蜂窩結(jié)構(gòu)三維紡織品的復(fù)合工藝開發(fā)

龔小舟， 華 婷， 裴鵬英， 李 宇

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

蜂窩結(jié)構(gòu)三維紡織品的復(fù)合工藝開發(fā)

龔小舟， 華 婷， 裴鵬英， 李 宇

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

針對具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的三維紡織品在復(fù)合工藝中存在難以成型、脫模困難的問題，擬采用對傳統(tǒng)手糊工藝和真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝進(jìn)行改進(jìn)的方法，對這種結(jié)構(gòu)的紡織品進(jìn)行復(fù)合工藝的新開發(fā)。在上述2種傳統(tǒng)復(fù)合工藝的基礎(chǔ)上，采用不同材質(zhì)的支撐物將平面織物塑造成立體結(jié)構(gòu)的蜂窩材料或?qū)渲⑷肟诘奈恢谩?shù)量進(jìn)行調(diào)整，制備出5組試樣。結(jié)果表明：采用手糊工藝制成的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的厚度誤差可達(dá)60%以上，得不到理想的試樣；但采用VARTM工藝再結(jié)合石蠟作為結(jié)構(gòu)內(nèi)部支撐材料并采用水浴加熱，可成功地制備出蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

蜂窩結(jié)構(gòu)織物； 手糊工藝； 真空輔助樹脂傳遞模塑工藝； 復(fù)合材料； 三維紡織品

蜂窩復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，比剛度與比強(qiáng)度高，隔熱，隔音等優(yōu)點(diǎn)，可用于航空航天、汽車、建筑等多個領(lǐng)域[1-2]。目前的蜂窩復(fù)合材料大部分是蜂窩夾層復(fù)合材料，例如：Nomex?紙質(zhì)蜂窩。蜂窩夾層復(fù)合材料是以蜂窩芯和軟質(zhì)或硬質(zhì)面層材料復(fù)合經(jīng)熱壓而成[3]。加工時(shí)將織物或平面材料分層疊放,在相應(yīng)的部位黏合,經(jīng)過定型制成蜂窩狀材料。這種方法制得的材料處于高溫高濕環(huán)境中或承受交變外力時(shí),黏接處容易開裂，從而材料的性能將會大幅下降。有研究表明，三維紡織復(fù)合材料作為一種新型的具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料，從根本上解決了層壓和鋪層復(fù)合材料存在的分層問題[4]。同時(shí)，三維紡織復(fù)合材料中的機(jī)織復(fù)合材料具有很好的防彈、抗沖擊性能[3]和低速耐沖擊性能，可用于更多的領(lǐng)域，因此，如果采用機(jī)織方法直接織成三維結(jié)構(gòu)的蜂窩織物，再經(jīng)過樹脂復(fù)合固化后所獲得的蜂窩狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料有望從根本上克服現(xiàn)有蜂窩材料在黏結(jié)處易開裂的現(xiàn)象，大幅提高蜂窩材料在不同服役環(huán)境中的表現(xiàn)[5-8]；但這類三維紡織品在復(fù)合過程中存在成型困難的問題[9]。有報(bào)道指出，三維紡織復(fù)合材料預(yù)制件的復(fù)合固化工藝和傳統(tǒng)復(fù)合材料的復(fù)合固化工藝存在不同，三維紡織復(fù)合材料預(yù)制件是一個三維整體的結(jié)構(gòu),此類預(yù)制件不可能用浸有樹脂的纖維來織造,也不可能在織造完成后用傳統(tǒng)的復(fù)合固化工藝得到復(fù)合材料[10]，因此，對于蜂窩結(jié)構(gòu)這種多孔且復(fù)雜的構(gòu)件，要將其撐開并保證固化后脫模成功，變得更加困難。

本文采用機(jī)織的方法制備整體一次成型的蜂窩結(jié)構(gòu)三維織物后，在下一步的復(fù)合成型工藝中，通過對手糊和真空樹脂膜傳遞工藝進(jìn)行改進(jìn)，尋找出一種針對蜂窩結(jié)構(gòu)織物本身特點(diǎn)的復(fù)合成型工藝，以制備具有立體結(jié)構(gòu)的蜂窩復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

實(shí)驗(yàn)采用的織物為3層蜂窩結(jié)構(gòu)棉織物，尺寸為長15 cm×寬15 cm，撐開后的棉織物結(jié)構(gòu)見圖1。由于棉紗的可織性能較好且同環(huán)氧樹脂的結(jié)合力強(qiáng)，故織物中采用的經(jīng)緯紗均為56 tex的棉紗。同時(shí)，在復(fù)合工藝中，采用的樹脂為環(huán)氧樹脂(E-51)、固化劑為三乙烯四胺、環(huán)氧樹脂活性劑、脫模劑。且分別采用了直徑為12 mm的鋁管、棉紗和石蠟作為支撐材料。

圖1 撐開后的蜂窩棉織物

1.2 主要復(fù)合工藝設(shè)備

手糊復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn)平臺為自己搭建，簡單的示意圖如圖2所示。在真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝中，所采用的抽真空裝置為旋片式真空泵(型號為 XZ-1A，溫嶺市力拓有限公司)，配合真空干燥箱(型號為DZF-6050，上海索譜儀器有限公司)。

圖2 手糊復(fù)合工藝平臺示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案

采用5種復(fù)合成型工藝對蜂窩結(jié)構(gòu)三維紡織品進(jìn)行定型，以探索不同工藝方法對這類結(jié)構(gòu)織物成型的可行性，其總體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案

1.4 手糊工藝方案

1.4.1 方案1(傳統(tǒng)手糊復(fù)合工藝)

采用傳統(tǒng)手糊復(fù)合工藝對蜂窩三維紡織品進(jìn)行復(fù)合處理。用鋁管作為支撐物，先對鋁管噴涂光漆，再涂抹脫模臘進(jìn)行鋁管表面處理，將處理后的鋁管插入蜂窩織物的孔洞中，將帶有鋁管的織物靜置于實(shí)驗(yàn)臺上，從織物上表面澆灌樹脂(環(huán)氧樹脂與固化劑的體積比為9∶1)直至樹脂覆蓋整個織物表面并滲透，多余樹脂從織物下表面流出。將浸潤后的帶有鋁管的織物首先在室溫下固化24 h后，再置于真空干燥箱中干燥4 h。

由于環(huán)氧樹脂的黏度較大，對織物浸漬困難，所以后期所有實(shí)驗(yàn)都在樹脂中添加了活性劑，環(huán)氧樹脂與活性劑的體積比為10∶1。

1.4.2 方案2(采用棉紗作為支撐物)

為滿足蜂窩立體結(jié)構(gòu)的要求，將織物撐開，采用與織物組成原材料相同的棉紗作為支撐物，將紗線穿入蜂窩織物最上層和最下層表面的每個孔洞中，然后將紗線的兩端固定在手糊復(fù)合工藝平臺的支架上，通過調(diào)節(jié)支架的高度將織物打開。然后再使用調(diào)配后的樹脂對織物進(jìn)行澆灌，其后期固化過程與上述方案1相同。

1.5 VARTM工藝方案

1.5.1 方案1(傳統(tǒng)VARTM復(fù)合工藝)

此方案中，支撐蜂窩立體結(jié)構(gòu)的材料選用鋁管，首先在鋁管表面進(jìn)行了噴光漆再涂抹脫模蠟處理，然后，將鋁管插入蜂窩織物的孔洞中，并將帶有鋁管的蜂窩織物整體挪放至VARTM實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行織物外部密封處理。隨后，將調(diào)配后的樹脂(環(huán)氧樹脂、固化劑、活性劑的體積比為90∶10∶9)經(jīng)真空泵壓力抽入密封室內(nèi)，當(dāng)樹脂沿織物表面流過并浸潤織物后，再將試樣放置于室溫下固化24 h，并移至真空干燥箱中最后烘干4 h。

1.5.2 方案2(添加樹脂注入口)

實(shí)驗(yàn)所用的三層蜂窩織物(單孔直徑為12 mm)，其撐開后織物總厚度可達(dá)36 mm。若通過1個樹脂注入口灌注樹脂，很難確保樹脂對織物的充分浸潤，因此，又添加了1個注入口，并根據(jù)文獻(xiàn)[11]指出的“帶有厚度的織物在浸漬期間，樹脂流優(yōu)先滲透表面，并同時(shí)沿滲透預(yù)形件厚度方向流動”，將2個注入口的位置均設(shè)置于織物表面附近。

1.5.3 方案3(采用石蠟作為支撐物)

在上述方案2(添加樹脂注入口)的基礎(chǔ)上，又將石蠟作為支撐物(代替鋁管)插入蜂窩織物的孔洞中，并進(jìn)行VARTM復(fù)合。待織物固化后，用80 ℃的水浴鍋對織物進(jìn)行水浴加熱，將石蠟熔解，制備帶有孔洞的蜂窩復(fù)合材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 手糊工藝

2.1.1 傳統(tǒng)手糊復(fù)合工藝結(jié)果分析

從傳統(tǒng)手糊復(fù)合工藝制備蜂窩復(fù)合材料的過程中發(fā)現(xiàn)，抽離支撐物(鋁管)的時(shí)間對于最終樣品的成型非常關(guān)鍵。若抽離鋁管時(shí)間過早，樹脂仍未完全固化，織物結(jié)構(gòu)還未穩(wěn)定，復(fù)合材料的立體結(jié)構(gòu)不完整，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變形；若抽離鋁管時(shí)間過遲，則樹脂完全固化后，鋁管表面易于織物黏結(jié)固化，難以脫模。通過前期對鋁管抽離時(shí)間的摸索，發(fā)現(xiàn)當(dāng)浸潤有樹脂的織物在室溫下固化24 h再干燥4 h后，其抽離效果較好。

圖4示出蜂窩復(fù)合材料當(dāng)鋁管抽離時(shí)間過早時(shí)的織物結(jié)構(gòu)。在樹脂的重力作用下，織物產(chǎn)生變形。從圖中可看出，原本為圓形的蜂窩孔洞變形為不規(guī)則多邊形。

圖4 不規(guī)則蜂窩復(fù)合材料

2.1.2 采用棉紗作為支撐物的結(jié)果分析

當(dāng)采用棉紗作為支撐物對蜂窩織物進(jìn)行復(fù)合處理后，所制備的樣品如圖5所示。

圖5 采用棉紗作為支撐物復(fù)合而成 的蜂窩織物

采用紗線代替鋁管雖然可以避免鋁管脫模時(shí)所產(chǎn)生的困難，但是存在更大的問題是所制備的蜂窩復(fù)合材料厚度難以保證。經(jīng)過對樣品厚度測量，原本應(yīng)該存在凹凸的織物表面(見圖6(a))竟然幾乎為平面，并且除兩端具有一定的厚度(36 mm)外，其余部分沒有被打開，厚度只有8 mm(見圖6(b))。為了更準(zhǔn)確地說明問題，又進(jìn)一步沿樣品孔洞方向每隔4 cm(分別為4、8、12 cm處)對樣品進(jìn)行了厚度測量，結(jié)果見表1。從表可知，采用棉紗作為支撐物時(shí)，所制備的樣品沿孔洞方向中間處(即測量點(diǎn)8 cm處)的厚度與其兩端處(即測量點(diǎn)4 cm處和12 cm處)的厚度差值約為60%。產(chǎn)生這種明顯厚度差異的原因在于，當(dāng)撐開蜂窩孔洞的物體變?yōu)槿彳浀拿藜啎r(shí)，由于棉紗本身缺乏足夠的剛度，不能提供足夠的支撐模量，雖然其兩端固定并施加足夠的張力，但在樹脂重力的作用下，紗線的中間段仍然容易發(fā)生懸垂，不利于長時(shí)間支撐孔洞結(jié)構(gòu)的打開，無法獲得理想的多孔立體結(jié)構(gòu)。

圖6 采用棉紗作為支撐物所制備的蜂窩復(fù)合材料

Tab.1 Plate thickness data mm

注：測量點(diǎn)1、2、3分別表示沿孔洞方向4、8、12 cm處的測試點(diǎn)。

在采用傳統(tǒng)手糊復(fù)合工藝和采用棉紗作為支撐物這2種手糊復(fù)合工藝對蜂窩結(jié)構(gòu)三維織物進(jìn)行復(fù)合后發(fā)現(xiàn)，在這2種復(fù)合工藝中存在著浸膠不均勻、脫模困難及樣品厚度難以保證的問題。因此，采用手糊工藝并不是制備蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料理想的工藝方法，應(yīng)該采用其他的復(fù)合工藝對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合處理。

2.2 VARTM工藝

2.2.1 傳統(tǒng)VARTM復(fù)合工藝的結(jié)果分析

當(dāng)采用傳統(tǒng)的VARTM復(fù)合工藝結(jié)合鋁管作為支撐物對蜂窩結(jié)構(gòu)三維織物進(jìn)行復(fù)合后發(fā)現(xiàn)，如果前期采用和手糊方案1同樣的烘干條件(室溫下固化24 h，再干燥4 h)，在鋁管的支撐下，織物成型良好且厚度有保障，但是脫模十分困難，甚至無法在樣品固化后將全部鋁管抽出。另外也發(fā)現(xiàn)，如果只采用1個注入口對織物樣品進(jìn)行抽灌樹脂，不能確保織物的內(nèi)部在打開后也可以被樹脂充分浸潤。通過對制備試樣進(jìn)行切片處理(見圖7)，也證實(shí)了在一些蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的內(nèi)部，有一部分織物確實(shí)沒有浸潤到樹脂。在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)也觀察到，由于壓力泵抽真空時(shí)負(fù)壓有限，被抽入的樹脂在沿織物厚度方向流動緩慢且樹脂在流動過程中的浸膠范圍受單一注入口通道的限制，不能保證織物表面及內(nèi)部的每處均有樹脂流過，從而形成了織物浸膠不充分的現(xiàn)象。

圖7 織物截面破壞圖

2.2.2 添加樹脂注入口的結(jié)果分析

圖8 只有部分鋁管被抽離

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)VARTM復(fù)合工藝中，樹脂在織物內(nèi)部浸潤不充分的問題，又在原注入口的旁邊添加了1個新的樹脂注入口，以期增加樹脂同時(shí)注入織物的量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過這種方法使出現(xiàn)在上述方案2中的織物浸膠不充分的問題可以得到有效地解決，并且所制備的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型良好，但是最終將鋁管從復(fù)合材料孔洞中抽離仍十分困難，即脫模問題仍不能得到有效地解決。圖8示出只有部分鋁管被抽離的樣品。可見，只有兩邊的鋁管成功地被抽離，無論采用何種方法，其余的鋁管難以脫模。

2.2.3 采用石蠟作為支撐物的結(jié)果分析

在上述方案2的基礎(chǔ)上，又采用方案3，即將石蠟作為支撐物代替鋁管作為支撐物制備蜂窩復(fù)合材料。孔洞中插有石蠟的蜂窩織物準(zhǔn)備好后，進(jìn)行了VARTM復(fù)合工藝處理。然后，將成型后的帶有石蠟支撐物的蜂窩復(fù)合材料進(jìn)行水浴加熱(水溫設(shè)定為80 ℃)，3～4 min后石蠟融化且從固化后的樹脂表面脫落，樹脂則保持原狀。通過這種方法不僅使織物脫模的問題得到了有效的解決，且制作出的樣品外觀美觀勻整(見圖9)。

由5種復(fù)合方案制備的試樣的成品質(zhì)量分析分別見表2。

表2 成品質(zhì)量分析表

3 結(jié) 語

本文探討了蜂窩結(jié)構(gòu)三維紡織品的復(fù)合成型方法，實(shí)驗(yàn)基于傳統(tǒng)手糊和VARTM針對這種織物的立體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。

1)通過手糊工藝制備的蜂窩復(fù)合材料，其樹脂浸潤不均勻，成品厚度難以一致。

2)當(dāng)織物具有一定厚度時(shí)，通過添加樹脂注入口，可有效提高織物被浸潤面積，保證織物中的樹脂浸潤充分。

3)作為織物支撐物的材料種類對于最終成品的脫模難易程度至關(guān)重要。當(dāng)采用VARTM復(fù)合工藝再配以石蠟作為孔洞支撐物，借助水浴加熱可輕易脫模，得到理想的具有立體結(jié)構(gòu)的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

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Composite technologies on 3-D honeycomb structural textile

GONG Xiaozhou, HUA Ting, PEI Pengying, LI Yu

(SchoolofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430200,China)

During the composite molding processes for the 3-D honeycomb structural textiles, problems such as the difficulties in forming the composite and demolding exist after the composite is cured. It is essential to find a method to improve the traditional hand lay-up process and vacuum assisted resin transfer mold (VARTM) process to mold the 2-D honeycomb weave fabric into a 3-D structural composite. By adapting the methods such as inserting various preforms in the cells of the fabric to consolidate it into a 3-D honecycomb structural composite，or by adjusting the positions and number of the resin injections for the fabric to be immersed completely, five samples are produced for comparison test. The test results show that by employing the hand lay-up technology, 60% of error exists among the thickness of the samples. Under the condition of water bath, however, if the VARTM technology combined with wax is adopted to prepare the composite, a well presented 3-D honeycomb structural composite can be obtained.

honeycomb structural fabric; hand lay-up technology; vacuum assisted resin transfer mold technology; composite material; 3-D fabric

10.13475/j.fzxb.20150601206

2015-06-05

2016-04-25

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51502209)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB553)

龔小舟(1980—)，女，副教授，博士。研究方向?yàn)槿S紡織品織造工藝及產(chǎn)品性能。E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TS 131.9

A