三維管狀復(fù)合材料的拉伸性能研究

王黎黎，徐安長(zhǎng)，張尚勇

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三維管狀復(fù)合材料的拉伸性能研究

王黎黎，徐安長(zhǎng)，張尚勇*

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

以經(jīng)角連鎖為織物的基本組織結(jié)構(gòu)，將1500D芳綸長(zhǎng)絲織造一體成型的四層管狀織物，同時(shí)使用環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑、三乙烯四胺及丙酮作為增強(qiáng)相，采用真空輔助成型工藝（VARI）對(duì)其進(jìn)行復(fù)合。在相同的層數(shù)的條件下，通過(guò)拉伸測(cè)試表明所制備的復(fù)合管狀材料與平紋織物卷繞成管狀的管狀復(fù)合材料作對(duì)比，其力學(xué)性能明顯提高。

三維；管狀織物；復(fù)合材料；力學(xué)性能

管狀復(fù)合材料是一種受力形式合理的結(jié)構(gòu)元件，封閉的管狀試件能避免板狀試件自由邊緣應(yīng)力分布不均的問(wèn)題，其被廣泛的運(yùn)用于航空和航天飛行器、船舶等領(lǐng)域中，管狀復(fù)合材料設(shè)計(jì)織造及力學(xué)測(cè)試評(píng)價(jià)在它的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中發(fā)揮著及其重要的作用，尤其是在材料的設(shè)計(jì)中[1]。

1 三維管狀織物的織造

1.1 設(shè)計(jì)原理

利用四層角經(jīng)連鎖結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)織造原理相結(jié)合，以1500D芳綸長(zhǎng)絲為原料，織造出四層管狀織物。

1.2 三維角聯(lián)鎖織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文初期預(yù)先設(shè)計(jì)了四層貫穿角聯(lián)鎖織物為表組織，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

n=4；Rj=n+1=5；Rw=Rj×n=n(n+1)=20；Sj=n=4；最大經(jīng)浮長(zhǎng)Fm=2n-1=7

其中：n—織物層數(shù)；Rj—組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)；Rw—組織循環(huán)緯紗數(shù)；Sj—經(jīng)向飛數(shù)；Fm—組織最大浮長(zhǎng)數(shù)。

四層經(jīng)角度聯(lián)鎖經(jīng)向剖面圖如圖1所示。

圖1 四層經(jīng)角度聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)經(jīng)向剖面圖

1.3 三維管狀織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了使管狀織物表層和里層的相連處組織連續(xù)，總經(jīng)紗根數(shù)必須是基礎(chǔ)組織的組織循環(huán)數(shù)的倍數(shù)。總經(jīng)紗數(shù)為10n根（表組織5n根，里組織5n根）。將1、3、5、7、9框作為表組織織造系統(tǒng)，將2、4、6、8、10框作為里組織織造系統(tǒng)，由一根緯紗連接。穿綜采用順穿法，穿扣采用一扣一入。

其文版圖設(shè)計(jì)如下：

圖2 文版圖設(shè)計(jì)

圖2（a）中，奇數(shù)行（從下往上數(shù)）為表組織的文版圖，偶數(shù)行為里組織的文版圖，為使里組織織造時(shí)表組織的經(jīng)紗不干擾里組織，所以表組織的1、3、5、7、9頁(yè)棕框都要提起，如圖2（b）如所示。

織造樣品如圖3：

圖3 四層經(jīng)角連鎖管狀織物實(shí)物圖

2 復(fù)合工藝

2.1 復(fù)合原料、試劑

實(shí)驗(yàn)原料和試劑見(jiàn)表1：

表1 實(shí)驗(yàn)原料、試劑規(guī)格及廠家

2.2 復(fù)合成型方法

復(fù)合材料的成型有很多方法，可選擇的余地較大，所以成型過(guò)程有很大的靈活性，可根據(jù)不同的復(fù)合材料選擇不同的復(fù)合工藝。在成型方法的選擇上可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途、產(chǎn)量以及成本等因素來(lái)綜合考慮，從而選擇最合適的成型工藝[4]。

用于復(fù)合材料的成型方法有：手糊成型，模壓成型，真空輔助成型，纏繞、拉擠成型，注射成型，樹(shù)脂傳遞成型等。

本文采用真空輔助成型工藝即VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)復(fù)合工藝。真空輔增強(qiáng)體中助成型工藝是一種新型的低成本的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，它是在真空狀態(tài)下排除纖維的氣體，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物浸漬，并在一定溫度下進(jìn)行固化，形成一定樹(shù)脂/纖維比例的工藝方法。

其裝置設(shè)計(jì)圖如圖4：

圖4 管狀織物復(fù)合工藝裝置設(shè)計(jì)圖

2.3 脫模

復(fù)合過(guò)程中，中間模具鋼管表面覆蓋一層塑料膜以避免樹(shù)脂將織物與鋼管粘合在一起，但是，在樹(shù)脂固化過(guò)程中，熱固性E-51環(huán)氧樹(shù)脂在固化劑三乙烯四胺的作用下，由小分子結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成網(wǎng)狀的大分子鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致織物復(fù)合材料會(huì)整體收縮，使得復(fù)合管材緊緊地包裹住模具鋼管，不易脫模。

在本實(shí)驗(yàn)操作中，將覆蓋模具鋼管的塑料膜與鋼管之間增加紙質(zhì)材料，其具有一定強(qiáng)度，不易變形，且與鋼管之間的摩擦系數(shù)小，易于脫模。待復(fù)合成型后，復(fù)合管材聯(lián)通紙質(zhì)材料一起從模具褪下，再管材內(nèi)部褪下紙質(zhì)材料及塑料膜，即可獲得三維管狀復(fù)合材料樣品。

2.4 對(duì)比樣品的復(fù)合

對(duì)比樣品采用相同原料即1500D芳綸長(zhǎng)絲織造成普通平紋芳綸布，在管狀模具上卷繞四層，然后采取相同復(fù)合工藝復(fù)合成型。

3 拉伸性能測(cè)試及分析

拉伸性能是復(fù)合材料性能試驗(yàn)中較為重要的一種，其過(guò)程是一個(gè)漸變的過(guò)程：當(dāng)拉伸應(yīng)力被施加在材料的兩端后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有明顯的變化，也就是紗線和樹(shù)脂之間沒(méi)有相對(duì)滑移等破壞現(xiàn)象。材料整體開(kāi)始受力時(shí)，材料還未產(chǎn)生變形，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也就是紗線和樹(shù)脂之間發(fā)生了應(yīng)力集中，產(chǎn)生了相對(duì)滑移，所以紗線與樹(shù)脂的界面上發(fā)生了脫黏。隨著材料的變形量增大，所需的應(yīng)力也增加，當(dāng)材料在無(wú)法承受更多載荷時(shí)，紗線斷裂。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

管狀復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)定是測(cè)試其在一定條件下受軸向力或能量作用時(shí)所表現(xiàn)出的特性，其強(qiáng)度的測(cè)定與該管的設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇、工藝評(píng)價(jià)、材質(zhì)的檢驗(yàn)等密切相關(guān)，測(cè)試的機(jī)械性能數(shù)據(jù)不僅取決于材料本身，還與試驗(yàn)環(huán)境有關(guān)。例如取樣的部分和方向，測(cè)試的形狀和尺寸，試驗(yàn)時(shí)的加載特點(diǎn)，還包括加載速度、環(huán)境介質(zhì)的成分和溫度等[2]。

本實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示：

表2 拉伸測(cè)試儀器設(shè)備

目前，大多數(shù)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配置的夾頭為平行夾頭或V型夾頭，平型夾頭適用于板條狀的試樣拉伸，V型夾頭適用于圓形試樣的拉伸，對(duì)于實(shí)心的棒狀試樣，v型夾頭的效果較好，可滿足實(shí)驗(yàn)的要求，但對(duì)于管狀復(fù)合材料，則需要對(duì)夾頭進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。本實(shí)驗(yàn)中，為滿足管狀復(fù)合材料的拉伸測(cè)試需求，采取自行設(shè)計(jì)的夾頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。

夾頭器具圖5所示。其中，夾具總長(zhǎng)90mm，與管狀復(fù)合材料咬合處螺紋長(zhǎng)25mm，直徑20mm，為防止螺紋對(duì)纖維破壞而影響測(cè)試，在螺紋咬合部分，對(duì)內(nèi)管壁用芳綸布進(jìn)行加厚處理，管外壁用剛扣進(jìn)行加固。

3.2 試樣尺寸設(shè)計(jì)

拉伸試樣尺寸如表3所示：

表3 拉伸試樣的尺寸

3.3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

圖5 管狀復(fù)合材料夾頭

圖6 拉伸測(cè)試

采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試（見(jiàn)圖6），測(cè)試過(guò)程中，有輕微的纖維斷裂的聲音，應(yīng)力不斷增大，最后隨著一聲輕微的破裂聲，應(yīng)力曲線陡然下降，實(shí)驗(yàn)停止，樣品斷裂。其應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 平紋管應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 三維管應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7顯示，在應(yīng)變達(dá)到2.5%時(shí)，由于在拉伸過(guò)程中，簡(jiǎn)單粘合的層間出現(xiàn)分離，產(chǎn)生應(yīng)力屈服，而圖8中，由于三維管的一體結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)曲線趨于平滑；在應(yīng)變方面，三維管由于其經(jīng)紗的交織彎曲復(fù)雜，在緯向的延伸較多，所以其應(yīng)變大于平紋管；應(yīng)力方面，三維管最大應(yīng)力達(dá)到410Mpa，高于平紋管的196Mpa。總體而言，在拉伸強(qiáng)度方面，復(fù)雜三維管狀織物復(fù)合材料的性能優(yōu)于平紋織物復(fù)合材料的簡(jiǎn)單卷繞疊加。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

本文介紹了四層經(jīng)角連鎖管狀織物的織造及復(fù)合工藝，通過(guò)設(shè)計(jì)專用夾頭，對(duì)芳綸管狀復(fù)合材料采用了整體拉伸法，較準(zhǔn)確的測(cè)出了其拉伸強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)平紋卷繞管拉伸性能測(cè)試的對(duì)比分析，表明三維一體的立體結(jié)構(gòu)管狀織物，其拉伸強(qiáng)度高于平紋織物復(fù)合材料的簡(jiǎn)單緯向疊加。

同時(shí)，在實(shí)際情況下，管狀復(fù)合材料通常都是在復(fù)雜受力狀況下工作，即承受組合變形，如彎曲了扭轉(zhuǎn)組合變形，拉伸（壓縮）和彎曲組合變形等，在此組合變形下測(cè)得的機(jī)械性將更具有工程意義，而不同的織物結(jié)構(gòu)也會(huì)在不同的受力情況下體現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，所以，研制適當(dāng)?shù)臏y(cè)試儀器及夾具和試織其它不同結(jié)構(gòu)的三維織物在組合變形下的機(jī)械性能更具有重要意義。

[1] 冼杏娟，蔣燦興．高模玻璃纖維圓管力學(xué)性能及破壞分析[J]．機(jī)械工程材料，1982，(1)：48-51．

[2] 王瑞，楊連賀，王建坤．復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法及其標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向[J]．玻璃鋼＆復(fù)合材料，2000，(4)：39-42．

[3] 單鴻波，徐方，孫志宏．碳纖維管狀復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試方法研究[J]．上海紡織科技，2013，41(7)：1-4．

[4] 彭璇．三維織物的成型加工及其納米復(fù)合材料的性能研究[D]．武漢：武漢紡織大學(xué)，2015．10．

Study on Tensile Mechanical Properties of Three-dimensional Tubular Composites

WANG Li-li, XU An-chang, ZHANG Shang-yong

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

1500D aramid fiber filament has been woven into four-layer angular interlock tubular fabric. Four-layer angular interlock tubular fabric woven with 1500D aramid fiber filament has been composited into a reinforcing material treated with a mixed system including epoxy resin, thinner, triethylenetetramine and acetone via VARI. It is observed that the tensile mechanical property of composited tubular fabric gets increased obviously compared with composited plain fabric which owns four layers.

3D; tubular fabrics; composite materials; mechanical properties

TS105.6

A

2095－414X(2017)03－0012－05

張尚勇（1967-），男，教授，研究方向：新型紡紗技術(shù).