根經(jīng)紗相對(duì)獨(dú)立(呈細(xì)彎桿樣式)，樹脂沒有將它們緊密貼合，此時(shí)易受彎失穩(wěn)，因此三維間隔織物復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度較小[11]。

3.2 經(jīng)緯向拉伸性能

由表1可知，三維間隔織物復(fù)合材料的緯向拉伸性能明顯優(yōu)于經(jīng)向，其原因：

(1) 緯向纖維排列較經(jīng)向纖維排列更緊密，對(duì)三維間隔織物復(fù)合材料上、下表面的支持較大；

(2) 緯向纖維較為平直，經(jīng)向纖維屈曲較大，故不利于經(jīng)向纖維強(qiáng)度的發(fā)揮；

(3) 緯向拉伸時(shí)，夾芯層纖維與緯向成一定的夾角，故能分擔(dān)部分載荷，從而導(dǎo)致緯向拉伸強(qiáng)度高于經(jīng)向[12]。

4 結(jié)論

(1) 三維間隔織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著間隔高度的增加而下降；

(2) 三維間隔織物復(fù)合材料的緯向拉伸強(qiáng)度優(yōu)于經(jīng)向。

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Study on manufacturing and tensile properties of 3D spacer fabric composites

LiuYang,HuangXiaomei,CaoHaijian,ChenHongxia,ShenHaoqing

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The manufacturing methods of 3D spacer fabric composites were introduced, and the Instron 5969 universal material testing machine was used to test tensile properties of the 3D spacer fabric composites, and the influence of structural parameters, like spacer height, warp and weft direction, on the tensile properties of the 3D spacer fabric composites was emphatically analyzed. The results showed that the tensile properties of the 3D spacer fabric composites decreased with the increase of the spacer height, and the tensile properties in weft direction was better than that in warp direction.

3D spacer fabric composite, tensile property, spacer height, warp direction, weft direction

2016-11-03

劉洋，男，1994年生，在讀本科生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備

黃曉梅，E-mail:h.xmei@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2017)01-0019-04