三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的力學(xué)性能

婁 閣，陳 思

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

經(jīng)編間隔織物是一種三維結(jié)構(gòu)織物,由兩個(gè)表層結(jié)構(gòu)單元和一個(gè)間隔紗線單元組成,具有質(zhì)量小、易加工、隔聲隔熱、緩沖防撞性能優(yōu)良等特點(diǎn)[1-3],在紡織服裝、建筑行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-7]。Lu等[8]用硅石/聚乙二醇懸浮液混合而成的剪切增稠液浸漬經(jīng)編間隔織物,并進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn),結(jié)果顯示,經(jīng)剪切增稠液浸漬的經(jīng)編間隔織物具有較高的能量吸收峰和較低的峰值載荷;陳利等[9]探究了典型的三維機(jī)織預(yù)制體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能;陳思等[10]制備了5種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料試樣,平壓壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示,間隔絲針背橫移數(shù)較大、間隔絲較細(xì)、厚度較大的復(fù)合材料具有較高的能量吸收率。玻璃纖維因具有阻燃、防火特性,常作為增強(qiáng)材料用于船體和建筑等方面[11-12]。牛忠旺等[13]探究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀,指出玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有耐腐蝕、高強(qiáng)高模及抗疲勞等優(yōu)良性能。

在經(jīng)編間隔織物復(fù)合材料研究的基礎(chǔ)上,本研究將三維夾芯結(jié)構(gòu)作為創(chuàng)新部分加至復(fù)合材料中。三維夾芯結(jié)構(gòu)以玻璃纖維機(jī)織物為上下面板和經(jīng)編間隔織物為芯材,這種結(jié)構(gòu)能夠減少經(jīng)編間隔織物整體的質(zhì)量,從而分散剪切應(yīng)力。三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料將三維夾芯結(jié)構(gòu)和聚氨酯泡沫結(jié)合起來,材料間的協(xié)同作用使得復(fù)合材料能夠產(chǎn)生優(yōu)異的性能。此外,本文探究了間隔織物厚度、種類以及是否復(fù)合機(jī)織物對(duì)三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 經(jīng)編間隔織物及玻璃纖維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

選用的4種經(jīng)編間隔織物均在E18號(hào)拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)上編織成型。表面組織結(jié)構(gòu)選用33.3 tex/96 f的PET復(fù)絲(記為a),間隔絲采用直徑為0.2 mm的PET單絲(記為b)。間隔織物的表面組織結(jié)構(gòu)包括六角形網(wǎng)孔、大六角形網(wǎng)孔以及編鏈結(jié)構(gòu),如圖1所示。經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。間隔梳櫛針背橫移針距數(shù)表示一個(gè)橫列內(nèi)梳櫛每次橫移的距離,該指標(biāo)的數(shù)值越小,間隔絲越趨向豎直狀態(tài),反之,間隔絲越趨向水平狀態(tài)。選用的玻璃纖維機(jī)織物由山東中易達(dá)工程科技有限公司生產(chǎn)。玻璃纖維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)為平紋,面密度為204 g/m2,厚度為0.35 mm,經(jīng)密為120根/(10 cm),緯密為120根/(10 cm)。

表1 經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)與參數(shù)Table 1 Structure and parameters of warp-knitted spacer fabrics

圖1 經(jīng)編間隔織物的表面組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Surface structure of warp-knitted spacer fabrics

1.2 復(fù)合材料的制備

以玻璃纖維機(jī)織物和經(jīng)編間隔織物為增強(qiáng)體材料,聚氨酯泡沫為基體材料,將聚氨酯樹脂涂抹在玻璃纖維機(jī)織物表面,再以圖2形式復(fù)合成三維針織/機(jī)織夾芯結(jié)構(gòu)并靜置24 h;將異氰酸酯和聚醚多元醇按質(zhì)量比1∶1攪拌均勻后制成聚氨酯泡沫溶液,快速注入三維夾芯結(jié)構(gòu);待聚氨酯充分發(fā)泡后,在室溫下靜置2 h進(jìn)行固化。為探究玻璃纖維機(jī)織物和經(jīng)編間隔織物組成的三維結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,選用未復(fù)合玻璃纖維機(jī)織物的經(jīng)編間隔織物直接與聚氨酯泡沫進(jìn)行復(fù)合,試樣記為N1。記Sx為采用經(jīng)編間隔織物與玻璃纖維機(jī)織物復(fù)合成夾芯結(jié)構(gòu)再填充聚氨酯泡沫所得的復(fù)合織物,下標(biāo)x(x=1,2,3,4)對(duì)應(yīng)表1中的間隔織物編號(hào),S為玻璃纖維機(jī)織物。三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的制備Fig.2 Preparation of three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

1.3 復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 1452—2018《夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的拉伸性能,加載速度設(shè)為2 mm/min。試樣尺寸為250 mm×25 mm×10 mm,測(cè)試時(shí)端部貼附加強(qiáng)片部分長(zhǎng)度為50 mm、夾持部分長(zhǎng)度為40 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)裁剪試樣,沿織物經(jīng)向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算拉伸過程中的應(yīng)力與應(yīng)變。

(1)

(2)

式中:σ為應(yīng)力;F為拉伸力;S為試樣垂直于拉伸方向的截面積;ε為應(yīng)變;L1為拉伸方向的長(zhǎng)度變化量;L為夾持距離。

參照GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲性能。試樣尺寸為12.7 mm×10.0 mm×160.0 mm,夾持距離為120 mm,加載速度為2 mm/min。按照標(biāo)準(zhǔn)裁剪試樣,沿垂直織物表面方向進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。每種試樣測(cè)試3個(gè)樣品。

參照GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料壓縮性能。試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm,定位移為4 mm,加載速度為2 mm/min。按照標(biāo)準(zhǔn)裁剪試樣,沿垂直織物表面方向進(jìn)行平壓試驗(yàn)。每種試樣測(cè)試3個(gè)樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的拉伸性能

三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可以看出:在拉伸初始階段,所有試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均隨著應(yīng)變的增加而呈上升趨勢(shì);當(dāng)拉伸應(yīng)力到達(dá)峰值后,所有曲線均呈緩慢下降趨勢(shì)。其中未被玻璃纖維機(jī)織物復(fù)合增強(qiáng)的N1試樣的應(yīng)力最小。在4種玻璃纖維機(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料的試樣中,S4的拉伸應(yīng)變最大,S3次之,S1和S2拉伸應(yīng)變較小。

圖3 三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

S2中的間隔織物的表面組織結(jié)構(gòu)與S1相同,但是S2的拉伸性能優(yōu)于S1。在復(fù)合材料拉伸過程中,間隔織物的伸長(zhǎng)率大于聚氨酯泡沫基體。隨著拉伸位移的增加,復(fù)合材料承受的拉伸載荷逐漸增大,直至復(fù)合材料中的聚氨酯泡沫基體斷裂;隨著拉伸載荷的繼續(xù)增大,聚氨酯泡沫基體逐漸從間隔織物中脫離出來。結(jié)合表2可知,S2的織物厚度比S1大,前者具有更多的空間可以填充更多的聚氨酯泡沫,從而可以提供更強(qiáng)的支撐,承受更大的載荷,形成較大的形變,因此,S2具有更好的拉伸性能。但是在間隔織物厚度相同的情況下,間隔織物中填充的聚氨酯泡沫的體積相近,此時(shí)不同復(fù)合材料的拉伸性能無顯著區(qū)別。楊大偉等[14]研究發(fā)現(xiàn),間隔絲的存在雖然會(huì)影響拉伸斷裂的過程,但是對(duì)間隔織物拉伸性能的影響不大。

S1的拉伸性能比S3好。這是因?yàn)镾1中的間隔織物具有較大的面密度,在拉伸過程中,S1中織物表面線圈間的交織點(diǎn)較為密集,在受到外力時(shí)紗線之間有足夠的力抵抗形變,因此S1拉伸性能較好。

S4的拉伸性能比S2好。在復(fù)合材料拉伸后期,當(dāng)聚氨酯基體發(fā)生破損后,經(jīng)編間隔織物成為主要承力部分。S4的表面組織結(jié)構(gòu)為編鏈結(jié)構(gòu),相比S2更為緊密,并且具有更密集的線圈交織點(diǎn),因此在受力過程中S4具有更好的結(jié)構(gòu)整體性與更高的拉伸強(qiáng)度。

2.2 復(fù)合材料的彎曲性能

未復(fù)合機(jī)織物的試樣N1是以間隔織物為增強(qiáng)體、聚氨酯泡沫為基體的復(fù)合材料,由于經(jīng)編間隔織物和聚氨酯泡沫都是柔性材料,因此由兩者復(fù)合的試樣N1也是柔性材料。柔性材料在彎曲測(cè)試過程中材料本身不會(huì)產(chǎn)生損傷,僅僅是發(fā)生有限度的壓彎,因此無法得出準(zhǔn)確真實(shí)體現(xiàn)材料自身彎曲性能的數(shù)據(jù)。其他4種三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Bending stress-strain curves for three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

由圖4可以看出,所有試樣的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線在初始階段均呈上升趨勢(shì),當(dāng)彎曲應(yīng)力達(dá)到峰值后,所有曲線均呈緩慢下降趨勢(shì),且整個(gè)曲線存在明顯的屈服點(diǎn)。在屈服點(diǎn)處,由于切應(yīng)力的作用,材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移,試樣發(fā)生明顯變形,并且此階段發(fā)生的變形不會(huì)因?yàn)橥饬Φ男度ザ?屬于塑性變形。在表面結(jié)構(gòu)相同的情況下,S2的彎曲性能優(yōu)于S1。這是由于三點(diǎn)彎曲測(cè)試時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能提高主要?dú)w功于填充的聚氨酯泡沫,而S2中可以填充更多的聚氨酯泡沫,因此彎曲性能更好。

S3的彎曲性能優(yōu)于S1。其中,S3中填充的間隔織物表面結(jié)構(gòu)為大六角形網(wǎng)孔,S1中填充的間隔織物表面結(jié)構(gòu)為六角形網(wǎng)孔。這是因?yàn)榇罅切尉W(wǎng)孔織物的間隔梳櫛針背橫移針距數(shù)較小,即S3中的間隔織物的間隔絲越趨向豎直狀態(tài),能夠承受更大的臨界力值,不易被壓彎,從而提高了材料整體的彎曲性能,因此S3的彎曲性能更好。同理,S2的彎曲性能優(yōu)于S4。

使用BC 1000型高清顯微鏡觀察彎曲性能測(cè)試后的試樣,判斷三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的分層情況。試樣的表觀形貌如圖5所示。由圖5可知,三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的上表面受到力的作用而發(fā)生變形,且聚氨酯基體受力發(fā)生斷裂,而貼附在間隔織物兩側(cè)的玻璃纖維機(jī)織物沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這是因?yàn)橹谱魅S結(jié)構(gòu)預(yù)制件時(shí)使用的聚氨酯樹脂和填充的聚氨酯泡沫的融合效果較好;同時(shí),聚氨酯泡沫的存在能夠更均勻地傳遞載荷,這使得間隔絲的支撐作用得到充分發(fā)揮;此外,間隔絲被包裹固定在泡沫中,使得泡沫受力后不易發(fā)生斷裂。泡沫與間隔絲之間的這種協(xié)同作用使得復(fù)合材料具有更好的抗彎曲性能。

圖5 彎曲測(cè)試后復(fù)合材料的表觀形貌Fig.5 Apparent morphology of the composites after bending test

2.3 復(fù)合材料的壓縮性能

圖6為壓縮測(cè)試后復(fù)合材料的表觀形貌。由圖6可知,復(fù)合材料受到壓縮后無明顯裂紋,但聚氨酯泡沫發(fā)生破裂,而間隔絲未出現(xiàn)斷裂抽拔現(xiàn)象。這說明聚氨酯泡沫是主要承力部分,而加入的經(jīng)編間隔織物起到支撐作用,有助于提升復(fù)合材料整體的壓縮性能。

圖6 壓縮測(cè)試后復(fù)合材料的表觀形貌Fig.6 Apparent morphology of the composites after compression test

圖7為三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料及間隔織物復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖7 三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Compressive stress-strain curves for three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

由圖7可知,在壓縮過程中隨著應(yīng)變的增加,所有曲線均呈緩慢上升趨勢(shì),未出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。這可能是因?yàn)樵谇袘?yīng)力的作用下,材料內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)滑移,但所貼附的玻璃纖維機(jī)織物同樣受到壓縮載荷的作用。其中N1的應(yīng)力最低,表明所貼附的機(jī)織物雖不作為主要承力部分,但是機(jī)織物與間隔織物組成的三維結(jié)構(gòu)可以增加三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料整體的完整性,并增強(qiáng)其抗壓性能。

S2的壓縮性能優(yōu)于S1。壓縮測(cè)試時(shí)復(fù)合材料力學(xué)性能的提高主要?dú)w功于填充的聚氨酯泡沫。S2中的經(jīng)編間隔織物厚度較大,可以填充更多的聚氨酯泡沫,因此可承受較大的壓縮載荷,從而S2具有更好的抗壓性能。S3的壓縮性能優(yōu)于S1。這是因?yàn)镾3中的大六角形網(wǎng)孔的間隔梳櫛針背橫移針距數(shù)較小,即大六角形網(wǎng)孔間隔織物的間隔絲的傾斜角度較大,可以承受較大的臨界力值,因此抗壓性能較好。由此可見,在織物厚度相同的情況下,聚氨酯泡沫在材料中的作用不僅僅是承受壓力,還能支撐間隔絲不發(fā)生傾斜或變形。同理,S2的壓縮性能優(yōu)于S4。

3 結(jié) 論

——添加玻璃纖維機(jī)織物后三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能,即三維夾芯結(jié)構(gòu)具有的高比強(qiáng)度、高比剛度的優(yōu)點(diǎn)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

——在間隔織物表面結(jié)構(gòu)相同的情況下,經(jīng)編間隔織物厚度較大的三維針織/機(jī)織聚氨酯基復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。聚氨酯泡沫是主要承力部分,填充較多的聚氨酯泡沫可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

——在間隔織物厚度相同的情況下,表面組織結(jié)構(gòu)為大六角形網(wǎng)孔的復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于表面組織結(jié)構(gòu)為六角形網(wǎng)孔的復(fù)合材料,即經(jīng)編間隔織物的間隔絲相對(duì)表層越豎直,承受的臨界力值越大,越不易被壓彎,越有助于提高復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。

因此,選取合適的間隔織物作為增強(qiáng)體是提高復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵之一。研究結(jié)果可為復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)及試驗(yàn)支持。