鋸齒形三維機織間隔復合材料的彎曲性能

張雪飛， 王晶晶， 呂麗華， 葉 方

(大連工業大學， 遼寧 大連 116034)

層合間隔復合材料在加工成型過程中會產生較多的不可控的結構缺陷，導致材料整體性能差，且當材料處于高溫高濕環境或交變外力作用時，層與層結構黏合處容易開裂破壞或脫落[1-2]。為改善層合間隔復合材料的層間性質及滿足對結構和多功能復合材料的需要，三維紡織技術應運而生。三維間隔復合材料是在長、寬、高3個方向形成1個不分層的三維整體網狀結構，消除了傳統層合間隔材料的“層”的結構，從根本上解決了傳統層合間隔材料的結構缺陷[3]，使得三維間隔復合材料可以成為結構件，用作輕質板材、殼體材料、噪聲屏蔽材料，也可用在流體的輸送管道等領域，具有廣闊的發展前景。

作為三維間隔復合材料的增強結構，三維紡織間隔織物的成型方式主要包括非織造、針織、編織和機織[4-6]。Vasile等[7-8]對非織造三維間隔織物的生產工藝及其復合材料的力學性能進行了研究，發現材料的孔洞結構需要經過特殊的成型機械來保留和穩固，而且織物的間隔結構式依靠纖維之間固結形成，所以材料的整體內部約束不夠牢固，難以成為承力結構件。陳思等[9-10]研究了針織三維間隔織物的成型工藝及材料的力學性質，表明針織三維間隔織物形式多樣且效率高，但該類間隔織物的連接層因為針織成型工藝的特殊性只能是紗線連接，故該類材料的結構不夠穩定。李嘉祿[11]自主研發了三維異形整體編織工藝及相關機械，開發了多品類的先進多功能復合材料制件和主承力復合材料制件的增強體織物；但由于編織工藝是多紗線同時參與織造，其制備機械相對特殊，故而編織三維間隔織物生產成本高昂。Mountasir等[12]研究了機織三維間隔織物的織造工藝，介紹了普通織機和特殊織機織造的工藝流程和原理,表明機織三維間隔織物可在普通織機設備上通過“壓扁—織造—還原”工藝進行開發，極大地降低了研發成本和對織造機械的要求，具有良好的應用前景。

玄武巖纖維是以天然火山噴出巖為原材料制備的無機非金屬材料，具有優異的環境親和特性，可直接降解為土壤母質，不會污染破壞環境，且該纖維也具有強度高，模量高，抗壓強度高，剪切強度高等優良性能[13]。前期研究在小樣織機上對玄武巖纖維三維機織物進行了開發，并對玄武巖纖維三維機織復合材料的力學性能進行了測試[14-15]，本文結合玄武巖纖維低價、環保、高性能優勢和三維機織物易成型、整體性能好的特點，開發不同間隔高度的三維機織間隔織復合材料，并探究材料的彎曲性能，得到材料對應的載荷-位移曲線和破壞形態。

1 實驗部分

1.1 鋸齒形三維機織間隔織物的設計

基于探究間隔連接層為織物的間隔復合材料，本文選擇鋸齒形經向截面作為探究對象，如圖1所示。其中小圓代表緯紗，線條代表經紗。在該示意圖的基礎上，再根據經、緯紗的交織情況得到上機組織圖，如圖2所示，其中H為不同織物的高度。

圖1 鋸齒形三維間隔織物經向截面示意圖Fig.1 Warp section of zigzag 3-D spacer fabric

圖2 鋸齒形三維間隔織物組織圖Fig.2 Weaving diagram of zigzag 3-D spacer fabrics

1.2 鋸齒形三維機織間隔織物的織造

選用浙江石金玄武巖股份有限公司生產的383 tex玄武巖低捻(10捻/(10 cm))長絲紗作為經、緯紗，在普通小樣織機SGA598上進行織造。鋸齒形三維機織間隔織物的間隔分別為斜邊7、13、19緯，單層經、緯密分別為60、118根/(10 cm)，筘入數為6根，筘號為30筘片數/(10 cm)，總經根數為360。

1.3 鋸齒形三維機織間隔復合材料的制備

選用無錫錢廣化工原料有限公司生產的V-118環氧乙烯改性基樹脂及其配套的促進劑及固化劑，其體積比為V(樹脂)∶V(促進劑)∶V(固化劑)=100∶1.25∶1.25。將制備的間隔織物填充進尺寸合適的水泥模具，并將其放置于真空輔助成型(VARTM)系統(見圖3)中密封并抽真空，之后吸入調制好的樹脂。在常溫下固化24 h，然后在80 ℃的烘箱中熱化2 h得到成品。采用燃燒法，測得H為1.0、1.7、2.4 cm的鋸齒形三維機織間隔復合材料的纖維體積分數分別為22.51%、19.94%、17.64%。

圖3 VARTM系統Fig.3 VARTM system

1.4 彎曲性能測試

參照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》，對所制得的三維機織間隔復合材料進行制樣和三點彎曲測試。將試樣制成長為140 mm，間隔分別取1.0、1.7、2.4 cm，跨距選用100 mm。在加載速度為10 mm/min的RGY-5型微機控制電子萬能試驗機上進行彎曲測試，得到相關性能指標。圖4示出彎曲裝置示意圖。

r為支座圓角半徑；R為加載上壓頭半徑。圖4 彎曲裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of bending device

2 結果與討論

2.1 試樣方向對材料彎曲性能的影響

由試樣測試得到經、緯向鋸齒形三維間隔復合材料載荷-位移曲線，如圖5所示。

圖5 經、緯向鋸齒形三維間隔復合材料載荷-位移曲線Fig.5 Bending load-displacement curves of zigzag 3-D spacer composites with warp and weft orientation

從圖5可發現，經、緯向鋸齒形三維機間隔復合材料的彎曲載荷-位移曲線有明顯不同的最大載荷點和曲線趨勢形態，這說明經、緯方向上的鋸齒形三維機織間隔復合材料在相同的實驗條件下，存在不同的受力形式和破壞形式。

從單一的經向試樣來看，試樣材料中包括連續的鋸齒狀結構，但單個鋸齒形組織寬度有限且材料的上、下層和連接層的厚度較小，如圖6所示。在三點彎曲實驗中可觀察到：當壓頭作用到試樣表面時，試樣整體迅速出現彎曲，上層面受壓，下層面受拉，繼而壓頭接觸表面出現破壞，且材料表面出現變形，彎曲載荷-位移曲線也達到最大載荷點；材料繼續受力，破壞擴張，曲線出現下降。結合曲線和實驗情況可知，經向鋸齒形三維機織間隔復合材料的受力面僅僅只是壓頭和材料的接觸表面，而鋸齒形狀結構在三點彎曲測試中并不能為材料整體提供支撐。隨著位移的逐步增加，試樣表面受作用力進而較快地出現變形和破壞，這是因為材料增強體結構是采用的平紋結構，形成復合材料后表層較薄，因而所能承受的作用力也相對較小。由此可知，表層不能提供較大的抗破壞強力。

圖6 經向試樣材料示意圖Fig.6 Warp sample schematic diagram

緯向試樣只有一個緯向鋸齒形結構貫穿整個試樣，且試樣表面有中間連接層與上層表面連接的結節，亦是貫穿試樣表面。在三點彎曲實驗過程中，如圖7所示，當壓頭與試樣接觸后，試樣受力整體出現小幅度彎曲，上層面受壓，下層面受拉，但沒有迅速地出現明顯的破壞，表層平面完整。隨著位移的繼續增加，試樣上表層彎曲明顯，上表層平面出現較大的彎曲，且受擠壓處出現白色痕跡，中間連接層發生破壞，向下塌陷且發出明顯的材料斷裂聲，而下表層則是呈稍微彎曲的狀態，曲線載荷達到最大值。材料繼續受力，材料破壞加大，曲線開始下降。對比經向試樣實驗結果可以發現，因為單一表面能承受的作用力較小，所以緯向試樣主要承受作用力的部位是鋸齒形狀結構，連接層的2個支撐墻為整體結構提供支撐，使得鋸齒結構具有良好的抗彎曲性能。且由經、緯向曲線對比可知，鋸齒形狀結構可明顯提升材料的力學性質。

圖7 緯向試樣示意圖Fig.7 Weft sample schematic diagram

由以上分析可知：所制鋸齒形三維機織間隔復合材料的主要承力方向為緯向，且承力部位為鋸齒形狀結構；而復合材料經向則是保證鋸齒形狀結構的連續。

2.2 組織循環個數對材料彎曲性能的影響

圖8示出單、雙鋸齒形三維間隔復合材料載荷-位移曲線。

圖8 單、雙鋸齒形三維間隔復合材料載荷-位移曲線Fig.8 Bending load-displacement curves of single and doublezigza 3-D spacer composites

從圖8可以看出：雙鋸齒形的曲線峰值要高出單鋸齒形的曲線峰值，也就是說明2個鋸齒形結構材料的抗彎曲性能要高出單個結構的材料，即材料的抗彎曲性能與材料支撐結構的數量相關：材料在作用力下的支撐結構越多，材料的抗彎曲性能越好。這是因為2個鋸齒形結構之間存在相互的協同作用，使得作用力被分配到更多的鋸齒形結構上，故而抗彎曲性能更加優異。

2.3 試樣間隔高度對材料彎曲性能的影響

表1示出復合材料彎曲強度測試結果。圖9示出不同高度三維間隔復合材料載荷-位移曲線。可以看出：3種不同高度的鋸齒結構的彎曲載荷-位移曲線形狀大體上相似，局部存在一些不同的細節，這說明3個梯度的試樣具有相似的破壞情況和失效模式，這是由于它們具有相同的結構和成型方式。在所得曲線中，2.4 cm間隔高度的試樣表現出最好的抗彎曲能力，其彎曲載荷數值最大；1.7 cm間隔高度的試樣，其彎曲載荷數值次之；1.0 cm間隔高度的試樣，其彎曲載荷數值最小。由此可見，在一定的高度范圍內，間隔高度越高的鋸齒形三維機織間隔復合材料表現出更加優良的抗彎曲性能，可以獲得更大的彎曲載荷。

表1 彎曲強度測試結果Tab.1 Results of bending strength

圖9 不同高度三維間隔復合材料載荷-位移曲線Fig.9 Bending load-displacement curves of zigzag 3-D spacer composites with different heights

2.4 復合材料能量吸收值

通過彎曲載荷-位移曲線進行面積積分得到鋸齒形三維機織間隔復合材料在10 mm/min加載速度下的能量吸收值，H為2.4、1.7、1.0 cm的復合材料能量吸收值分別為10.5、7.8、6.1 J。不同高度的三維機織間隔復合材料的能量吸收情況也不相同。間隔高度越小的三維機織間隔復合材料，所吸收能量也越少。在一定的間隔高度內，三維機織間隔復合材料的能量吸收量隨間隔高度的增加而增加。而導致這種趨勢的原因與三維機織間隔復合材料本身的抗彎曲能力和材料破壞狀態相關，從實測的彎曲載荷-位移曲線可知，間隔高度越高的三維機織間隔復合材料具有更加優異的抗彎曲性能。

材料對于能量的吸收能力與自身受力破壞情況相關，本文實驗中材料的破壞形式主要有：1)環氧乙烯基樹脂的破壞。主要包括樹脂的開裂和分層，在彎曲載荷的施加過程中，作用力沿著纖維方向擴散、傳遞，并在壓頭處形成應力集中區域，造成樹脂破壞，且在連接層引起樹脂分層。2)纖維和樹脂基體的分離。作用力在纖維方向上進行傳遞時，引起纖維和樹脂的不同形變，使得纖維和樹脂黏合界面產生變化，纖維和樹脂形成脫黏和剝離。3)纖維的損傷。纖維在三維機織間隔復合材料中提供大部分的抗張強度，使得材料在變形過程被拉伸和抽拔出集體，而玄武巖纖維本身就具有高強高模的特性，故而使壓頭的部分動能也轉化為纖維的動能。

2.5 復合材料破壞模式

圖10示出鋸齒形三維機織間隔復合材料三點彎曲測試過程。壓頭以10 mm/min的速度勻速下降，首先與矩形三維機織間隔復合材料上表面相接觸(見圖10(a))，上表面輕微彎曲變形并發出輕微噼啪響聲。隨壓頭的下降，矩形三維機織間隔復合材料上下表面出現不同程度的彎曲(見圖10(b))，材料上表層出現明顯的凹陷，且出現在壓頭作用附近，區域有限；而下表層也出現向下凸出現象，但程度輕微。在材料彎曲的過程中伴有清脆的噼啪響聲，即樹脂破壞，而連接層則因受力出現明顯向外凸的變形，且連接層樹脂出現明顯的分層破壞現象；壓頭繼續下降，鋸齒形三維機織間隔復合材料變形更加嚴重(見圖10(c))，三維機織間隔復合材料上表面向下凹陷嚴重，下表面也出現明顯的向下凸現象，連接層則是明顯的向外凸且有樹脂的分層剝離。但是材料并未出現斷裂情況，且破壞嚴重的區域只在壓頭附近。

圖11示出鋸齒形三維機織間隔復合材料彎曲破壞形態圖。鋸齒形三維機織間隔復合材料在彎曲載荷作用下發生明顯的彎曲變形，材料上表面受到壓縮作用向下凹陷，但表面沒有明顯的破壞(見圖11(a))；下表面受到拉伸作用，因為玄武巖纖維的高強性能，并未有破壞(見圖11(c))；而連接層則受到壓縮作用向外凸出，纖維和樹脂出現脫離，而纖維并未受到破壞(見圖11(b))。由此可知，彎曲載荷對鋸齒形三維機織間隔復合材料的作用只能使材料纖維和樹脂發生分離，但不能破壞材料的整體結構，所以玄武巖纖維三維機織間隔復合材料抗破壞性能優異。

圖10 鋸齒形三維機織間隔復合材料三點彎曲測試過程Fig.10 Process of three-point bending test of zigzag 3-D woven spacer composites.(a) Initial stage of bending; (b) Intermediate stage of bending; (c) Last stage of bending

圖11 鋸齒形三維機織間隔復合材料彎曲破壞形態Fig.11 Bending failure mode of zigzag 3-D woven spacer composites.(a) Compressed surface;(b)Side surface;(c)Strained surface

3 結 論

以玄武巖低捻長絲紗作為經、緯紗，通過合理設計經向截面圖和組織圖，可在普通織機上織造3種不同間隔高度的鋸齒形三維機織間隔織物。以其作為增強材料，環氧乙烯基樹脂作為基體，通過真空輔助成型工藝制備鋸齒形三維機織間隔復合材料，并研究其彎曲性能，得到以下結論。

1)間隔材料的主要承力方向是緯向，而材料經向則是保證鋸齒形狀結構的連續。在一定間隔高度范圍內，三維機織間隔復合材料的最大彎曲載荷隨材料間隔高度的增加而增加；并且組織循環個數越多的材料表現出更好的彎曲性能。間隔高度越高的三維機織間隔復合材料具有更高的能量吸收值。

2)鋸齒形三維機織間隔復合材料的破壞模式是材料上表層受壓，下表層受拉，而連接層受壓。在作用力下材料只是出現明顯的變形，但并未出現材料整體的破壞，玄武巖纖維增強體也未產生拉伸斷裂情況。

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