三維全五向編織復合材料的制備及其拉伸性能

薛再年，曹海建，錢 坤，徐文新，李 雅

（1.江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江蘇曠達汽車織物集團股份有限公司，江蘇 常州 213179）

三維全五向編織復合材料的制備及其拉伸性能

薛再年1，曹海建1，錢 坤1，徐文新2，李 雅2

（1.江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江蘇曠達汽車織物集團股份有限公司，江蘇 常州 213179）

以高強無堿玻璃纖維為原料，采用四步法1×1編織工藝在全自動模塊組合式編織平臺上制備三維五向及全五向編織物，以E51環氧樹脂、70＃固化劑（四氫鄰苯二甲酸酐）為樹脂基體，與編織物復合制備三維五向及全五向編織復合材料.通過測試上述編織復合材料的拉伸性能，研究軸紗、編織角、纖維體積分數等結構參數對材料拉伸性能的影響.結果表明，編織復合材料的拉伸性能隨著軸紗、纖維體積分數的增大而上升，隨著編織角的增大而下降；三維全五向編織復合材料的拉伸性能明顯優于三維五向編織復合材料.

三維五向；三維全五向；編織復合材料；拉伸性能；編織角；軸紗；纖維體積分數

三維編織復合材料作為一種新型紡織結構材料，克服了傳統層壓復合材料的層間性能弱、抗沖擊性能差的缺點，在航空航天及民用領域具有廣泛的應用［1-2］.目前，三維編織復合材料大致可分為三維四向、三維五向及三維全五向編織復合材料.其中，三維五向編織復合材料是在傳統三維四向編織結構基礎上發展起來的，它通過在三維四向結構的部分編織空隙沿軸向添加軸紗來實現，這種結構使材料的纖維體積分數和軸向力學性能獲得一定程度的提高，為編織結構材料作為主承力構件提供了可能［3-5］.近年來，國內外許多學者發現，三維五向編織復合材料中仍剩余較多編織空隙無軸紗占據，復合時承力較弱的樹脂易在空隙處富集，限制了三維五向編織材料的纖維體積分數和力學性能的大幅度提高.因此，劉振國［6］提出在所有編織空隙中加入軸紗以最大程度提高編織復合材料的纖維體積分數和力學性能，并將此結構材料稱為三維全五向編織復合材料.

目前關于三維全五向編織復合材料的制備及力學性能研究的報道極少，為此，本文基于四步法1×1編織工藝，分別制備了三維五向、三維全五向編織結構復合材料，并對比分析兩類結構材料的拉伸性能，研究軸紗、編織角、纖維體積分數等結構參數對材料拉伸性能的影響.

1 編織物的制備

圖1 三維編織物的攜紗器排列及運動規律Fig.1 Arrange and movement traces of carriers on threedimensional braided fabrics

三維五向、三維全五向結構材料以四步法1×1四向編織工藝為基礎，在編織紗圍成的空隙中沿編織成型方向添加不參與編織的軸紗（第五向紗）編織而成，其攜紗器排列和運動規律如圖1所示.其中“○”代表掛編織紗的攜紗器，其運動方式與三維四向編織結構中編織紗運動規律一樣，由行、列交替運動組成，四步一個循環，軌跡為“Z”型，經過S個循環后回到起始位置，S＝（mn＋m＋n）／（m與n的最小公倍數），m和n分別為編織紗行數和列數，如編織紗 H［7］；“”代表只沿x方向，即隨行往復運動的軸紗攜紗器，如攜紗器M，第一步由M運動到N，第二步保持不動，第三步由N運動到M，第四步保持不動；“”代表軸紗攜紗器位置固定，不沿任何方向運動，如攜紗器Q.每完成四步一個編織循環后，所有攜紗器在編織機底盤上的排列方式回復到初始狀態，并通過沿z向的打緊工序，使紗線間緊密接觸，編織結構趨于穩定，此時所獲得織物的長度定義為一個花節h.重復上述運動，可獲得相應尺寸的預制件.

2 編織復合材料的制備

2.1 原料與設備

纖維原料：1 200 tex高強無堿玻璃纖維，中材科技股份有限公司提供.

樹脂基體：E51環氧樹脂（黏度為19 Pa·s，密度為2.54 g／cm3），固化劑70＃酸酐（四氫鄰苯二甲酸酐），無錫樹脂廠提供.

儀器設備：全自動模塊組合式編織平臺，北京柏瑞鼎科技有限公司；RTM注射系統，法國Isojet公司.

2.2 復合成型

三維編織復合材料預制件（編織物）的制備工藝參照文獻［8］，三維編織復合材料制備工藝如圖2所示.第1步，預制件（編織物）預處理.將預制件置于烘箱中加熱烘干，去除水分，待烘干后，取出稱其凈質量，備用.第2步，模具表面處理.利用浸有乙酸乙酯的清潔布擦除模具表面殘留的脫模劑和油污，并晾干.第3步，預制件放入模具.將預制件放入模具，合上模具，放入烘箱中預熱30 min，烘箱溫度為60℃，然后設置注塑速率，注塑頭、管道和樹脂儲存罐的溫度，注塑壓力等工藝參數，并輔以抽真空工序.第4步，預制件復合成型.將配制好的樹脂基體注入模具，注塑過程中模具不可隨意移動，待注塑完畢后，切斷樹脂流動管道，密封模具注塑口和樹脂回流口，關上烘箱，保溫固化處理24 h，待模具冷卻后，打開模具、取出制備好的三維編織復合材料備用.

圖2 三維編織復合材料制備工藝流程Fig.2 Technological process of three-dimensional braided composites

3 拉伸性能

3.1 測試設備

拉伸測試設備為美國3385 H型INSTRON萬能材料試驗機，最大施加載荷為250 k N，位移分辨率為0.001 mm.所有試驗均采用位移加載的方式進行，縱向拉伸速度為5 mm／min.采用電子引伸計測量試樣在拉伸過程中的微小變形，最大量程為10 mm，同時系統會根據試樣的位移、載荷、變形等數據自動繪出相應的應力-應變曲線.

3.2 測試標準

參照文獻［9］對三維編織復合材料進行拉伸性能測試.在制作拉伸試樣時，為防止試樣的頭端在拉伸測試過程中因夾具的夾持受損、變形，產生應力集中、受力不均等現象，在試樣的兩端用環氧型強力黏合劑分別粘貼尺寸為50 mm×20 mm×1 mm、一端加工成45°倒角的加強型鋁片，每組試樣測試數目為5個，試樣工藝參數如表1所示.表1中編織角α為編織紗在編織物表面的投影與編織物成型方向的夾角；纖維體積分數為編織復合材料所含纖維的體積占其總體積的百分比.

表1 拉伸試樣的工藝參數Table 1 Process parameters of tensile samples

4 結果與分析

4.1 拉伸形貌

三維全五向編織復合材料拉伸形貌如圖3所示.在拉伸初始階段，當編織角較小時，三維編織復合材料易產生樹脂基體開裂，且裂紋規律性地分布在試樣中心線的兩側，如圖3（a）所示；當編織角較大時，三維編織復合材料的樹脂基體裂紋則在整個試樣上均有分布，且在中間部位最為稠密，如圖3（b）所示.在拉伸測試過程中，隨著拉伸載荷的增加，可以陸續聽到基體開裂和纖維斷裂的爆鳴聲；在試樣達到最大拉伸載荷時，試樣急劇斷裂，傳出劇烈的爆鳴聲，并伴有較大的震動，且在試樣斷口附近出現大塊基體脫落現象.對比三維全五向編織復合材料斷口形貌可以發現，當編織角較小時，材料斷面較平整，纖維整束被拉斷，纖維拔出較少，表現出明顯的脆性斷裂特性，如圖3（c）所示；當編織角較大時，材料斷面參差不齊，斷口呈現一定的角度，纖維束斷裂的平整度明顯下降，有纖維抽拔現象，如圖3（d）所示.

圖3 三維全五向編織復合材料的拉伸破壞形貌Fig.3 Tensile breakage pictures of three-dimensional full five-direction braided composites

4.2 拉伸性能

圖4 三維編織復合材料拉伸應力-應變曲線Fig.4 Tensile stress and strain curves of threedimensional braided composites

三維五向、三維全五向編織復合材料的拉伸應力-應變曲線如圖4所示.由圖4可知，三維五向、三維全五向編織復合材料的拉伸應力-應變曲線規律相似.在拉伸測試起始階段，應力隨應變在短時間內呈現非線性變化趨勢；隨著載荷的增加，應力隨應變呈現線性變化趨勢，表現為明顯的彈性變形特征；當載荷達到最大值時，試樣失效斷裂，應力急劇下降.當編織角相同時，三維全五向編織復合材料的拉伸性能明顯好于三維五向結構.①當編織角為20°時，三維全五向1＃試樣的拉伸強度為835 MPa，三維五向3＃試樣的拉伸強度為372 MPa；當編織角為30°時，三維全五向2＃試樣的拉伸強度為465 MPa，三維五向4＃試樣的拉伸強度為285 MPa.這是因為三維全五向編織結構較三維五向結構有更多的軸紗，極大地提高了材料的軸向拉伸性能.當纖維體積分數相近時，三維全五向編織復合材料的拉伸性能好于三維五向結構.三維全五向2＃試樣的纖維體積分數為52.4%，拉伸強度為465 MPa；三維五向3＃試樣的纖維體積分數為52.8%，拉伸強度為372 MPa.這是因為三維全五向編織復合材料中所有空隙均有軸紗占據，導致編織物與樹脂基體復合時，樹脂富集區大大減少，從而極大提升了材料的抗拉強度.隨著編織角的增加，三維編織復合材料的拉伸性能明顯下降.對于三維全五向編織復合材料，1＃試樣的編織角為20°，拉伸強度為835 MPa；2＃試樣的編織角為30°，拉伸強度為465 MPa，下降44.3%；對于三維五向編織復合材料，3＃試樣的編織角為20°，拉伸強度為372 MPa；4＃試樣的編織角為30°，拉伸強度為285 MPa，下降23.4%.這是因為，當編織角增大時，編織紗更多地趨向于橫向，導致其對軸向承載的貢獻度下降，材料整體拉伸性能下降［10-11］.

5 結 語

本文自制三維五向及全五向編織復合材料，通過測試其拉伸性能，研究軸紗、編織角、纖維體積分數等結構參數對材料拉伸性能的影響，得到以下結論.

（1）當編織角較小時，三維全五向編織復合材料的斷面較平整，纖維拔出較少，表現出明顯的脆性斷裂特性；當編織角較大時，該結構材料斷面參差不齊，斷口呈現一定的角度，纖維束斷裂的平整度明顯下降，有纖維抽拔現象.

（2）三維編織復合材料的拉伸特性：在拉伸起始階段，應力隨應變在短時間內呈非線性變化趨勢；隨著載荷增加，應力隨應變呈線性變化趨勢，表現為明顯的彈性變形特征；當載荷達到最大值時，試樣失效斷裂，應力急劇下降.

（3）編織角、纖維體積分數相近時，三維全五向編織復合材料的拉伸性能明顯好于三維五向結構；隨著編織角的增加，三維五向、三維全五向編織復合材料的拉伸性能均明顯下降.

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Tensile Properties and Preparation of Three-Dimensional Full Five-Direction Braided Composites

XUEZai-nian1，CAOHai-jian1，QIANKun1，XUWen-xin2，LIYa2

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China；2.Jiangsu Kuangda Automobile Textile Group Co.Ltd.，Changzhou Jiangsu 213179，China）

High strength alkali-free glass fibers were used as raw materials，three-dimensional fivedirection and full five-direction braided fabrics were both prepared on full-automatic modular braided machine by using braided craft of four-step rule 1×1.Three-dimensional five-direction and full fivedirection braided composites were prepared by combined braided fabrics with resin matrix，which including epoxy resin E51 and firming agent 70＃ （tetralin phthalic anhydride）.Tensile properties of above braided composites were tested，and influence of structure parameters on tensile properties was studied，including axis yarns，braided angles and fiber volume fraction.The results showed that tensile properties increased with the increase of axis yarns and fiber volume fraction，and decreased with the increase of braided angles.Tensile property of three-dimensional full five-direction composites was better than that of three-dimensional five-direction ones.

three-dimensional five-direction；three-dimensional full five-direction；braided composites；tensile property；braided angle；axis yarn；fiber volume fraction

TB 332

A

2012-07-17

江蘇省科技支撐計劃資助項目（BE2011014）

薛再年（1961—），男，江蘇無錫人，講師，研究方向為紡織服裝材料的研發.E-mail：XZN-118＠163.com

曹海建（聯系人），男，副研究員，E-mail：caohaijian20010＠163.com

1671-0444（2012）06-0646-04