劉 洋 黃曉梅 曹海建 陳紅霞 沈浩清

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

三維間隔織物復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

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

介紹三維間隔織物復合材料的制備方法，并采用Instron 5969型萬能材料試驗機對三維間隔織物復合材料的拉伸性能進行測試，重點分析間隔高度、經緯向等結構參數對三維間隔織物復合材料拉伸性能的影響。結果表明：三維間隔織物復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)于經向。

三維間隔織物復合材料，拉伸性能，間隔高度，經向，緯向

三維間隔織物復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，再經與樹脂復合等工藝，制成的一種新型夾芯結構材料，具有質輕、整體性、可設計等特點，常被用于飛機機身、船身、裝甲車身、油管夾層、保溫隔聲材料、軌道交通等領域[1-3]。

目前，國內對三維間隔織物復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魯汶大學、德國斯圖加特大學研發(fā)成功，并開展了相關研究，進行了部分性能測試與模擬[4]；同時，國內外其他學者還進行了一些其他性能的測試，如低速沖擊[5-6]、壓縮[7-9]等。本文主要研究三維間隔織物復合材料的制備工藝，重點分析結構參數與材料拉伸性能的相關性。

1 試驗

1.1 原材料與設備

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計院提供。

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

試驗設備：101A -4S型電熱鼓風干燥箱(南京沃環(huán)科技實業(yè)有限公司)；Instron 5969型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)(圖1)。

1.2 三維間隔織物復合材料的制備

1.2.1 樹脂基體的復配

樹脂基體的作用一方面是保護織物免受外部環(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，提高復合材料的整體力學性能。

本試驗使用的樹脂基體是由環(huán)氧樹脂E51和固化劑聚醚胺H023按質量比4.0∶1.0配制，并經充分攪拌獲得的。

另外，本試驗根據樹脂基體與三維間隔織物1.2∶1.0 的質量比確定樹脂基體的用量。

1.2.2 復合成型工藝

三維間隔織物復合材料的復合成型工藝：

(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個角上放置等同于織物高度的鐵質墊片，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合材料，如圖2(h)所示。

2 測試標準

按照GB/T 1447—2005《夾層結構拉伸性能測試方法》標準[10]，對三維間隔織物復合材料進行拉伸性能測試。

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

圖3 測試樣品

拉伸強度計算式：

(1)

式中：σ——拉伸強度，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的三維間隔織物復合材料為例(圖4)介紹三維間隔織物復合材料的拉伸特性：

首先，測試開始階段，拉伸載荷隨著位移的增加而線性增加，此時試樣夾芯層與上表面接觸處出現發(fā)白現象，三維間隔織物復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，隨著測試的進行，拉伸載荷逐漸增大，試樣表面的樹脂破裂嚴重，并陸陸續(xù)續(xù)地有纖維斷裂現象發(fā)生，此時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合材料拉伸性能如表1所示。

表1 三維間隔織物復合材料拉伸性能

3.1 間隔高度對材料拉伸性能的影響

由表1可知，三維間隔織物復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構——“8”字型。當材料間隔高度較小時，組成“8”字型的2根經紗在樹脂的作用下會緊密貼合在一起，形成1根較粗的芯柱，此時三維間隔織物復合材料的彎曲強度較大；當材料間隔高度較大時，組成“8”字型的2根經紗相對獨立(呈細彎桿樣式)，樹脂沒有將它們緊密貼合，此時易受彎失穩(wěn)，因此三維間隔織物復合材料彎曲強度較小[11]。

3.2 經緯向拉伸性能

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

(1) 緯向纖維排列較經向纖維排列更緊密，對三維間隔織物復合材料上、下表面的支持較大；

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

(3) 緯向拉伸時，夾芯層纖維與緯向成一定的夾角，故能分擔部分載荷，從而導致緯向拉伸強度高于經向[12]。

4 結論

(1) 三維間隔織物復合材料的拉伸強度隨著間隔高度的增加而下降；

(2) 三維間隔織物復合材料的緯向拉伸強度優(yōu)于經向。

[1] 匡寧,周光明,張立泉,等.整體夾芯中空復合材料的開發(fā)與應用[J].玻璃纖維,2007(5):15-20.

[2] 任紅軍,劉定智,劉楊.非金屬雙層地下油罐在加油站中的推廣運用[J].廣東化工,2012,39(10):77-78.

[3] 鄭云.中空夾芯復合材料在軌道交通內裝上的應用[J].玻璃纖維,2013(4):19-23.

[4] VUURE A W V, PFLUG J, IVENS J A， et al. Modeling the core properties of composite panels based on woven sandwich-fabric preforms[J]. Composites Science & Technology, 2000,60(8):1263-1276.

[5] HOSUR M, ABDULLAH M, JEELANI S. Low-velocity impact characterization of hollow integrated core sandwich composites with hybrid face sheets[J]. Composite Structures, 2005,69(2):167-181.

[6] HOSUR M, ABDULLAH M, JEELANI S. Manufacturing and low-velocity impact characterization of foam filled 3- D integrated core sandwich composites with hybrid face sheets[J]. Composite Structures 2004,65(1):103-115.

[7] 曹海建,錢坤,魏取福,等.三維整體中空復合材料壓縮性能的有限元分析[J].復合材料學報,2011,28(1):230-234.

[8] PARK S J, PARK W B, LEE J R. Characterization of the impact properties of three-dimensional glass fabric-reinforced vinyl ester matrix composites[J]. Journal of Materials Science, 2000, 35(24): 6151-6154.

[9] LI Min, WANG Shaokai, ZHANG Zuoguang, et al. Effect of structure on the mechanical behaviors of three-dimensional spacer fabric composites [J]. Applied Composite Materials, 2009, 16(1):1-14.

[10] 全國纖維增強塑料標準化技術委員會.纖維增強塑料拉伸性能試驗方法： GB/T 1447—2005[S].北京:中國標準出版社,2005.

[11] 高愛君,李敏,王紹凱,等.三維間隔連體織物復合材料力學性能[J].復合材料學報,2008,25(2):87-93.

[12] 曹海建,錢坤,盛東曉,等.芯材高度對整體中空復合材料力學性能的影響[J].上海紡織科技,2010,38(9):54-57.

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，研究方向為紡織復合材料的設計與制備

黃曉梅，E-mail:h.xmei@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2017)01-0019-04