鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的彎曲性能

張雪飛， 王晶晶， 呂麗華， 葉 方

(大連工業(yè)大學(xué)， 遼寧 大連 116034)

層合間隔復(fù)合材料在加工成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的不可控的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致材料整體性能差，且當(dāng)材料處于高溫高濕環(huán)境或交變外力作用時(shí)，層與層結(jié)構(gòu)黏合處容易開(kāi)裂破壞或脫落[1-2]。為改善層合間隔復(fù)合材料的層間性質(zhì)及滿足對(duì)結(jié)構(gòu)和多功能復(fù)合材料的需要，三維紡織技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。三維間隔復(fù)合材料是在長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向形成1個(gè)不分層的三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，消除了傳統(tǒng)層合間隔材料的“層”的結(jié)構(gòu)，從根本上解決了傳統(tǒng)層合間隔材料的結(jié)構(gòu)缺陷[3]，使得三維間隔復(fù)合材料可以成為結(jié)構(gòu)件，用作輕質(zhì)板材、殼體材料、噪聲屏蔽材料，也可用在流體的輸送管道等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

作為三維間隔復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，三維紡織間隔織物的成型方式主要包括非織造、針織、編織和機(jī)織[4-6]。Vasile等[7-8]對(duì)非織造三維間隔織物的生產(chǎn)工藝及其復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)材料的孔洞結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)特殊的成型機(jī)械來(lái)保留和穩(wěn)固，而且織物的間隔結(jié)構(gòu)式依靠纖維之間固結(jié)形成，所以材料的整體內(nèi)部約束不夠牢固，難以成為承力結(jié)構(gòu)件。陳思等[9-10]研究了針織三維間隔織物的成型工藝及材料的力學(xué)性質(zhì)，表明針織三維間隔織物形式多樣且效率高，但該類間隔織物的連接層因?yàn)獒樋棾尚凸に嚨奶厥庑灾荒苁羌喚€連接，故該類材料的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定。李嘉祿[11]自主研發(fā)了三維異形整體編織工藝及相關(guān)機(jī)械，開(kāi)發(fā)了多品類的先進(jìn)多功能復(fù)合材料制件和主承力復(fù)合材料制件的增強(qiáng)體織物；但由于編織工藝是多紗線同時(shí)參與織造，其制備機(jī)械相對(duì)特殊，故而編織三維間隔織物生產(chǎn)成本高昂。Mountasir等[12]研究了機(jī)織三維間隔織物的織造工藝，介紹了普通織機(jī)和特殊織機(jī)織造的工藝流程和原理,表明機(jī)織三維間隔織物可在普通織機(jī)設(shè)備上通過(guò)“壓扁—織造—還原”工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，極大地降低了研發(fā)成本和對(duì)織造機(jī)械的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

玄武巖纖維是以天然火山噴出巖為原材料制備的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有優(yōu)異的環(huán)境親和特性，可直接降解為土壤母質(zhì)，不會(huì)污染破壞環(huán)境，且該纖維也具有強(qiáng)度高，模量高，抗壓強(qiáng)度高，剪切強(qiáng)度高等優(yōu)良性能[13]。前期研究在小樣織機(jī)上對(duì)玄武巖纖維三維機(jī)織物進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并對(duì)玄武巖纖維三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試[14-15]，本文結(jié)合玄武巖纖維低價(jià)、環(huán)保、高性能優(yōu)勢(shì)和三維機(jī)織物易成型、整體性能好的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)不同間隔高度的三維機(jī)織間隔織復(fù)合材料，并探究材料的彎曲性能，得到材料對(duì)應(yīng)的載荷-位移曲線和破壞形態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鋸齒形三維機(jī)織間隔織物的設(shè)計(jì)

基于探究間隔連接層為織物的間隔復(fù)合材料，本文選擇鋸齒形經(jīng)向截面作為探究對(duì)象，如圖1所示。其中小圓代表緯紗，線條代表經(jīng)紗。在該示意圖的基礎(chǔ)上，再根據(jù)經(jīng)、緯紗的交織情況得到上機(jī)組織圖，如圖2所示，其中H為不同織物的高度。

圖1 鋸齒形三維間隔織物經(jīng)向截面示意圖Fig.1 Warp section of zigzag 3-D spacer fabric

圖2 鋸齒形三維間隔織物組織圖Fig.2 Weaving diagram of zigzag 3-D spacer fabrics

1.2 鋸齒形三維機(jī)織間隔織物的織造

選用浙江石金玄武巖股份有限公司生產(chǎn)的383 tex玄武巖低捻(10捻/(10 cm))長(zhǎng)絲紗作為經(jīng)、緯紗，在普通小樣織機(jī)SGA598上進(jìn)行織造。鋸齒形三維機(jī)織間隔織物的間隔分別為斜邊7、13、19緯，單層經(jīng)、緯密分別為60、118根/(10 cm)，筘入數(shù)為6根，筘號(hào)為30筘片數(shù)/(10 cm)，總經(jīng)根數(shù)為360。

1.3 鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的制備

選用無(wú)錫錢廣化工原料有限公司生產(chǎn)的V-118環(huán)氧乙烯改性基樹(shù)脂及其配套的促進(jìn)劑及固化劑，其體積比為V(樹(shù)脂)∶V(促進(jìn)劑)∶V(固化劑)=100∶1.25∶1.25。將制備的間隔織物填充進(jìn)尺寸合適的水泥模具，并將其放置于真空輔助成型(VARTM)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)中密封并抽真空，之后吸入調(diào)制好的樹(shù)脂。在常溫下固化24 h，然后在80 ℃的烘箱中熱化2 h得到成品。采用燃燒法，測(cè)得H為1.0、1.7、2.4 cm的鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)分別為22.51%、19.94%、17.64%。

圖3 VARTM系統(tǒng)Fig.3 VARTM system

1.4 彎曲性能測(cè)試

參照GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》和GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》，對(duì)所制得的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料進(jìn)行制樣和三點(diǎn)彎曲測(cè)試。將試樣制成長(zhǎng)為140 mm，間隔分別取1.0、1.7、2.4 cm，跨距選用100 mm。在加載速度為10 mm/min的RGY-5型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲測(cè)試，得到相關(guān)性能指標(biāo)。圖4示出彎曲裝置示意圖。

r為支座圓角半徑；R為加載上壓頭半徑。圖4 彎曲裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of bending device

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣方向?qū)Σ牧蠌澢阅艿挠绊?/h3>

由試樣測(cè)試得到經(jīng)、緯向鋸齒形三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線，如圖5所示。

圖5 經(jīng)、緯向鋸齒形三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線Fig.5 Bending load-displacement curves of zigzag 3-D spacer composites with warp and weft orientation

從圖5可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)、緯向鋸齒形三維機(jī)間隔復(fù)合材料的彎曲載荷-位移曲線有明顯不同的最大載荷點(diǎn)和曲線趨勢(shì)形態(tài)，這說(shuō)明經(jīng)、緯方向上的鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，存在不同的受力形式和破壞形式。

從單一的經(jīng)向試樣來(lái)看，試樣材料中包括連續(xù)的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，但單個(gè)鋸齒形組織寬度有限且材料的上、下層和連接層的厚度較小，如圖6所示。在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中可觀察到：當(dāng)壓頭作用到試樣表面時(shí)，試樣整體迅速出現(xiàn)彎曲，上層面受壓，下層面受拉，繼而壓頭接觸表面出現(xiàn)破壞，且材料表面出現(xiàn)變形，彎曲載荷-位移曲線也達(dá)到最大載荷點(diǎn)；材料繼續(xù)受力，破壞擴(kuò)張，曲線出現(xiàn)下降。結(jié)合曲線和實(shí)驗(yàn)情況可知，經(jīng)向鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的受力面僅僅只是壓頭和材料的接觸表面，而鋸齒形狀結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲測(cè)試中并不能為材料整體提供支撐。隨著位移的逐步增加，試樣表面受作用力進(jìn)而較快地出現(xiàn)變形和破壞，這是因?yàn)椴牧显鰪?qiáng)體結(jié)構(gòu)是采用的平紋結(jié)構(gòu)，形成復(fù)合材料后表層較薄，因而所能承受的作用力也相對(duì)較小。由此可知，表層不能提供較大的抗破壞強(qiáng)力。

圖6 經(jīng)向試樣材料示意圖Fig.6 Warp sample schematic diagram

緯向試樣只有一個(gè)緯向鋸齒形結(jié)構(gòu)貫穿整個(gè)試樣，且試樣表面有中間連接層與上層表面連接的結(jié)節(jié)，亦是貫穿試樣表面。在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如圖7所示，當(dāng)壓頭與試樣接觸后，試樣受力整體出現(xiàn)小幅度彎曲，上層面受壓，下層面受拉，但沒(méi)有迅速地出現(xiàn)明顯的破壞，表層平面完整。隨著位移的繼續(xù)增加，試樣上表層彎曲明顯，上表層平面出現(xiàn)較大的彎曲，且受擠壓處出現(xiàn)白色痕跡，中間連接層發(fā)生破壞，向下塌陷且發(fā)出明顯的材料斷裂聲，而下表層則是呈稍微彎曲的狀態(tài)，曲線載荷達(dá)到最大值。材料繼續(xù)受力，材料破壞加大，曲線開(kāi)始下降。對(duì)比經(jīng)向試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閱我槐砻婺艹惺艿淖饔昧^小，所以緯向試樣主要承受作用力的部位是鋸齒形狀結(jié)構(gòu)，連接層的2個(gè)支撐墻為整體結(jié)構(gòu)提供支撐，使得鋸齒結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎曲性能。且由經(jīng)、緯向曲線對(duì)比可知，鋸齒形狀結(jié)構(gòu)可明顯提升材料的力學(xué)性質(zhì)。

圖7 緯向試樣示意圖Fig.7 Weft sample schematic diagram

由以上分析可知：所制鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的主要承力方向?yàn)榫曄颍页辛Σ课粸殇忼X形狀結(jié)構(gòu)；而復(fù)合材料經(jīng)向則是保證鋸齒形狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)。

2.2 組織循環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)材料彎曲性能的影響

圖8示出單、雙鋸齒形三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線。

圖8 單、雙鋸齒形三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線Fig.8 Bending load-displacement curves of single and doublezigza 3-D spacer composites

從圖8可以看出：雙鋸齒形的曲線峰值要高出單鋸齒形的曲線峰值，也就是說(shuō)明2個(gè)鋸齒形結(jié)構(gòu)材料的抗彎曲性能要高出單個(gè)結(jié)構(gòu)的材料，即材料的抗彎曲性能與材料支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量相關(guān)：材料在作用力下的支撐結(jié)構(gòu)越多，材料的抗彎曲性能越好。這是因?yàn)?個(gè)鋸齒形結(jié)構(gòu)之間存在相互的協(xié)同作用，使得作用力被分配到更多的鋸齒形結(jié)構(gòu)上，故而抗彎曲性能更加優(yōu)異。

2.3 試樣間隔高度對(duì)材料彎曲性能的影響

表1示出復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。圖9示出不同高度三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線?？梢钥闯觯?種不同高度的鋸齒結(jié)構(gòu)的彎曲載荷-位移曲線形狀大體上相似，局部存在一些不同的細(xì)節(jié)，這說(shuō)明3個(gè)梯度的試樣具有相似的破壞情況和失效模式，這是由于它們具有相同的結(jié)構(gòu)和成型方式。在所得曲線中，2.4 cm間隔高度的試樣表現(xiàn)出最好的抗彎曲能力，其彎曲載荷數(shù)值最大；1.7 cm間隔高度的試樣，其彎曲載荷數(shù)值次之；1.0 cm間隔高度的試樣，其彎曲載荷數(shù)值最小。由此可見(jiàn)，在一定的高度范圍內(nèi)，間隔高度越高的鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)良的抗彎曲性能，可以獲得更大的彎曲載荷。

表1 彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of bending strength

圖9 不同高度三維間隔復(fù)合材料載荷-位移曲線Fig.9 Bending load-displacement curves of zigzag 3-D spacer composites with different heights

2.4 復(fù)合材料能量吸收值

通過(guò)彎曲載荷-位移曲線進(jìn)行面積積分得到鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料在10 mm/min加載速度下的能量吸收值，H為2.4、1.7、1.0 cm的復(fù)合材料能量吸收值分別為10.5、7.8、6.1 J。不同高度的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的能量吸收情況也不相同。間隔高度越小的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料，所吸收能量也越少。在一定的間隔高度內(nèi)，三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的能量吸收量隨間隔高度的增加而增加。而導(dǎo)致這種趨勢(shì)的原因與三維機(jī)織間隔復(fù)合材料本身的抗彎曲能力和材料破壞狀態(tài)相關(guān)，從實(shí)測(cè)的彎曲載荷-位移曲線可知，間隔高度越高的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的抗彎曲性能。

材料對(duì)于能量的吸收能力與自身受力破壞情況相關(guān)，本文實(shí)驗(yàn)中材料的破壞形式主要有：1)環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂的破壞。主要包括樹(shù)脂的開(kāi)裂和分層，在彎曲載荷的施加過(guò)程中，作用力沿著纖維方向擴(kuò)散、傳遞，并在壓頭處形成應(yīng)力集中區(qū)域，造成樹(shù)脂破壞，且在連接層引起樹(shù)脂分層。2)纖維和樹(shù)脂基體的分離。作用力在纖維方向上進(jìn)行傳遞時(shí)，引起纖維和樹(shù)脂的不同形變，使得纖維和樹(shù)脂黏合界面產(chǎn)生變化，纖維和樹(shù)脂形成脫黏和剝離。3)纖維的損傷。纖維在三維機(jī)織間隔復(fù)合材料中提供大部分的抗張強(qiáng)度，使得材料在變形過(guò)程被拉伸和抽拔出集體，而玄武巖纖維本身就具有高強(qiáng)高模的特性，故而使壓頭的部分動(dòng)能也轉(zhuǎn)化為纖維的動(dòng)能。

2.5 復(fù)合材料破壞模式

圖10示出鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲測(cè)試過(guò)程。壓頭以10 mm/min的速度勻速下降，首先與矩形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料上表面相接觸(見(jiàn)圖10(a))，上表面輕微彎曲變形并發(fā)出輕微噼啪響聲。隨壓頭的下降，矩形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料上下表面出現(xiàn)不同程度的彎曲(見(jiàn)圖10(b))，材料上表層出現(xiàn)明顯的凹陷，且出現(xiàn)在壓頭作用附近，區(qū)域有限；而下表層也出現(xiàn)向下凸出現(xiàn)象，但程度輕微。在材料彎曲的過(guò)程中伴有清脆的噼啪響聲，即樹(shù)脂破壞，而連接層則因受力出現(xiàn)明顯向外凸的變形，且連接層樹(shù)脂出現(xiàn)明顯的分層破壞現(xiàn)象；壓頭繼續(xù)下降，鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料變形更加嚴(yán)重(見(jiàn)圖10(c))，三維機(jī)織間隔復(fù)合材料上表面向下凹陷嚴(yán)重，下表面也出現(xiàn)明顯的向下凸現(xiàn)象，連接層則是明顯的向外凸且有樹(shù)脂的分層剝離。但是材料并未出現(xiàn)斷裂情況，且破壞嚴(yán)重的區(qū)域只在壓頭附近。

圖11示出鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料彎曲破壞形態(tài)圖。鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料在彎曲載荷作用下發(fā)生明顯的彎曲變形，材料上表面受到壓縮作用向下凹陷，但表面沒(méi)有明顯的破壞(見(jiàn)圖11(a))；下表面受到拉伸作用，因?yàn)樾鋷r纖維的高強(qiáng)性能，并未有破壞(見(jiàn)圖11(c))；而連接層則受到壓縮作用向外凸出，纖維和樹(shù)脂出現(xiàn)脫離，而纖維并未受到破壞(見(jiàn)圖11(b))。由此可知，彎曲載荷對(duì)鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的作用只能使材料纖維和樹(shù)脂發(fā)生分離，但不能破壞材料的整體結(jié)構(gòu)，所以玄武巖纖維三維機(jī)織間隔復(fù)合材料抗破壞性能優(yōu)異。

圖10 鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲測(cè)試過(guò)程Fig.10 Process of three-point bending test of zigzag 3-D woven spacer composites.(a) Initial stage of bending; (b) Intermediate stage of bending; (c) Last stage of bending

圖11 鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料彎曲破壞形態(tài)Fig.11 Bending failure mode of zigzag 3-D woven spacer composites.(a) Compressed surface;(b)Side surface;(c)Strained surface

3 結(jié) 論

以玄武巖低捻長(zhǎng)絲紗作為經(jīng)、緯紗，通過(guò)合理設(shè)計(jì)經(jīng)向截面圖和組織圖，可在普通織機(jī)上織造3種不同間隔高度的鋸齒形三維機(jī)織間隔織物。以其作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂作為基體，通過(guò)真空輔助成型工藝制備鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料，并研究其彎曲性能，得到以下結(jié)論。

1)間隔材料的主要承力方向是緯向，而材料經(jīng)向則是保證鋸齒形狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)。在一定間隔高度范圍內(nèi)，三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的最大彎曲載荷隨材料間隔高度的增加而增加；并且組織循環(huán)個(gè)數(shù)越多的材料表現(xiàn)出更好的彎曲性能。間隔高度越高的三維機(jī)織間隔復(fù)合材料具有更高的能量吸收值。

2)鋸齒形三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的破壞模式是材料上表層受壓，下表層受拉，而連接層受壓。在作用力下材料只是出現(xiàn)明顯的變形，但并未出現(xiàn)材料整體的破壞，玄武巖纖維增強(qiáng)體也未產(chǎn)生拉伸斷裂情況。

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