機織針織復合結構增強復合材料的彎曲性能

袁新林，徐艷華

（常熟理工學院 藝術與服裝工程學院，江蘇 常熟 215500）

機織針織復合結構增強復合材料的彎曲性能

袁新林，徐艷華

（常熟理工學院 藝術與服裝工程學院，江蘇 常熟 215500）

選用玻璃纖維作為經緯紗，高強滌綸作為針織紗，編織機織針織復合（CWK）織物，并以其為增強體采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制作增強復合材料.對該增強復合材料的橫向、縱向和斜向彎曲性能進行了測試，分析各個方向的彎曲載荷-撓度特征曲線及其彎曲斷裂形態.研究結果顯示：該增強復合材料具有較好的軸向彎曲性能，其橫向和縱向彎曲性能均優于斜向，且彎曲斷裂都表現出一定的塑性，橫向的彎曲能量低于其他方向.

機織針織復合織物；增強復合材料；彎曲性能；破壞形態

由于本身的成型性和靈活性好，緯編軸向結構工藝取得了較快的發展，尤其是橫機編織工藝，可以用于生產一些對經編或圓型緯編工藝而言難度較大的產品.據此，國外開展了緯編軸向織物在產業用紡織品方面的應用研究，且主要集中于織物的編織技術和性能兩方面.研究表明針織技術更為適合制作復雜形狀的預制件，用緯編軸向織物制作成復合材料，將更為有效地利用緯編軸向織物，并進一步擴大其在產業中的應用［1-2］.國內自首次研制成功多層雙軸向緯編（MBWK）結構以來［3］，對緯編軸向結構的性能研究主要集中于織物及其復合材料性能方面，得出 MBWK 織物具有良好的成型性能［4-6］，其復合材料具有很好的拉伸性能［7］和彈道沖擊響應［8］，適合制作復雜形狀復合材料.文獻［9-12］研究了機織針織復合（CWK）緯編軸向結構，得出CWK織物在拉伸前階段表現為機織物的性能，后階段表現為針織物的性能［13］，其復合材料具有很好的拉伸性能，其斷裂為脆性斷裂［14］，在高應變率拉伸和壓縮試驗中均表現為對應變率敏感，屬輕質吸能復合材料.文獻［15］建立了CWK織物的幾何模型，研究結果為CWK結構的應用提供參考.目前，對CWK織物復合材料的彎曲性能的研究還未見報道.為此，本文通過試驗的方法，對文獻［14］所制CWK織物增強復合材料的不同方向的彎曲性能進行測試、分析和比較，旨在進一步為這種CWK織物增強復合材料的應用提供參考.

1 試 驗

1.1 復合材料參數

以線密度分別為2 400 tex和900 tex的無捻玻璃纖維粗紗作為經紗和緯紗、線密度為83.3×2 tex的高強滌綸紗為針織紗，在經改造后的針織橫機［9］上編織預制件，預制件的結構如圖1所示.緯紗襯入密度為93.79根／10cm、經紗襯入密度為25.61根／10cm.預制件結構和復合材料制作方法同文獻［14］，復合材料厚度為1.84 mm，纖維體積分數為42.5%.

圖1 機織針織復合結構預制件Fig.1 Co-woven-knitted composites perform structure

1.2 試驗標準與條件

彎曲試驗參照GB 1446—2005和GB 1449—2005進行.根據標準和復合材料厚度計算出試樣規格如圖2所示.按尺寸要求將復合材料切割成橫向、縱向和45°斜向3種試樣各5塊，并對試樣邊緣修磨以確保其尺寸，在試樣上標出30 mm跨距標線.試驗儀器為電子萬能試驗機，加載上壓頭位于支座中間，且使上壓頭與支座面軸線平行，試驗速度為2 mm／min.

圖2 三點彎曲試樣規格Fig.2 Three point bending sample specification

2 試驗結果與分析

2.1 彎曲曲線特征分析

根據萬能試驗機記錄的彎曲試樣的載荷與撓度數據，可計算并繪制出相應的彎曲載荷-撓度曲線及彎曲能量-撓度曲線分別如圖3和4所示，其中0°、90°和45°分別表示在橫向試樣、縱向試樣和45°斜向試樣的彎曲曲線.

從圖3和4可以看出，CWK織物增強復合材料橫向、縱向和斜向試樣彎曲曲線特征表現出較大的相似性，說明彎曲破壞機理和形式相似，試樣所發生的形變先是隨負載的增加而增大，在達到最大彎曲負荷之后，形變增大而負載逐漸變小，直至試樣完全破壞.

從圖3還可以看出，彎曲初期3種試樣的彎曲曲線均表現出較好的線性，而在達到一定彎曲撓度值（橫向試樣彎曲撓度1.6 mm左右，縱向和45°斜向試樣彎曲撓度1 mm左右）后，曲線上凸，顯示非線性變化.這是因為在彎曲初期，復合材料以一個整體來承受外力，纖維和樹脂同時發生彈性變形，試樣上表面受擠壓作用，而下表面受拉伸作用，彎曲曲線呈現較好的線性.在彈性變形達到一定值時，試樣上表面區域壓應力增大，擠壓方向的纖維相互擠壓導致纖維／基體界面發生剪切破壞，下表面區域拉應力也增大，拉伸方向的纖維束發生滑移導致纖維／基體界面也發生剪切破壞，纖維和樹脂不再同時發生彈性變形，材料彈性模量逐漸減小，彎曲曲線表現出上凸形狀.

復合材料所承受彎曲載荷達到最大載荷時，材料發生彎曲破壞，并伴有樹脂開裂的噼啪聲，彎曲曲線表現出小的波動，材料逐漸卸載而發生塑性破壞，彎曲曲線則呈波浪式緩慢下降，呈現一定的韌性破壞斷裂特征.這是因為材料中的經紗、緯紗和針織紗均為彎曲狀態，彎曲過程中受力和伸直程度均不同，纖維發生分時斷裂，因而材料逐漸卸載，彎曲曲線呈緩慢下降.這也說明材料損傷破壞在逐漸積累.圖4表明，材料3個方向的彎曲能量以橫向試樣為最低.3種試樣的最大載荷、破壞撓度以及計算所得到的彎曲強度、彎曲彈性模量和彎曲能量平均值如表1所示.

表1 試樣彎曲性能測試值Table 1 The values for bending properties of samples

由表1可見，橫向試樣彎曲強度最大、縱向試樣次之、45°斜向試樣的彎曲強度最小.這主要是由于彎曲過程中，承擔載荷的纖維主要沿試樣長度方向分布，而3種試樣中沿試樣長度方向分布的紗線線密度總量不同，如表2所示.與縱向試樣相比，橫向試樣中沿其長度方向分布的紗線總線密度高出約24.1%，最大載荷高出28.2%，而最大載荷與試樣方向紗線總線密度之比（即紗線強度利用）僅高出5.4%，說明試樣方向分布的紗線總線密度與彎曲載荷密切相關，但不影響紗線的強度利用.而45°斜向試樣中經紗、緯紗和針織紗均為斜向分布，承擔彎曲載荷的貢獻最小，最大載荷、彎曲彈性模量和彎曲強度均最低，在圖3的載荷-撓度曲線上表現出一定程度的韌性.

表2 試樣內紗線總線密度與紗線強度利用Table 2 Total values of linear density and strength utilization of yarns for different samples

2.2 彎曲破壞形態分析

圖5為復合材料縱向、橫向和45°斜向試樣典型的彎曲破損照片.從圖5可以看出，試樣的破壞主要表現為試樣上表面出現白斑和拱起，部分纖維因擠壓而發生斷裂；試樣下表面出現白斑和裂紋，側面有裂口，部分纖維因拉伸而斷裂.白斑和裂紋處在與試樣邊緣垂直方向上；而45°斜向試樣下表面有不規則裂紋，邊緣有明顯的分層裂紋.原因可能是在彎曲過程中，試樣的上表面和下表面分別承受壓縮應力和拉伸應力，在試樣受力達到一定值時，受壓的上表面最先發生破壞，表現為樹脂基體塑性形變而發生拱起，同時纖維隨拱起變形而發生彎曲甚至斷裂，并有部分纖維束被擠壓出來，發生纖維／基體界面的脫黏，在上表面形成白斑，白斑大小反映界面脫黏程度的高低.隨著載荷的進一步增大，試樣受拉的下表面受拉伸應力作用，基體發生開裂，在下表面形成裂紋，并有纖維發生斷裂，部分纖維被拉出，發生纖維／基體界面脫黏，在下表面形成白斑，脫黏越嚴重則白斑越大.而在45°斜向試樣中，纖維束是斜向分布的，經紗和緯紗處于相互垂直的狀態，在試樣承載彎曲時，紗層中拉伸和壓縮應力也處于相互垂直的狀態，導致試樣在破壞過程中出現劈裂分層現象.

圖5 CWK織物增強復合材料彎曲破壞形態Fig.5 Rupture forms of the CWK fabric reinforced composites

3 結 語

本文研究了機織針織復合結構增強復合材料的彎曲性能，通過試驗和分析，得到如下的結論.

（1）CWK織物增強復合材料在彎曲初期表現出較好的線性特征，后期表現為塑性破壞特征；軸向分布的紗線線密度總數與試樣軸向彎曲力學性能密切相關，但其不影響紗線的強度利用.

（2）CWK織物增強復合材料的彎曲破壞形式主要為聚乙烯樹脂遭受擠壓或出現裂紋時，在試樣上表面產生白斑和拱起，下表面產生白斑和裂紋，部分纖維因壓縮應力或拉伸應力而斷裂；白斑和裂紋貫穿整個試樣寬度方向，并與試樣邊緣垂直；而45°斜向試樣下表面有不規則裂紋，邊緣有明顯的分層裂紋.

［1］LEONG K H，RAMAKRISHNA S，HUANG Z M，et al.The potential of knitting fabrics for engineering composites：A review ［J］. Composite Part A： Applied Science and Manufacturing，2000，31（3）：197-220.

［2］CEBULLA H，DIESTEL O，OFFENNANN P.Fully fashioned biaxial weft knitted fabrics ［J］.AUTEX Research Journal，2002，2（3）：8-13.

［3］邱冠雄，劉梁森.雙軸向多層襯紗織物：中國，CN00267570.6［P］.2001-12-19.

［4］姜亞明，劉良森，邱冠雄.多層雙軸向緯編織物及其性能研究［J］.紡織學報，2003，24（3）：35-37.

［5］張艷明，姜亞明，邱冠雄，等.緯編雙軸向多層襯紗織物的雙半球成型性［J］.紡織學報，2005，26（6）：54-56.

［6］姜亞明，楊楠楠，劉梁森.緯編雙軸向抽紗織物的圓柱面成型［J］.紡織學報，2009，30（11）：61-64.

［7］梁子青，邱冠雄，周慶，等.緯編雙軸向織物復合材料的彈道沖擊響應［J］.紡織學報，2003，24（3）：37-39.

［8］王文燕，姜亞明.緯編雙軸向針織物增強復合材料的拉伸性能研究［J］.針織工業，2008（12）：17-18.

［9］徐艷華，袁新林，胡紅.一種機織針織復合結構及其專用橫機紗線喂入裝置：中國，ZL200920039593.7［P］.2010-02-03.

［10］徐艷華，袁新林，胡紅.多層均勻襯緯機織針織復合結構及其編織方法：中國，ZL200910033330.X ［P］.2011-05-11.

［11］袁新林，徐艷華，胡紅.多層襯經襯緯機織針織復合結構及其編織方法和紗線喂入裝置：中國，ZL200910264145.1［P］.2011-07-27.

［12］胡紅，徐艷華，袁新林，等.多層襯緯機織針織復合結構及其編織方法和紗線喂入裝置：中國，ZL200810039656.9［P］.2011-11-09.

［13］袁新林，徐艷華，胡紅.機織針織復合織物的拉伸性能［J］.紡織學報，2011，32（11）：33-36.

［14］徐艷華，袁新林，胡紅.機織針織復合結構增強復合材料的拉伸性能［J］.東華大學學報：自然科學版，2011，37（1）：45-48.

［15］XU Y H，HU H，YUAN X L.Geometrical analysis of cowoven-knitted perform for composite reinforcement［J］.The Journal of the Textile Institute，2011，102（5）：405-418.

［16］MA P B，HU H，ZHANG Y，et al.Frequency features of cowoven-knitted fabric （CWKF）composite under tension at various strain rates［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（5）：446-452.

［17］MA P B，HU H，ZHU L T，et al.Tensile behaviors of cowoven-knitted fabric reinforced composites under various strain rates［J］.Journal of Composite Materials，2011，45（24）：2495-2506.

［18］MA P B，SUN B Z，GU B H.Impact tension damage mechanism analyses of co-woven-knitted composite from Hilbert-Huang Transform［J］.International Journal of Damage Mechanics，2011，21（4）：493-523.

Bending Properties of Co-woven-knitted Structure Reinforced Composites

YUANXin-lin，XUYan-hua

（School of Arts ＆Garments Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China）

The co-woven-knitted （CWK）fabric was produced using glass filaments as warp and weft inserted yarns and high tenacity polyester as stitch yarn.Then the CWK fabric was used as reinforcing to produce the CWK reinforced composites by vacuum assisted resin transfer molding process.The width

wise，longitudinal，and diagonal bending of the CWK reinforced composites was tested.The bending properties of the composites were investigated by analyzing the load-deflection curves and breaking modes.The strength comparison was made between the warp and weft of the composites.The results revealed that the bending strength in the axial direction was relatively higher，and the bending strength in weft and warp directions was better than that in diagonal direction.Plastic fracture breaking was observed and bending energy absorbing in the weft direction was less than those in other directions.

co-woven-knitted fabric；reinforced composites；bending properties；damage mode

TS 181.8；TB 332

A

2012-02-05

袁新林（1971—），男，江蘇姜堰人，副教授，碩士，研究方向為針織新結構及其復合材料性能.E-mail：xingling-1971＠163.com

1671-0444（2013）02-0181-04