三維苧麻機織物蜂窩夾層復合材料的制備及力學性能分析

郭建峰 (蘇州市纖維檢驗所，蘇州，215128)

目前復合材料的研究受到學術界的重視，以紡織結構作為增強體的復合材料也越來越得到認可。除了對復合材料各方面性能要求不斷提高外，對其原材料的來源也在不斷開發。近年來麻纖維受到研究者的關注，麻纖維來源廣、價格較低、比模量高，其綜合力學性能優于一般的纖維素纖維［1］。國外對麻纖維復合材料的研究開發已經達到工業化應用階段，而我國目前也已進入試驗室研究階段，不同麻纖維與不同聚合物的組合越來越多。我國麻纖維產量居世界前列［2］，為麻纖維復合材料的研究提供了條件，使生產性能優異、價格低廉的復合材料成為可能。

1 二維和三維復合材料的制備

1.1 材料及設備

本試驗所采用的原料為:苧麻單紗、酚醛樹脂、蜂窩結構材料;主要設備有劍桿織機、平板熱壓機。苧麻纖維是麻纖維中唯一以單纖維狀態存在的，苧麻纖維具有長度長、彈性好的優點，是麻纖維中品質最好的纖維［3］。酚醛樹脂是一種多功能、能與有機和無機填料相容的物質，具有較好的黏結強度［4］。蜂窩材料質量輕，穩定性好，比強度、比剛度高;表面平整，不易變形;吸聲、隔熱性能好，抗沖擊、緩沖性能好［5］。

1.2 預制件織造

本試驗需要織造的預制件包括:二維平紋、斜紋、緞紋以及三維正交、斜紋和緞紋機織物，其中二維平紋為最基礎的組織。三維正交機織物的示意圖如圖1所示，預制件是在厚度方向上引入了Z向紗線的三維正交機織結構，增強紗在厚度方向上貫穿起經紗和緯紗，提高了層間抗沖擊損傷的能力;同時正交的經紗和緯紗在織物中處于平直排列的狀態，沒有屈曲部分和交織點，紗線強度得到了更有效的利用［6］。

圖1 三維正交機織物結構圖

由于二維和三維織物采用同一種紗線，在鋪層相同的前提下，其織物結構的體積基本相同。為了便于對比，需使不同結構的蜂窩夾層材料的纖維體積含量接近。經計算二維織物上下各鋪9層，三維機織物(如圖1所示)包括4層X向經紗，5層Y向緯紗和1個系統Z向紗線，此時三種織物的質量密度相近。本試驗設計的織物基本結構參數見表1。

表1 織物基本結構參數

1.3 復合材料的制備

設計好預制件的結構后進行織造，將織造完成的織物選擇布中位置進行裁剪，試驗用取樣尺寸設定為20 cm×6 cm，并在烘箱中進行干燥去除水分［7］。然后用酚醛樹脂涂覆織物，將預浸樹脂的織物鋪放在蜂窩材料的上下兩面。由于二維織物疊層相鋪只是為了增加厚度，所以在鋪層時織物紋理要保持一致進行疊鋪，各層的經緯向方向一致，且經緯交織點要完全對齊。最后采用平板熱壓機對鋪放好的材料進行熱壓，設置壓強1.2 MPa、溫度140℃、時間60 min，冷卻后制備完成。制得的夾層復合材料的基本結構參數見表2。

表2 夾層復合材料基本結構參數

2 力學性能分析

2.1 抗沖擊性能測試

2.1.1 儀器及參數

本試驗對不同預制件的蜂窩夾層復合材料進行抗沖擊性能測試。測試原理為使用不同質量的沖擊錘頭從距離試樣一定高度的正上方自由下落沖擊試樣，從試樣被破壞的表面形態對各個試樣的抗沖擊性能進行分級評價［7-8］。試驗使用的儀器為落錘式沖擊測試儀、3560C型聲學與振動分析系統、4507B型加速度傳感器以及計算機。試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統

在試驗過程中有兩個可變因素:落錘的沖擊高度和落錘質量，兩者都會影響落錘對試樣的沖擊力度。為了得到直觀的試驗結果，在試驗中固定落錘落下的高度，將落錘質量確定為變量，并選定6個成等差的落錘質量。沖擊試驗參數見表3。

表3 沖擊試驗參數

2.1.2 試驗結果及分析

通過觀察破壞表面可知，本文中的二維和三維夾層復合材料均出現以下三種破壞模式:面板出現程度不同的凹坑，蜂窩狀芯層形成壓潰損傷，復合材料面層機織物中的紗線出現斷裂。同時，二維夾層復合材料的面板還出現了分層現象。由于二維機織物預制件制作的復合材料中機織物的厚度方向沒有纖維的穿插，層與層之間僅靠樹脂黏結，在重錘的沖擊下出現層層相對位移而造成分離。圖3為試樣遭到重錘沖擊破壞后形成的凹坑。當沖擊高度相同時，試樣破壞情況可以量化為進行抗沖擊性能比較的參考值。其中放大的圖片為在三維視頻顯微鏡下拍到的上面板凹坑局部損傷圖，圖3為二維平紋機織物和三維正交機織物復合材料被重錘沖擊后的破壞圖，其中右側為破壞部位放大圖。

圖3 夾層復合材料沖擊破壞試樣表面形態

比較3種二維和3種三維夾層復合材料可以發現:當沖擊高度和落錘質量相同時，3種三維復合材料的表面破壞情況主要表現為樹脂的塊狀裂紋，而芯層蜂窩并沒有明顯的裂縫;而3種二維復合材料的表面破壞情況明顯嚴重，當落錘質量較大時試樣的表層蒙皮直接洞穿，芯層蜂窩也出現碎裂現象，且凹陷的邊緣非常明顯。

2.1.3 表面凹坑量化結果

對經過重錘沖擊后的試樣破壞程度進行量化，以凹坑深度來表示。表4為夾層復合材料沖擊后的凹坑深度。可以看出:隨著沖擊能量的增加，二維夾層復合材料的表面凹坑深度明顯增加，對比最小和最大值，凹坑深度增加了140%，說明二維夾層復合材料對沖擊載荷比較敏感;而三維復合材料的表面凹坑深度隨著沖擊能量的增加，其增幅僅為41%。由數據統計可以看出，當沖擊能量相同時，二維復合材料的凹坑深度明顯大于三維復合材料。這可以從三個方面進行分析:一是預制件材料的結構不同，疊層的二維預制件相比編織的三維預制件，其Z向并無連接。二維復合材料層間僅憑借樹脂黏結，而三維復合材料在厚度方向有Z紗增強，抗分層能力強。二是二維復合材料中織物存在交織屈曲，所以材料的剛度較低，施加載荷時易出現變形破壞。三維復合材料中經緯紗平直排列，對紗線的剛度利用率高，織物硬挺剛度高。三是樹脂對預制件的浸潤程度，三維材料紗線立體成型，間隙相較二維材料更為均勻，有利于樹脂對整體的浸潤。

表4 二維和三維織物增強復合材料沖擊后凹坑深度

對凹坑深度進行統計分析，結果表明:隨著沖擊能量增加，二維夾層復合材料表面凹坑深度大幅增加，對比最低和最高載荷對應的凹坑深度，其值約增加了160%;而三維夾層材料表面凹坑深度隨著沖擊能量的增加，其增幅為100%。這主要也是受材料本身剛度的影響，二維織物本身的紗線屈曲和層間薄弱的黏結使材料整體剛度較小。當沖擊能量相同時，二維復合材料的凹坑體積明顯大于三維復合材料，說明在受到相同能量的沖擊作用時，三維復合材料的承受能力更強，破壞程度較輕。

2.2 抗彎曲性能測試

2.2.1 試驗原理、儀器及參數

試驗原理參照GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》，對復合材料進行彎曲測試［9-10］。試驗儀器包括萬能材料測試機、位移傳感器及游標卡尺等。試驗需滿足寬度小于跨距的1/2，本試驗試樣尺寸為20 cm×6 cm。

本試驗用復合材料是一夾層結構，由面層和夾芯材料組成，相對來說面層強度高、芯層強度低［11］。因此面層主要承擔拉應力或壓應力，芯層主要承擔剪切應力。當夾層結構受到萬能材料測試機產生的彎曲載荷時，面層和芯層的應力分布會發生突變，這是由面層和芯層材料的彈性模量決定的，表現為面層拉或壓應力要遠大于芯層材料的拉或壓應力，如圖4所示。箭頭水平向右表示材料受到向右的拉力，箭頭長度表示受力大小。同理類推，面層與芯層所受力的大小存在突變界面。

2.2.2 試驗結果與分析

由表5數據可知，二維夾層材料的經向彎曲強度大于緯向彎曲強度，而三維夾層材料的緯向彎曲強度大于經向彎曲強度，且二維夾層材料的彎曲強度總體上大于三維夾層材料;二維夾層材料的經向彎曲模量大于緯向彎曲模量，而三維夾層材料的經向彎曲模量小于緯向彎曲模量，3種三維機織物的彎曲性能較為接近。

圖4 夾層材料截面拉、壓應力分布

表5 二維和三維夾層復合材料面板的彎曲性能

三維結構夾層材料的經向彎曲模量與二維結構相比相差不大，而緯向彎曲模量比二維結構要大得多。究其原因:①與二維夾層材料相比，三維夾層材料特殊的經緯紗伸直排列結構，使其具有較大的剛度;②三維機織物預制件中特殊的Z紗結構具有較長的浮線，與經紗平行排列，也增加了織物的剛度，而且其交織次數少，可以在一定程度上降低表層緯紗因受壓力而產生的變形程度。

3 結語

(1)本文對二維和三維機織物作為預制件的復合材料的制備進行了探索，試樣均成型良好。

(2)本文對制備的復合材料進行了力學性能分析，二維機織物作為預制件制作的復合材料試樣的抗沖擊性能低于三維機織物復合材料，三維機織物復合材料的承受能力更強，受到的破壞程度較輕。

(3)二維機織物復合材料的經緯向彎曲模量差異較大，經向彎曲模量普遍大于緯向;而三維機織物復合材料的經緯向彎曲性能較為接近，緯向彎曲模量略大于經向。

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