靳雯雯 唐予遠(yuǎn) 許 鶴 單晶晶 李青青，

1. 中原工學(xué)院紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007；2. 中原工學(xué)院河南省功能性紡織材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450007；3. 際華三五零九紡織有限公司， 湖北 漢川431602；4. 國家棉花及紡織服裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 河南 鄭州 450000

噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料橫向耐沖擊性能

靳雯雯1唐予遠(yuǎn)2許 鶴3單晶晶4李青青1， 2

1. 中原工學(xué)院紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007；2. 中原工學(xué)院河南省功能性紡織材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450007；3. 際華三五零九紡織有限公司， 湖北 漢川431602；4. 國家棉花及紡織服裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 河南 鄭州 450000

利用半自動(dòng)小樣織機(jī)織制不同組織結(jié)構(gòu)的噴射口角聯(lián)鎖織物，再通過真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模型技術(shù)制成噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料，對(duì)比它們的橫向耐沖擊性能。結(jié)果表明：對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、相同循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料而言，可承受的沖擊載荷方面，六層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料最大、四層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料優(yōu)于四層空口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料，能量吸收方面，六層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料的能量吸收最大、四層空口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料優(yōu)于四層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料；對(duì)于相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料而言，四層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料可承受的沖擊載荷及能量吸收都優(yōu)于四層實(shí)口二循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料。

噴射口結(jié)構(gòu)， 角聯(lián)鎖織物， 復(fù)合材料， 橫向耐沖擊性能， 沖擊響應(yīng)， 能量吸收

近幾年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，我國紡織復(fù)合材料無論在原材料領(lǐng)域還是在復(fù)合工藝技術(shù)方面，都有了顯著的進(jìn)步。三維機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料，一方面其整體性好，提高了復(fù)合材料在厚度方向的力學(xué)性能，克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間脆弱、不耐沖擊等缺點(diǎn)；另一方面其織造可在普通織機(jī)上完成，無需大型織造設(shè)備，投資少、生產(chǎn)造價(jià)低。

Gu[1]、Roberts等[2]研究了三維紡織復(fù)合材料彈道的沖擊性能；李嘉祿等[3]、Kelkar等[4]、廖曉玲等[5]研究了三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)疲勞性能；Sun等[6-8]探討了應(yīng)變率對(duì)三維紡織復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)和破壞模式的影響；許蔚等[9]、Wan等[10]、余育苗等[11]就細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化、復(fù)合材料的拉伸性能及沖擊能量的吸收進(jìn)行了研究。這些都為三維紡織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。

研究三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)與損傷機(jī)理，是復(fù)合材料應(yīng)用的重要基礎(chǔ)性工作，其除了具有明顯的工程應(yīng)用背景外，還具有重要的意義。就表征復(fù)合材料力學(xué)性能而言，沖擊響應(yīng)和損傷機(jī)理是動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要內(nèi)容，但三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在此方面的研究并不多見；對(duì)于沖擊動(dòng)力學(xué)而言，三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是全新的研究對(duì)象。而基于三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)與損傷機(jī)理，可對(duì)高速飛行器、高速車輛及彈道防護(hù)的復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，對(duì)制造性能穩(wěn)定、使用可靠的復(fù)合材料具有工藝上的指導(dǎo)價(jià)值。

因此，本文運(yùn)用Hopkinson裝置對(duì)噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料進(jìn)行橫向耐沖擊性能的研究。

1 試驗(yàn)

噴射口角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物是運(yùn)用兩種完全相同的角聯(lián)鎖織物組織，并將這兩種組織上下放置形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，然后通過改變上下層的經(jīng)紗交織規(guī)律，從而形成一列列沿著經(jīng)紗方向且形狀、大小相同的通道的一種新型織物。

1.1 噴射口角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的選擇

為對(duì)比噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料的橫向沖擊性能，本文設(shè)計(jì)了四種結(jié)構(gòu)的角聯(lián)鎖織物——四層空口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物、四層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物、六層實(shí)口三循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物和四層實(shí)口二循環(huán)噴射口角聯(lián)鎖織物，其上機(jī)圖見圖1[12]。

(a) 四層空口三循環(huán)結(jié)構(gòu)

(b) 四層實(shí)口三循環(huán)結(jié)構(gòu)

(c) 六層實(shí)口三循環(huán)結(jié)構(gòu)

(d) 四層實(shí)口二循環(huán)結(jié)構(gòu)

1.2 試樣織造

利用SGA598型半自動(dòng)小樣織機(jī)，以線密度為112 tex的玻璃纖維復(fù)絲為原料，進(jìn)行噴射口角聯(lián)鎖織物的織造。

1.3 噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料的成型

試驗(yàn)采用真空輔助轉(zhuǎn)移樹脂模型技術(shù)將噴射口角聯(lián)鎖織物加工成復(fù)合材料。按照織物噴射口的大小選用直徑為2～8 mm的硅膠管(圖2)。在硅膠管表面涂刷脫模劑，然后利用脫模布包裹處理。再將處理過的硅膠管(圖2)小心地插入噴射口角聯(lián)鎖織物的噴射口中進(jìn)行復(fù)合成型(圖3)，定型后即得噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料。

圖2 未處理硅膠管與處理后硅膠管(左邊紅色)

圖3 噴射口角聯(lián)鎖織物的復(fù)合成型

1.4 橫向耐沖擊性能試驗(yàn)

采用分離式Hopkinson裝置(圖4)進(jìn)行橫向耐沖擊性能測試。

Hopkinson裝置需運(yùn)用貼附在桿子上的應(yīng)變片收集沖擊過程中產(chǎn)生的加載信號(hào)，并進(jìn)行理論計(jì)算，得到動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用Hopkinson裝置對(duì)不同結(jié)構(gòu)的噴射口角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料(簡稱“試件”)進(jìn)行橫向沖擊測試，對(duì)比不同試件的橫向耐沖擊性能。測試時(shí)，試件沿經(jīng)向的兩端被夾具固定，選擇三個(gè)沖擊速度即輸入桿速度分別為8.0、 10.5、 13.0 m/s。每個(gè)沖擊速度測試試件不低于三次，得到平均橫向沖擊載荷-位移曲線及能量吸收?qǐng)D。

圖4 Hopkinson裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)、相同循環(huán)試件的橫向耐沖擊性能

2.1.1 沖擊響應(yīng)

為對(duì)比不同結(jié)構(gòu)、相同循環(huán)試件的橫向沖擊響應(yīng)，選擇四層空口三循環(huán)試件、四層實(shí)口三循環(huán)試件、六層實(shí)口三循環(huán)試件，分別于8.0、 10.5、 13.0 m/s 的沖擊速度下進(jìn)行橫向沖擊響應(yīng)研究，結(jié)果見圖5和圖6。

(a) 沖擊速度8.0 m/s

(b) 沖擊速度10.5 m/s

(c) 沖擊速度13.0 m/s

圖6 不同結(jié)構(gòu)、相同循環(huán)試件的橫向最大沖擊載荷-沖擊速度曲線

從圖5可以看出：同一沖擊速度下，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到最高值后試件便不再能承受更大的沖擊載荷，且試件開始呈非線性破壞(這與試件破壞的不同時(shí)性有關(guān))，可承受的沖擊載荷開始逐漸下降；六層實(shí)口三循環(huán)試件可承受的沖擊載荷最大，而四層實(shí)口三循環(huán)試件可承受的沖擊載荷稍大于四層空口三循環(huán)試件。究其原因在于，三種試件的織物結(jié)構(gòu)不同，它們的經(jīng)緯密度、纖維體積分?jǐn)?shù)也不同，其中六層實(shí)口三循環(huán)試件的纖維體積分?jǐn)?shù)最大、四層實(shí)口三循環(huán)試件的纖維體積分?jǐn)?shù)次之、四層空口三循環(huán)試件的纖維體積分?jǐn)?shù)最小。

從圖6可以得出：隨著的沖擊速度的增加，三種試件可承受的最大沖擊載荷增大，原因在于試件所受到的沖擊載荷與入射脈沖、反射脈沖之和成正比。沖擊速度越大，則入射脈沖和反射脈沖之和越大，故試件所承受的沖擊載荷越大；同一沖擊速度下，六層實(shí)口三循環(huán)試件可承受的最大沖擊載荷最大，四層空口三循環(huán)試件可承受的最大沖擊載荷最小，原因也與三種試件的結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。

2.1.2 能量吸收

復(fù)合材料吸收能量的多少能反映出復(fù)合材料在整個(gè)沖擊過程中抗彎能力的強(qiáng)弱，因此，復(fù)合材料沖擊能量的吸收是衡量材料抗沖擊性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。圖7為三種試件橫向沖擊的能量吸收?qǐng)D。

圖7 三種試件橫向沖擊的能量吸收狀況

從圖7可以看出：沖擊速度越大，試件能量吸收越大；六層實(shí)口三循環(huán)試件的能量吸收最大，四層空口三循環(huán)試件的能量吸收大于四層實(shí)口三循環(huán)試件的能量吸收。這說明，六層實(shí)口三循環(huán)試件的抗沖擊損傷容限最大，四層空口三循環(huán)試件抗沖擊的損傷容限優(yōu)于四層實(shí)口三循環(huán)試件。

2.2 相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)試件的橫向耐沖擊性能

2.2.1 沖擊響應(yīng)

為對(duì)比相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)試件橫向的沖擊響應(yīng)，選擇四層實(shí)口二循環(huán)試件、四層實(shí)口三循環(huán)試件，分別于8.0、 10.5、 13.0 m/s的沖擊速度下進(jìn)行橫向沖擊響應(yīng)研究，測試結(jié)果見圖8和圖9。

(a) 四層實(shí)口二循環(huán)試件

(b) 四層實(shí)口三循環(huán)試件

圖9 相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)試件的橫向最大沖擊載荷-沖擊速度曲線

從圖8和圖9可以看出：隨著沖擊速度的增加，兩種試件橫向可承受的最大沖擊載荷越來越大，且當(dāng)沖擊載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件將不能承受更大的沖擊載荷，試件開始出現(xiàn)不同程度的破壞，這是試件破壞的不同時(shí)性所致；同一沖擊速度下，四層實(shí)口三循環(huán)試件可承受的最大沖擊載荷大于四層實(shí)口二循環(huán)試件，這說明四層實(shí)口三循環(huán)試件的承載能力大于四層實(shí)口二循環(huán)試件，這也與四層實(shí)口二循環(huán)試件的纖維體積分?jǐn)?shù)小于四層實(shí)口三循環(huán)試件有關(guān)。

2.2.2 能量吸收

圖10為相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)試件橫向沖擊的能量吸收?qǐng)D。

圖10 兩種試件橫向沖擊的能量吸收狀況

從圖10可以看出：沖擊速度越大，能量吸收也就越多；四層實(shí)口三循環(huán)試件的能量吸收大于四層實(shí)口二循環(huán)試件，這說明四層實(shí)口三循環(huán)試件的抗沖擊的損傷容限優(yōu)于四層實(shí)口二循環(huán)試件。

3 結(jié)論

利用半自動(dòng)小樣織機(jī)，以玻璃纖維復(fù)絲為原料，織制噴射口角聯(lián)鎖織物；接著，采用真空輔助轉(zhuǎn)移樹脂模型加工法制成試件；利用分離式Hopkinson裝置對(duì)不同的試件進(jìn)行橫向耐沖擊性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)比三種不同結(jié)構(gòu)、相同循環(huán)試件的橫向沖擊響應(yīng)，六層實(shí)口三循環(huán)試件的橫向耐沖擊性能最好，四層實(shí)口三循環(huán)試件的橫向耐沖擊性能優(yōu)于四層空口三循環(huán)試件，六層實(shí)口三循環(huán)試件的能量吸收最大，四層空口三循環(huán)試件的能量吸收大于四層實(shí)口三循環(huán)試件的能量吸收；對(duì)比兩種相同結(jié)構(gòu)、不同循環(huán)試件的橫向沖擊響應(yīng)，四層實(shí)口三循環(huán)試件的橫向耐沖擊性能及能量吸收都優(yōu)于四層實(shí)口二循環(huán)試件。

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Transverse impact resistance performance of the jet angle-interlock fabric composites

JinWenwen1，TangYuyuan2，XuHe3，ShanJingjing4，LiQingqing1， 2

1. College of Textiles， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China；2. Provincial Key Laboratory of Functional Textile Materials of Henan， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China；3. Interstate China the 3509 Textile Co.， Ltd.， Hanchuan 431602， China；4. National Cotton and Textile Products Quality Supervision Testing Center， Zhengzhou 450000， China

The jet angle-interlock fabrics with different weaving structures were woven on the semi-automatic sample loom， and then the jet angle-interlock fabric composites were made with the vacuum assistant resin transfer model technology. Their transverse impact resistance performance was compared. The results showed that， as far as the jet angle-interlock fabric composites with the same structures and different cycles were concerned， the bearable impact load of the 6-layer and 3-cycle full jet angle-interlock fabric composite was the best， the 4-layer and 3-cycle full jet angle-interlock fabric composite was better than the 4-layer and 3-cycle empty jet angle-interlock fabric composite， the energy absorption of the 6-layer and 3-cycle full jet angle-interlock fabric composite was the best， the 4-layer and 3-cycle empty jet angle-interlock fabric composite was better than the 4-layer and 3-cycle full jet angle-interlock fabric composite； as far as the jet angle-interlock fabrics composites with the same cycles and different structures were concerned， the bearable impact load and the energy absorption of the 4-layer and 3-cycle full jet angle-interlock fabric composite were both better than the 4-layer and 2-cycle full jet angle-interlock fabric composite.

jet structure， angle-interlock fabric， composite material， transverse impact resistance performance， impact response， energy absorption

2016-10-18

靳雯雯，女，1990年生，在讀碩士研究生，

主要研究方向?yàn)榧徔椚S復(fù)合材料

TB332

A

1004-7093(2017)05-0034-06