三維正交機織物織造及復合材料成型工藝研究

馬亞運 高曉平

內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080

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三維正交機織物織造及復合材料成型工藝研究

馬亞運 高曉平

內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080

詳細闡述三維正交機織物的結構特征、織造原理及織造工藝，以三維正交機織物為增強體、環氧樹脂為基體，采用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝成型，制成復合材料，并分析其內部結構。結果表明：由普通織機改造的多綜眼多劍桿織機可以織造三維正交機織物，成型后復合材料內的紗線形狀和位置未發生明顯變化，樹脂較好地滲透到織物內部，復合材料具有較高的纖維體積分數。研究結果為進一步研究三維正交機織復合材料的力學性能及應用奠定了基礎。

三維正交機織物，復合材料，VARTM，纖維體積分數

傳統二維織物復合材料的應用現已十分普遍，但由于其厚度方向的強度低，層壓板易于產生分層失效，制約了進一步的應用。三維正交機織復合材料是一種性能優良的新型結構材料，由于在增強體織物的厚度方向引入了Z紗，增強了材料的整體穩定性、彎曲疲勞、層間剪切強度及抗沖擊等性能，顯著減少了材料的分層失效的發生。同時，材料本身具有比模量和比強度大及耐高溫、耐腐蝕、可設計性強等特點，逐漸受到重視，并在眾多的高科技領域有著廣闊的發展前景[1-2]。

織造三維正交機織物的主要設備有傳統織機、改進織機和三維立體織機。傳統織機和改進織機的投入成本低、設備簡單，應用較廣泛。同時，隨著復合材料需求量的不斷增加，從復合材料的用途、成本及性能等方面考慮，開發了多種成型工藝，并日臻完善[3]。常見的成型工藝包括手糊成型、纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、VARTM成型等。

本文采用由普通織機改造的多綜眼多劍桿織機試織玻璃纖維三維正交機織物，應用真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡寫VARTM)工藝來實現復合材料成型，測定成型后復合材料的纖維體積分數。

1 三維正交機織物織造工藝

1.1 三維正交機織物結構

作為一種特殊結構的三維織物，三維正交機織物的經紗、緯紗和Z紗三組紗線兩兩相互垂直。與普通二維機織物相比，三維正交機織物的經紗和緯紗沒有交織現象，具有較高的面內強度和剛度。同時，Z紗貫穿于織物的厚度方向，賦予織物穩定性和整體性，增強了織物抵抗分層失效的能力。三維正交機織物結構如圖1所示。

圖1 三維正交機織物結構示意

1.2 三維正交機織物織造原理

多綜眼多劍桿織機由多劍桿和多眼綜絲配合來完成織造過程。在三維正交機織物的織造過程中，從筒子架上引出多層平行排列的經紗和Z紗，分別穿過綜框和鋼筘，最終平行排列固定在織軸上，通過行程氣缸和回綜彈簧控制綜框升降，使Z紗做上下交叉運動。緯紗由筒子上退繞下來后穿過多劍桿的引緯夾具。經紗和緯紗層數分別由經紗鋪設層數和引緯劍桿數量進行調節。引緯劍在梭口形成后引入多根緯紗，并在梭口最前方停留，等待邊經紗引入。邊經紗由下向上插入梭口外側緯紗形成的紗圈內，引緯劍將緯紗送出梭口，鋼筘將緯紗推向織口并打緯，綜框交替運動，卷取機構卷取織物，至此一個引緯循環結束[4-5]?？椩煸砣鐖D2所示。

圖2 織造原理示意

由普通織機改造的多綜眼多劍桿織機僅需要2片綜框帶動經紗運動，顯著降低了所需的綜框數量。同時，通過控制經紗和緯紗在綜絲眼和引緯劍中的數量，可以織造出多種不同組織結構和不同截面形狀的三維機織物。

1.3 三維正交機織物制備

本試驗試織的三維正交機織物由4層經紗、5層緯紗及Z向捆綁紗構成。三維正交機織物及纖維束規格如表1所示。

表1 三維正交機織物及纖維束規格

三維正交機織物織造僅需2片綜框，通過其上下運動來帶動Z紗運動，由于綜框數量較少，紋板圖參照二維平紋織物的紋板圖設計。在織造過程中，經、緯紗處于平直狀態，不會出現二維織物織造過程中產生的經緯線屈曲現象，也不會出現縫編三維織物織造過程中發生的紗線間穿刺情況。但紗線與織機器件之間仍會產生摩擦，因此三維正交機織物中紗線受到磨損，力學性能(如彈性模量、斷裂強力等)降低。因而，調整紗線張力，保證梭口清晰、紗線伸直，減少或盡量避免摩擦，是改善織物力學性能的關鍵。織造出來的三維正交機織物的整體和布邊，以及正面和截面照片分別如圖3和圖4所示。

圖3 三維正交機織物整體和布邊照片

(a) 正面 (b) 經向截面 (c) 緯向截面

由圖3和圖4可知，采用由普通織機改造的多綜眼多劍桿織機織造三維正交機織物是可行的，織成的三維正交機織物內部的經、緯紗呈伸直狀態，它們在織物拉伸過程中將承載主要負荷，且對拉伸性能的貢獻較大，所以三維正交機織物具有較好的拉伸性能。同時，Z紗貫穿織物的厚度方向，使得經、緯紗接觸緊密，因此織物具有較好的整體性，改善了織物抵抗分層失效的能力。

2 VARTM成型工藝

2.1 原材料制備

本試驗以環氧樹脂E-2511作為基體，將試織的三維正交機織物作為增強體，并采用VARTM工藝成型，制成復合材料。環氧樹脂主劑2511-1A與固化劑2511-1BT以100∶30的質量比混合，作為膠液。環氧樹脂主劑、固化劑的物理性能見表2。

表2 環氧樹脂主劑、固化劑的物理性能

2.2 復合材料成型

VARTM工藝常用于制造大尺寸復合材料零件，是一種污染小、制作成本低、產品性能優良的新型成型技術。VARTM成型原理是在成型模具上鋪設增強體，用真空薄膜封閉后，將其內部抽成真空環境，由負壓原理吸入樹脂并使樹脂完全浸入增強體各處而將其硬(固)化。VARTM成型工藝流程如圖5所示。

在成型過程中嚴格按照工藝流程操作，鋪層順序由下到上依次是三維正交機織物、脫模布、導流網及真空袋。應特別注意氣密性，氣密性差將導致成型后復合材料內氣泡含量增加，進而影響其力學性能。樹脂注入完成后密封注膠管和抽氣管，并設定加熱毯溫度為80 ℃，進行8 h固化。材料鋪層和樹脂流動分別如圖6和圖7所示。

圖5 VARTM成型工藝流程

圖6 材料鋪層

圖7 樹脂流動

2.3 三維正交機織復合材料特征

成型后三維正交機織復合材料呈半透明狀態，正面光滑，有類似平紋紋路，如圖8所示。從其經、緯向截面圖上可以清晰看到經、緯紗在復合材料中呈直線狀排列，Z紗則呈現有規律的曲線和直線組合形態。與成型前的三維正交機織物的截面對比，成型后復合材料內部的紗線形狀和位置未發生明顯變化，而且樹脂滲透至織物內部較完全。在復合材料的切割過程中，未發現單纖維脫離現象，表明纖維與樹脂基體結合完全，具有較好的界面效應。同時，三維正交機織物結構致密，加上VARTM工藝利用真空吸入樹脂，將樹脂和織物內部的大部分氣體排出，使得復合材料內氣泡和空隙較少，且樹脂含量明顯低于手糊成型工藝，因此復合材料具有較高的纖維體積分數。可見，VARTM工藝對結構緊密的三維織物有較好的成型效果。

(a) 正面 (b) 經向截面 (c) 緯向截面

3 纖維體積分數計算

纖維體積分數影響復合材料的拉伸強度、拉伸模量及泊松比等指標，是對復合材料力學性能進行理論分析的重要指標之一。通常，樹脂的力學性能遠低于纖維增強體。當纖維體積分數較低時，大部分載荷由基體承擔，增強體不能充分發揮作用；當纖維體積分數過高時，纖維之間缺少基體對載荷進行傳遞，復合材料整體的力學性能降低。因此，纖維體積分數是復合材料設計的重要參數之一。

本文參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》和GB/T 1463—2005《纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法》來測定三維正交機織復合材料的纖維體積分數。樹脂含量

(1)

式中：Mr為樹脂含量；m1、m2、m3分別為坩堝質量、坩堝和試樣總質量、灼燒后坩堝和殘余物總質量。

纖維體積分數

(2)

式中：Vg為纖維體積分數；ρr為樹脂密度；V總為復合材料體積。

通過計算，得到三維正交機織復合材料的纖維體積分數為58.74%。若采用手糊工藝成型，復合材料的纖維體積分數大約可以達到30%～40%。由此可見，采用VARTM工藝成型，所得三維正交機織復合材料的纖維體積分數遠高于手糊工藝。

4 結語

三維正交機織復合材料由于在增強體的厚度方向引入了Z紗，增強了材料整體的穩定性，減少了分層現象，提高了力學性能，在多個領域有著廣泛的應用前景，將成為紡織復合材料研究的一個重要分支。

在增強體的織造過程中，應盡量減少或避免玻璃纖維與織機的摩擦，降低纖維磨損程度；同時，在成型過程中，應保證氣密性，盡量降低孔隙率，復合材料內樹脂滲透至織物內部較完全；與常用的手糊工藝相比，采用VARTM工藝成型可獲得較高纖維體積分數的復合材料。

[1] 易洪雷,丁辛.三維機織復合材料力學性能研究進展[J].力學進展,2001,31(2):161-171.

[2] 黃曉梅.三維機織物的結構設計與織造[J].南通工學院學報(自然科學版),2004,3(1):49-50.

[3] 何亞飛,矯維成,楊帆,等.樹脂基復合材料成型工藝的發展[J].纖維復合材料,2011(2):7-13.

[4] 劉健,黃故.多劍桿織機三維織造研究[J].上海紡織科技,2005,33(2):8-10.

[5] 薛進.多綜眼多劍桿織機的特性及織造模擬[D].上海:東華大學,2013.

Research on production of 3D orthogonal woven fabrics and forming process of composite materials

MaYayun，GaoXiaoping

College of Textiles and Light Industries,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080,China

Structure characteristic,weaving principle and process of 3D orthogonal woven fabrics were introduced in detail.By means of the vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) process,the composite material was manufactured with 3D orthogonal woven fabric as reinforcement and epoxy resin as matix.The inner structure of the composite material was analyzed.The results showed that 3D orthogonal woven fabric could be produced by a multi-heard and multi-projectile loom reformed from a normal loom.The shape and location of yarn in the composite material did not changed,and the resin penetrated well into the fabric.The composite material had a higher fiber volume fraction.These results had put a foundation for further investigation on mechanical performance and application of 3D orthogonal woven fabric composite.

3D orthogonal woven fabric,composite material,vacuum assisted resin transfer molding,fiber volume fraction

2016-03-21

馬亞運，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為復合材料的力學性能

高曉平，E-mail:gaoxp@imut.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)08-0026-05