2.5D角聯鎖織物厚向壓縮特性的實驗研究

萬喜莉，孫 穎，陳 利，李嘉祿

(天津工業大學先進紡織復合材料教育部和天津市省部共建重點實驗室，天津 300387)

三維機織技術是利用多層經紗織造方法，由多層經紗接結多層緯紗形成具有一定厚度的三維整體織物。其中，經紗采用分層接結的方法，將相鄰緯紗層接結可形成角聯鎖機織物，簡稱為2.5D織物。在2.5D角聯鎖機織物基礎上，沿織物經向、緯向和厚度方向引入或同時引入紗線，可形成多種衍生組織結構，包括2.5D結構、2.5D襯經結構、2.5D襯緯結構和2.5D襯經襯緯結構。2.5D角聯鎖織物不僅仿形性好、層間連接強度高，適合于大型構件，而且可最大限度地減小機械加工對其增強復合材料承載能力的損傷。采用樹脂傳遞模塑(tesin transfer molding，RTM)、樹脂膜滲透 (resin film infusion，RFI)和熱壓罐成型等工藝將織物制成復合材料的過程中，干態的織物增強體不可避免地經歷著厚度方向壓縮后浸漬樹脂的復合固化過程。在厚度方向壓縮作用下，織物內部單根纖維及紗線之間發生移動，纖維及紗線間孔隙減小，這不但影響樹脂在織物中的流動性和浸潤性［1］，而且一定程度上決定了復合材料的細觀結構和力學性能。相關研究工作表明，織物經壓縮作用產生的幾何結構變化，會導致其復合材料在拉伸過程中發生應變硬化現象［2］;織物壓縮作用后紗線扭結屈曲［3］，是構成了復合材料承載失效的主要誘因［4－5］，因此，用于復合材料增強體，2.5D 角聯鎖機織物厚向壓縮性能是織物重要性能之一。

機織物厚度方向壓縮性能的研究方法主要有實驗分析和模型預測2種。Bannister等［6］研究了在4.14 MPa和6.9 MPa 2種壓縮載荷作用下三維角聯鎖機織物的紗線結構，結果表明，高度壓縮織物可達到較高的纖維體積含量，但經紗分布均勻性下降的同時緯紗的屈曲程度增加。Chen等［7］建立了多層平紋織物壓縮行為非線性模型，分析了織物厚度－壓縮應力關系，經驗證該模型適用于玻璃纖維和碳纖維的多層平紋織物。Grujicic等［8］基于平紋織物厚度－壓縮應力關系，采用梁單元模擬四分之一單胞內經緯紗，建立了壓縮應力與織物有效滲透率之間的關系，結果發現，織物有效滲透率隨壓縮應力的增加先急劇下降而后下降趨勢趨緩。Potluri等［9］利用最小能量原理和織物風格評價系統(Kawabata evaluation system，KES)，建立了織物三維壓縮模型，模型考慮了纖維及紗線在壓縮應力作用下的結構變化，設計實驗對比分析了只考慮紗線彎曲、只考慮紗線壓縮以及既考慮紗線彎曲又考慮紗線壓縮等3種情況下織物三維壓縮模型的預測結果，結果表明，既考慮紗線彎曲又考慮紗線壓縮的模型準確性較高。Kruckenberg等［10］研究了多層平紋織物的準靜態及動態壓縮行為發現，700 kPa壓縮應力作用下，織物經向截面內經紗波長增大，波幅減小，緯紗寬度增大。Mahadik等［11－12］研究了 2.5D 和2.5D 襯經織物厚度方向壓縮對織物纖維體積含量、細觀結構的影響，并測試了不同纖維體積含量2.5D襯經織物增強復合材料的壓縮性能，結果發現，織物壓縮后纖維體積含量增加，經向壓縮性能呈現先降低后升高的現象，而緯向壓縮性能無明顯變化。

本文以2.5D角聯鎖織物中常用的2.5D襯經結構織物為例，從宏觀和細觀角度研究了碳纖維2.5D襯經織物厚度方向的壓縮性能。采用實驗方法獲得織物厚度－壓縮應力關系，分析宏觀壓縮特性的同時，與用于多層平紋織物壓縮模型的預測結果進行對比。在4種壓縮應力作用下利用RTM復合工藝制備2.5D襯經結構復合材料板，通過光學顯微鏡觀測并分析復合材料板的細觀結構特征，定量分析經紗、襯經紗和緯紗的屈曲變化情況，為復合材料用2.5D角聯鎖機織物的結構設計，特別是織物厚度設計提供參考。

1 實驗測試

圖1示出2.5D襯經結構。

圖1 2.5D襯經結構Fig.1 2.5D with stuffer warp

1.1 試樣制備

2.5D襯經織物中經紗為東麗T300-3K碳纖維，襯經紗和緯紗為東麗T700-12K碳纖維，如圖2所示。織物尺寸為100 mm×135 mm×5.5 mm，纖維體積含量為46.3%，織物面密度為0.48 g/cm2，織物參數見表1。

圖2 2.5D襯經織物Fig.2 2.5D with stuffer warp woven fabric

1.2 壓縮實驗

參考GB 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測定第1部分:恒定法》，在島津萬能材料試驗機(AG-250KNE)上測試織物厚度方向壓縮性能，如圖3所示。根據織物截面形狀尺寸，壓縮速度設置為0.5 mm/min，壓腳面積設置為400 cm2。壓縮應力由載荷與織物受力面積的比值得到。

表1 織物參數表Tab.1 Parameters of fabric

圖3 織物厚度方向壓縮性能測試Fig.3 Compression test in thickness direction of fabric

1.3 織物厚度與壓縮應力的關系

2.5D襯經織物厚度-壓縮應力曲線測試結果如圖4所示。由圖可看出，織物厚度方向壓縮過程分為3個階段:低應力線性階段、非線性階段和高應力線性階段。低應力線性階段主要發生紗線滑移，經緯紗產生嵌套現象，紗線間隙減小，越來越多內部纖維承受載荷;低應力非線性階段主要發生纖維滑移，纖維間孔隙減小，經緯紗變形，織物厚度的減小變得困難;當纖維滑移接近極限，隨壓縮應力的增加，纖維本身發生變形，這就是高應力線性階段，纖維可壓縮性影響織物厚度，而纖維可壓縮性與纖維種類、纖維泊松比及彈性模量等有關。當纖維變形達到極限后，隨壓縮應力增加織物厚度不再減小，織物的最小厚度為3.32 mm。

Chen等［7］忽略織物的面內變形，提出多層平紋織物厚度和壓縮應力之間的關系，如式(1)所示。式中:P為壓縮應力;Cb(T)為織物的可壓縮性;T為織物厚度;T0為織物初始厚度。

其中，多層平紋織物可壓縮性Cb(T)是以織物厚度T為自變量的函數值，可由式(2)計算。

圖4 2.5D角聯鎖機織物厚度－壓縮應力曲線Fig.4 Thickness-pressure curve of 2.5D angle-interlock woven fabric

式中:Vf為初始纖維體積含量;Tmin為織物最小厚度;Cb0為初始織物的可壓縮性;Cf為纖維可壓縮性;k為與纖維種類、纖維細度和織物結構有關的經驗指數。Chen發現取經驗值k=2適用于玻璃纖維和碳纖維多層平紋織物。

由2.5D襯經織物厚度-壓縮應力的測試曲線可知，織物的初始可壓縮性Cb0為常數，如式(3)所示，Cb0為2.40 MPa－1。纖維的可壓縮性Cf與纖維的彈性模量E和泊松比v有關，可由式(4)求出，碳纖維的泊松比為0.2，彈性模量為230 GPa，可得出碳纖維的可壓縮性為 7.83 ×10－6MPa－1。

本文基于Chen的研究工作，取經驗指數k分別為2、3和4，得到模型預測結果，如圖5所示。

圖5 實驗結果與模型預測結果的比較Fig.5 Comparison between experimental results and modelling predictions

由圖發現，當取k=3時預測結果與實驗結果較為接近，因此，當壓縮應力小于3 MPa時，碳纖維2.5D襯經織物可采用k=3的多層平紋織物壓縮模型預測織物厚度與壓縮應力的關系。對于不同纖維、不同結構、不同結構參數2.5D角聯鎖機織物厚度與壓縮應力之間關系還有待進一步驗證。2.5D角聯鎖結構是基于普通平紋織物結構織造而成，選擇多層平紋織物壓縮模型來預測2.5D角聯鎖織物的壓縮特性有一定的合理性。然而模型的適用范圍較小，需在大量實驗的基礎上進一步優化，建立更為合理的模型來預測不同結構、不同參數的2.5D角聯鎖結構的壓縮特性。

2 紗線結構觀測

2.1 紗線截面觀測

為研究壓縮過程中織物結構變化，在0.05、0.61、2.88、5.30 MPa 4種壓縮應力下，將上述2.5D襯經織物復合固化，制得不同厚度的復合材料板，裁切成含有至少2個組織結構的試樣，試樣尺寸為25 mm×25 mm×T mm，磨拋處理后在光學顯微鏡下觀測織物經向截面和緯向截面內紗線的屈曲狀態，經紗所在經向截面、襯經紗所在經向截面和緯紗所在緯向截面如圖6～8所示。圖中x為經向，y為緯向，z為厚度方向。

2.2 紗線結構觀測結果

圖6 經紗所在經向截面圖Fig.6 Cross-sections in warp direction of warp

圖7 襯經紗所在經向截面圖Fig.7 Cross-sections in warp direction of stuffer warp

在厚度方向壓縮應力作用下，2.5D襯經織物紗線結構變化主要表現為紗線屈曲程度和橫截面的變化。借鑒文獻［12］中對角聯鎖織物紗線形態觀測和表征方法在經向截面圖中截取2個組織循環，以圖6(a)中A區的1根經紗為例，沿經紗的中心線取等間距離散點(如圖9所示)。將紗線的屈曲形態轉化為多個線段。計算每兩點之間經紗線段的局部屈曲角，紗線段局部屈曲角定義為紗線段偏離水平基準面的角度，紗線段局部屈曲角計算方法如圖10［5］所示。依照此法分別計算4種壓縮應力作用下復合材料板中經紗、襯經紗及緯紗的各紗線段的局部屈曲角度，以5°為間隔區間，計算出每個范圍的局部屈曲角所占比例，測量結果如圖11所示。利用加權平均得出經紗、襯經紗和緯紗的平均屈曲角如圖12所示。

圖8 緯紗所在緯向截面圖Fig.8 Cross-sections in weft direction of fabric

圖9 經紗中心線的離散化Fig.9 Discretization of yarn centerline

圖10 紗線段局部屈曲角的計算方法Fig.10 Method for calculating local angle of yarn section

2.5D襯經織物中襯經紗和緯紗基本呈伸直狀態，經紗因接結相鄰緯紗層提供厚度方向的連接與增強而具有較高的屈曲水平。經紗與緯紗的交織點處存在較大孔隙，壓縮過程中單根纖維間和紗線間發生滑移，織物孔隙隨壓縮應力的增加明顯減小。結合圖6和圖11(a)可看出，在0.05 MPa的壓縮應力作用下，經紗和緯紗發生滑移，局部屈曲角為0～10°的經線段比例較小，局部屈曲角≥10°的經紗段比例較大，經紗屈曲程度較高;當壓縮應力增至0.61 MPa時，經緯紗交織點處的纖維發生滑移，纖維及紗線間孔隙減小，局部屈曲角為0～10°經紗段比例增加，經紗屈曲程度降低，表層的經紗明顯變為扁平;壓縮應力增至2.88 MPa時，局部屈曲角為0～5°紗線段所占比例最高，局部屈曲角為10°～30°經紗段比例下降，所有經紗變為扁平;隨著壓縮應力繼續增加，交織點處的纖維繼續向遠離交織點處滑移，紗線扁平程度下降，局部屈曲角為0～5°經紗段比例下降，其他局部屈曲角的經紗段比例上升，說明壓縮應力過大導致經紗的屈曲程度增加。

圖11 經紗、襯經紗和緯紗紗線段局部屈曲角分布Fig.11 Frequency distribution of warp(a)，stuffer warp(b)and weft yarn(c)segment crimp

壓縮應力作用下經紗與緯紗交織點處纖維向遠離交織點處滑移，緯紗寬度明顯增加，相鄰緯紗內纖維滑移方向不同，致使與緯紗嵌套的襯經紗呈相鄰紗層對稱屈曲狀態，如圖7所示。2.5D襯經織物中經紗與襯經紗、緯紗的線密度比很小，經紗屈曲程度的變化對緯紗屈曲的影響較小。由圖7、8可看出，襯經紗和緯紗的屈曲程度無明顯變化，圖11(b)、(c)表明襯經紗和緯紗無局部高屈曲紗線段，紗線段局部屈曲角基本趨于15°以下。

圖12表明經紗的平均屈曲角最高，當壓縮應力增至2.88 MPa時，經紗平均屈曲角由初始的18°降至14°。這是由于壓縮應力作用下織物厚度減小阻礙了經紗在緯紗層間的滑移量。繼續增大壓縮應力時，襯經紗的屈曲程度增加，而此時緯紗的平均屈曲角降低，趨于伸直。

綜上，對于碳纖維2.5D襯經織物，當厚度方向壓縮應力為0.61～2.88 MPa時，復合材料中經紗屈曲程度明顯降低，襯經紗和緯紗的屈曲程度無明顯變化，有利于實現纖維性能-織物-復合材料性能的轉化。

3 結語

1)通過對碳纖維2.5D襯經織物厚度方向壓縮性測試，獲得織物厚度與壓縮應力的關系，與基于多層平紋織物壓縮模型預測結果進行對比。研究發現，當壓縮應力小于3 MPa時，經驗指數取為3的多層平紋織物壓縮模型可用于2.5D襯經織物厚度與壓縮應力關系估算。對于不同纖維、不同結構、不同結構參數2.5D角聯鎖織物厚度與壓縮應力之間關系還有待進一步驗證。

2)2.5D襯經結構織物中經紗的屈曲程度最高，厚度方向壓縮應力的增加使得經紗屈曲程度降低，而當壓縮應力超過一定范圍時，經紗屈曲程度反而增加;因為襯經紗和緯紗無局部高屈曲紗線段，紗線基本呈伸直狀態，在壓縮過程中紗線的屈曲程度變化不明顯，當壓縮應力超過一定范圍時，襯經紗的屈曲程度增加，這不利于纖維性能—織物—復合材料性能的轉化，緯紗伸直度增加，有利于提高織物緯向力學性能。

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