曲面三維橫編間隔織物復合材料的壓縮性能

李曉英， 馬丕波， 聶小林， 蔣高明

(1. 江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122; 2. 廣東工業大學 藝術設計學院， 廣東 廣州 510090)

三維橫編間隔織物復合材料是一種新型的三維復合材料，其增強體為橫編間隔結構。在外形上間隔織物的獨特之處就是結構整體性好，硬度高，質量輕，中空一體化的結構穩定牢固，間隔層具有較好的耐熱、隔音、耐沖擊等優異性能[1]。這種特殊結構的織物在產業用紡織品領域的應用范圍很廣，其復合材料的抗沖擊性能強，在橋梁、汽車、航空航天等工業制造領域中也有較好的發展前景。

Unal等[2-3]研究了紗線連接和織物連接的緯編間隔織物編織方法及結構；Abounaim等[1，4-5]研發了一種新型橫編織物層連接間隔結構，進而編織出各種曲率的間隔織物；繆旭紅等[6-7]對經編間隔織物受壓變形進行了分析；曹海建等[8-9]對機織中空結構復合材料的力學性能進行了研究；張明星等[10-11]對雙軸向間隔緯編復合材料的準靜態和沖擊彎曲性能進行了研究。目前，對于曲面橫編間隔織物復合材料的研究較少，在不同曲率復合材料的低速沖擊及壓縮等力學性能方面的研究尚顯不足。

本文應用芳綸紗線開發新型織物連接間隔結構，編織了平面間隔織物及曲面間隔織物[12]；然后分別制成2組不同曲率的復合材料；利用電子萬能材料試驗機測試其壓縮性能，并分組比較其載荷與位移的曲線關系，以期為后續關于曲面三維橫編間隔織物復合材料力學性能的研究提供數據。

1 實驗部分

1.1 原材料

采用440 dtex/100 f芳綸(熔點為480～570 ℃)3根合股。實驗在STOLL電腦橫機上編織，機器型號為CMS530，機號為3.5.2，由德國STOLL公司生產制造。

樹脂體系：樹脂采用亞什蘭194酚醛樹脂，固化劑采用阿克蘇V388。樹脂基體配方為m(酚醛樹脂)：m(固化劑)=100∶1.5。

1.2 間隔織物結構

試樣為織物連接間隔結構。為提高織物的力學性能，將增強紗緯向襯入織物表層。圖1示出平面間隔織物編織工藝步驟。

圖1 編織工藝步驟Fig.1 Knitting flow chart of flat-knitted 3-D spacer fabrics. (a) Step 1; (b) Step 2; (c) Step 3; (d) Step 4; (e) Step 5

步驟1：平針組織在前后針床輪流編織，見圖1(a)。

步驟2：將浮線襯入織物表層，可選擇在織針上間隔做集圈以避免浮線過長，見圖1(b)。輪流編織步驟1、2至達到要求高度。

步驟3：平針組織在前后針床輪流編織，通過一隔一選針編織達到間隔層高度的二分之一，見圖1(c)。

步驟4：羅紋組織將2個中間層連接，見圖1(d)。

步驟5：同步驟3，見圖1(e)。

通過調整編織程序，在織物密度、厚度等結構參數不變的情況下，使2個表層的編織長度不同，進而開發出不同曲率的間隔織物，如圖2所示。

圖2 曲面3-D間隔織物編織示意圖Fig.2 Diagram of flat-knitted 3-D curvilinrear spacer fabrics

1.3 復合材料制備

本文采用真空輔助樹脂傳遞模塑技術(VARTM技術)將增強體與樹脂復合，通過模具(曲率半徑r分別為120、160、300 mm)將平面織物和曲面織物制成不同曲率的橫編三維間隔織物增強復合材料，見圖3。織物樣片尺寸為140 mm×140 mm，厚度為15 mm。

圖3 不同曲率復合材料Fig.3 Composites with different curvature angles. (a) Small and medium curvature; (b) Maximum curvature

1.4 壓縮性能測試

在英斯特朗3385H型電子萬能非金屬材料試驗機上測試復合材料的壓縮性能。通過支承夾具固定試樣兩端，在橫、縱2個方向進行壓縮實驗，如圖4所示。支承夾具直徑為140 mm，壓縮速度為0.000 1 m/s。實驗環境溫度為25 ℃，濕度為50%。

圖4 樣品壓縮實驗Fig.4 Sample compression test

2 結果與討論

2.1 不同曲率復合材料的壓縮性能分析

2.1.1平面間隔織物復合材料

圖5 平面間隔織物復合材料壓縮載荷-位移曲線Fig.5 Compression load-displacement curves for composites with flat-knitted spacer fabric.(a)Coursewise; (b)Waleswise

圖6 曲面間隔織物復合材料壓縮載荷-位移曲線Fig.6 Compression load-displacement curves for composites with curvilinear spacer fabrics.(a)Coursewise; (b)Waleswise

圖5示出平面間隔織物復合材料的壓縮載荷-位移曲線。從圖5(a)橫向壓縮曲線可以看出：初始階段載荷隨著位移的增大呈近似線性變化；隨著壓縮載荷的持續增加，織物樣片彎曲且表面出現裂紋，樹脂基體開裂；當載荷繼續增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

從圖5(b)縱向壓縮曲線可以看出：初始階段載荷隨著位移的增大基本重合并呈線性變化；隨著壓縮載荷持續增加，差異逐漸增大。第1個壓縮載荷峰值出現是因為樣片彎曲部位的中空結構首先承受載荷；第2個載荷峰值出現是因為首先承受載荷的中空結構完全破壞，隨著壓縮位移不斷增加，材料凸面張力不斷增大達到峰值；當載荷繼續增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

2.1.2曲面間隔織物復合材料

圖6示出曲面間隔織物復合材料的壓縮載荷-位移曲線。從圖6(a)橫向壓縮曲線可以看出：隨著織物樣片曲率的增大，壓縮載荷峰值也明顯增大；初始階段載荷隨著位移的增大呈近似線性變化；隨著壓縮載荷繼續增加，樣片壓彎形變，樹脂基體開裂；當載荷持續增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

圖6(b)縱向壓縮曲線可以看出：隨著復合材料曲率的增大，壓縮載荷峰值明顯增大；當載荷持續增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

2.2 相同曲率復合材料的壓縮性能分析

表1示出曲率對壓縮載荷的影響。對比最小曲率復合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可知：曲面織物復合材料的橫向壓縮載荷峰值小于平面織物復合材料；而其縱向壓縮載荷峰值大于平面織物復合材料。

表1曲率對壓縮載荷的影響
Tab.1Influenceofcurvatureoncompressionload

曲率半徑/mm壓縮載荷/kN平面織物復合材料曲面織物復合材料橫向縱向橫向縱向30011.350.5710.680.6116015.350.6316.810.7112016.390.6322.570.84

對比中等曲率復合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可得出：曲面織物復合材料的橫向壓縮載荷峰值略大于平面織物復合材料，其縱向壓縮載荷峰值亦大于平面織物復合材料。

對比最大曲率復合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可得出：曲面織物復合材料的橫向壓縮載荷峰值明顯大于平面織物復合材料，其縱向壓縮載荷峰值亦明顯大于平面織物復合材料。

3 結 論

1)對比分析不同曲率間隔織物復合材料的壓縮性能發現：隨著復合材料樣片曲率的增大，壓縮載荷峰值也逐漸增大；橫向壓縮峰值均明顯高于縱向；平面織物復合材料的縱向壓縮出現2個壓縮載荷峰值；曲面織物復合材料的橫向壓縮載荷峰值差距明顯。

2)對比分析相同曲率間隔織物復合材料的壓縮性能發現：隨著曲率的增大，曲面織物復合材料的橫向壓縮載荷優勢逐漸明顯；曲面織物復合材料的縱向壓縮載荷始終高于同曲率平面織物復合材料，且隨著曲率的增大，曲面織物復合材料的縱向壓縮載荷優勢逐漸增大。

[1] ABOUNAIM Md，DIESTEL Olaf，HOFFMANN Gerald，et al. Thermoplastic composites from curvilinear 3D multi-layer spacer fabrics[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2010，29(24)：3554-3565.

[2] UNAL A，HOFFNMANN G，CHERIF C. 用于復合材料的針織間隔織物的開發[J]. 國際紡織導報， 2006(8)：40-43.

UNAL A，HOFFNMANN G，CHERIF C. Development of weft knitted spacer fabrics for composite materials[J]. Melliand China，2006(8)：40-43.

[3] 張囂，周羅慶，錢正林. 新型緯編三維間隔織物襯經襯緯結構的設計[J].上海紡織科技，2005(12)：56-58.

ZHANG Xiao，ZHOU Luoqing，QIAN Zhenglin. A new design three-dimensional knitted space fabric with warp and weft insertion[J].Shanghai Textile Science & Technology，2005(12)：56-58.

[4] ABUNAIM Md，CHERF Chokri. Flat-knitted innovative three-dimensional spacer fabrics：a competitive solution for lightweight composite applications[J]. Textile Research Journal，2012，82(3)：288-298.

[5] ABUNAIM Md，HOFFMANN Gerald，DIESTEL Olaf，et al. Thermoplastic composites from curvilinear flat knitted 3D multi-layer spacer fabric using hybird yarn and the study of 2D mechanical properties[J]. Composites Science and Technology， 2010(70)：363-370.

[6] 繆旭紅,葛明橋. 襯墊用經編間隔織物的壓陷性能[J]. 紡織學報，2009,30(5)：43-47.

MIAO Xuhong，GE Mingqiao. Indentation force deflection property of cushioning warp-knitted spacer fabric[J]. Journal of Textile Research，2009,30(5)：43-47.

[7] 繆旭紅，孔祥勇. 經編間隔織物防刺行為的數值模擬[J]．紡織學報，2012,33(12)： 112-117.

MIAO Xuhong，KONG Xiangyong. Numerical simulation of stab-resistant behavior of warp-knitted spacer fabrics[J]．Journal of Textile Research， 2012,33(12)：112-117.

[8] 曹海建，錢坤，魏取福, 等.三維整體中空復合材料低速沖擊性能[J].紡織學報, 2009,30(10): 70-74.

CAO Haijian，QIAN Kun，WEI Qufu，et al. Low-velocity impact property of 3-D integrated hollow sandwich composites[J]. Journal of Textile Research， 2009,30(10)：70-74.

[9] CAO Haijian，QIAN Kun，WEI Qufu，et al. Compression after impact of 3-D integrated hollow core sandwich composites[J]. Tekstil ve Konfeksiyon，2011,21(1):16-21.

[10] ZHANG Mingxing， SUN Baozhong， HU Hong，et al. Dynamic behavior of 3D biaxial spacer weft-knitted composite T-beam under transverse impact[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2009，16：365-370.

[11] 張明星，胡紅．三維間隔緯編復合材料中連接紗的作用分析[J].東華大學學報(自然科學版), 2009(6)： 650-654.

ZHANG Mingxing，HU Hong. Performance analysis of connecting yarns in three-dimensional spacer weft-knitted composite[J]．Journal of Donghua Univer-sity(Natural Science Edition)，2009(6)：650-654.

[12] 李曉英，蔣高明，馬丕波，等．三維橫編間隔織物的編織工藝及其性能[J].紡織學報, 2016,37(7)： 71-75.

LI Xiaoying，JIANG Gaoming，MA Pibo，et al. Knitting technologies and properties of three-dimensional computer flat-knitted spacer fabrics [J]．Journal of Textile Research，2016,37(7)：71-75.