張麗哲

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

玻璃纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的制備及拉伸性能研究

張麗哲

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)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(jī)織物作為增強(qiáng)材料，通過手糊法制備復(fù)合材料，并通過試驗(yàn)對(duì)比研究兩種復(fù)合材料的拉伸性能。結(jié)果表明，經(jīng)編復(fù)合材料沿各個(gè)軸向的拉伸強(qiáng)度比復(fù)合前多軸向經(jīng)編針織物及機(jī)織復(fù)合材料的強(qiáng)度均有明顯提高，增幅均在50%以上，說明多軸向經(jīng)編復(fù)合材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。這為進(jìn)一步擴(kuò)大玻璃纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供了有力證據(jù)。

玻璃纖維，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料，機(jī)織復(fù)合材料，拉伸性能

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由纖維材料與基體材料按一定工藝復(fù)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(yīng)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(qiáng)復(fù)合材料主要包括纖維增強(qiáng)材料和基體材料。近年來增強(qiáng)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(dú)特的預(yù)定向編織技術(shù)織造而成，使織物中每一個(gè)組成部分的性能都能得到合理的應(yīng)用，特別是沿織物的各個(gè)軸向，其拉伸性能與傳統(tǒng)的增強(qiáng)材料相比有較大的提高[1]。因此，近年來國內(nèi)外對(duì)多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的研究和應(yīng)用發(fā)展非常快[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(jī)織物作為增強(qiáng)材料，通過手糊成型法制得復(fù)合材料，并對(duì)兩種復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測試，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析兩種復(fù)合材料的力學(xué)性能。

1 復(fù)合材料的制備

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所使用的復(fù)合材料增強(qiáng)體為E-玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物和E-玻璃纖維機(jī)織物，由常州宏發(fā)土工復(fù)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(jī)織物的經(jīng)紗和緯紗均采用普通無捻無堿E-玻璃纖維?？椢锏木唧w參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃纖維織物參數(shù)

復(fù)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(xué)性能良好等諸多特性，因此在紡織復(fù)合材料中應(yīng)用較為廣泛[6-7]。本試驗(yàn)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(fù)合材料制備工藝

復(fù)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(shí)無反應(yīng)副產(chǎn)物放出，在常溫常壓下即可成型。綜合考慮試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備等，采用手糊成型法制備復(fù)合材料。

樹脂基復(fù)合材料制備過程如下[9]：

(1) 按所需糊制的平板尺寸在平臺(tái)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(qiáng)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(shí)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(fù)合材料固化后，將聚酯薄膜除掉，按試驗(yàn)要求尺寸畫線，將多余飛邊修剪掉，去除毛刺，經(jīng)檢驗(yàn)合格后即可使用。

2 復(fù)合材料拉伸性能研究

2.1 拉伸性能試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器：YT010-1000型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)；

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(yàn)環(huán)境：恒溫恒濕。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為突出樹脂基多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的拉伸性能，將多軸向經(jīng)編復(fù)合材料三個(gè)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(jī)織物進(jìn)行了對(duì)比研究。根據(jù)拉伸性能試驗(yàn)方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料拉伸應(yīng)力或拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式為

(1)

式中：σt——拉伸強(qiáng)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(fù)合前后拉伸性能的比較

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

圖1 玻璃纖維多軸向經(jīng)編針織物復(fù)合前后拉伸強(qiáng)度對(duì)比

從圖1可以看出，經(jīng)編復(fù)合材料的拉伸性能與復(fù)合前的多軸向經(jīng)編針織物相比，沿0°、+45°、-45°三個(gè)方向的拉伸強(qiáng)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(qiáng)體的纖維材料完全浸入樹脂基體中，其表面受基體保護(hù)而不易損傷，因此復(fù)合材料在受外力作用較小時(shí)，增強(qiáng)纖維不會(huì)發(fā)生斷裂，從而提高了復(fù)合材料的承載能力。隨著復(fù)合材料所受應(yīng)力的增加，其中某些纖維會(huì)在薄弱橫截面上發(fā)生斷裂，使復(fù)合材料表面產(chǎn)生裂紋，而此時(shí)具有良好塑性和韌性的樹脂基體可阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)復(fù)合材料所受外部載荷接近其極限值時(shí)，沿拉伸方向更多的纖維斷裂，應(yīng)力集中使基體產(chǎn)生裂紋直至破壞。由于纖維斷裂時(shí)位置不一致，導(dǎo)致纖維從基體中拔出的長度不同，因此復(fù)合材料斷裂時(shí)的斷口不在同一平面上，這與試件的實(shí)際斷裂形態(tài)一致。

另外，對(duì)比圖1試驗(yàn)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(qiáng)度較為接近，而沿0°方向的拉伸強(qiáng)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(qiáng)紗線越粗，其拉伸強(qiáng)度越大，則該方向上織物的強(qiáng)力越大。此外，編織地組織使用的束縛紗的強(qiáng)力與玻璃纖維相比可忽略不計(jì)，但通過束縛紗對(duì)各層增強(qiáng)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(fù)合材料與機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的比較

由于單層玻璃纖維機(jī)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(fù)合材料測試標(biāo)準(zhǔn)接近，試驗(yàn)時(shí)將6層玻璃纖維機(jī)織物疊合與樹脂基體復(fù)合制成復(fù)合材料。同時(shí)，由于復(fù)合材料的纖維體積含量不同，無法準(zhǔn)確衡量其力學(xué)性能的優(yōu)劣。因此，這里引入了比強(qiáng)度的概念，即每種試樣的強(qiáng)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(qiáng)度。

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

(2)

式中：G——織物的面密度(g/m2)；h——復(fù)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(jì)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(fù)合材料與機(jī)織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度對(duì)比

由圖2可知，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料與機(jī)織復(fù)合材料相比，在其三個(gè)軸向方向上抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)的玻璃纖維呈平直排列并相互疊加，與機(jī)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(dān)外力作用，紗線的性能得到充分利用，從而避免了機(jī)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(fù)合材料與機(jī)織復(fù)合材料沿+45°和-45°方向的拉伸強(qiáng)度差異也較大，這是由于多軸向經(jīng)編針織物在這兩個(gè)方向均有襯墊紗線分擔(dān)載荷，因此，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料較機(jī)織復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)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(fù)合材料和玻璃纖維機(jī)織復(fù)合材料，并對(duì)其拉伸強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)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(fù)合后的拉伸強(qiáng)度明顯高于復(fù)合前經(jīng)編織物的強(qiáng)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(qiáng)度，可顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，這也擴(kuò)大了多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

(2) 多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度明顯高于機(jī)織復(fù)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(fù)合材料比機(jī)織復(fù)合材料具有更廣泛的應(yīng)用前景，可以適應(yīng)各類產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域?qū)徔棌?fù)合材料更高的要求。

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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?yàn)榧徔椥庐a(chǎn)品、新工藝開發(fā)。

TS186.1

A

1004-7093(2015)12-0018-04