編織結構對編織復合材料彎曲性能的影響

閆曉芳,曹海建,黃曉梅

(1.南京海爾曼斯集團有限公司,江蘇 南京210000;2.南通大學 紡織服裝學院,江蘇 南通226019)

編織復合材料具有層間結合力強、抗沖擊性能好等特點,在航天航空、軌道交通、船舶、建筑等領域得到了廣泛的應用[1-3]。而編織復合材料的性能主要決定于預制件(編織物),其根據機器底盤上紗線排列回到初始狀態所需要的運動步數,可以分為二步法、四步法和多步法[4-6],其中四步法是目前應用最多、結構變化最多的一種編織方式[7-9]。在編織過程中,每根編織紗按一定的規律運動,從而相互交織,形成一個不分層的三維整體結構。

分別采用1×1、1×2、2×1和2×2等4種編織方法制備了4種結構的編織物,并與樹脂復合制成編織復合材料,重點研究了4種結構對編織復合材料彎曲性能的影響。課題的研究對于該類材料的結構優化設計和工程化應用具有重要指導價值。

1 編織復合材料的制備

1.1 原料與設備

原料:1 000 tex無堿玻璃纖維(中材科技股份有限公司);E51型環氧樹脂(南通星辰合成材料有限公司);H023型聚醚胺(無錫仁澤化工產品有限公司)。

主要設備:3385H型萬能材料試驗機(美國Instron公司)。

1.2 編織物的制備

編織物制備工藝見文獻[10-12]。采用4種編織方法制備的編織物分別如圖1所示。

圖1 編織物

1.3 編織復合材料的制備

編織復合材料制備工藝:(1)將E51型環氧樹脂與H023型聚醚胺以4∶1的質量比復配成樹脂體系;(2)將編織物與樹脂以1∶1的質量比稱取樹脂備用;(3)取7 cm×120 cm的聚酰亞胺薄膜放置于一塊玻璃平板上,將配制好的1/5樹脂體系傾倒于聚酰亞胺薄膜表面,利用玻璃棒將樹脂涂抹均勻,然后將編織物放置在涂有樹脂的聚酰胺薄膜上;(4)將剩余的4/5樹脂傾倒于編織物上表面,再利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻;(5)將上述涂覆好樹脂編織物連同聚酰亞胺薄膜、玻璃平板一同放置于烘箱干燥,烘燥時間3 h、溫度70℃;(6)烘干結束后,待材料冷卻后取出,除去材料表面的聚酰胺薄膜,即得到編織復合材料。

2 測試方法

參照GB 1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》的相關標準進行彎曲性能測試得到表1。為有效分析編織方法對材料彎曲性能的影響,制作了4組不同編織方法的試件,在測試前對試件的上下底面進行平整拋光整理,并剔除有缺陷、不符合尺寸要求的試件,每組試件選取5個有效測試值,取平均值作為參考。

表1 編織復合材料的結構參數 單位:cm

3 結果與分析

3.1 彎曲特性

4種結構編織復合材料彎曲特性如圖2所示。(1)4種結構編織復合材料具有相似的彎曲破壞過程。開始階段,材料的應力隨著應變的增加而線性增加,并逐漸增加到最大值;隨后應力隨著應變的增加迅速下降,表現為較明顯的脆性斷裂特性。(2)結合試驗過程發現,開始階段,隨著應變的增加,材料的上、下表面逐漸出現越來越多的樹脂開裂和脫落現象;隨著應變的繼續增加,樹脂脫落現象加劇,上、下面板發現越來越多的纖維斷裂現象;最后,當應力達到最大值時,材料在上壓頭沿厚度方向發生斷裂破壞,且伴隨著較大的斷裂聲響,材料失效,如圖3所示。

3.2 彎曲性能

4種結構編織復合材料的彎曲性能如表2所示。分析可知,1×2結構的編織復合材料彎曲性能最好;1×1和2×2結構的編織復合材料次之,且彎曲性能相近;2×1結構的編織復合材料性能較差。

原因分析,彎曲性能的差異主要是由編織結構決定的。(1)對于1×1和2×2結構,其中所有編織紗與編織復合材料軸向的夾角相同,因此具有相近的彎曲性能;(2)對于1×2結構,其中大部分編織紗與編織復合材料軸向的夾角與1×1和2×2結構相近,而小部分編織紗與材料軸向的夾角較大,使得材料受彎曲載荷作用時能夠承擔較多的彎曲載荷,因此具有最好的彎曲性能;(3)對于2×1結構,材料的內部結構與1×2結構相反,因此具有相對較差的彎曲性能。

圖2 應力應變曲線

圖3 材料側面斷裂形貌

表2 編織復合材料的彎曲性能

4 結論

(1)1×1、1×2、2×1和2×2編織結構的編織復合材料具有相似的彎曲特性,彎曲應力隨著應變的增加均呈現先增加再下降的規律。

(2)1×2結構的編織復合材料彎曲性能最好,1×1和2×2結構次之,2×1結構最差。

(3)編織復合材料在彎曲載荷作用下的破壞模式主要表現為上壓頭沿厚度方向的纖維斷裂、樹脂的破碎和脫落等。