機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材的制備與力學(xué)性能研究*

張 默 賀曉亞

1.成都東軟學(xué)院，四川 成都 611844；2.江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201

20世紀(jì)60年代，為更好地滿足航空航天等尖端科技的需要，各種仿生復(fù)合材料[1]、溫敏復(fù)合材料[2]、梯度復(fù)合材料[3]等應(yīng)運(yùn)而生，復(fù)合材料迅速發(fā)展。其中，質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模的復(fù)合材料，如對(duì)位芳綸防彈材料[4]、碳纖維車體復(fù)合材料等[5]，備受尖端工業(yè)制造的青睞。目前，復(fù)合材料的制備工藝主要包括：將纖維材料作為增強(qiáng)體與基體材料進(jìn)行復(fù)合制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；將不同芯材與表面材料復(fù)合制備夾層復(fù)合材料；將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布到基體材料內(nèi)部制備細(xì)粒復(fù)合材料；將兩種及以上增強(qiáng)材料混雜制備混雜復(fù)合材料等[6-8]。

機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)、強(qiáng)度高和耐沖擊等特點(diǎn)[9]，本文為進(jìn)一步增強(qiáng)其力學(xué)性能，選擇機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物作為增強(qiáng)材料，通過將其與樹脂復(fù)合，制備力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合板材，并測(cè)試復(fù)合板材的性能，為今后復(fù)合板材的開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

滌綸線(線密度為210 tex，捻系數(shù)為94，市售)，HR-197雙酚A型不飽和聚酯樹脂(市售)。

1.2 儀器與設(shè)備

INSTRON 5590型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國英斯特朗公司)、SGA598型全自動(dòng)劍桿織機(jī)(江陰市通源紡機(jī)有限公司)、Practum 213-1CN電子精密天平(精度0.001 g，德國賽多利斯集團(tuán))、XCJD-50型數(shù)顯簡支梁非金屬材料沖擊試驗(yàn)機(jī)(承德優(yōu)特檢測(cè)儀器制造有限公司)、2BV型不銹鋼水環(huán)式真空泵(上海博禹泵業(yè)有限公司)。

1.3 試樣制備

1.3.1 織物的設(shè)計(jì)與織造

采用線密度為210 tex的滌綸線設(shè)計(jì)并制備了3、5和8層機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物，其結(jié)構(gòu)示意和上機(jī)組織圖分別如圖1和圖2所示。

1——經(jīng)紗；2——緯紗

圖2 機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物的上機(jī)組織圖

機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物的上機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)：總經(jīng)紗根數(shù)為130，每筘齒入1根經(jīng)紗；經(jīng)紗密度為85根/(10 cm)，緯紗密度為120根/(10 cm)。

織造流程主要包括常規(guī)的整經(jīng)、穿經(jīng)、穿筘、織造和整理等。

此外，為固定剪斷的緯紗，避免緯紗卷入織物中，影響織物質(zhì)量，織物邊緣采用絞綜設(shè)計(jì)，以提高復(fù)合板材的整體力學(xué)性能。

1.3.2 復(fù)合板材的制備

機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物與樹脂復(fù)合的工藝原理如圖3所示。

圖3 復(fù)合板材制備的工藝原理

準(zhǔn)備適合機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物的密封袋模具和吸入管。吸入管的一端置于密封袋模具的上端，另一端置于溫度為60 ℃、黏度較小的熔融態(tài)樹脂中。密封袋模具的底端插入一根真空管，真空管通過接入中間輔助袋后與真空泵連接，利用真空泵產(chǎn)生的負(fù)氣壓將熔融態(tài)樹脂吸入密封袋模具中，對(duì)機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行注脂。然后，降溫至20 ℃使樹脂凝固，2 h后去除密封袋模具，即制得機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材。

此外，本文還在相同條件下用散亂纖維作為增強(qiáng)體，制備了纖維隨機(jī)分布的復(fù)合板材作為對(duì)比試樣。

為研究單位體積纖維含量即復(fù)合板材中纖維體積占復(fù)合板材體積的百分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響，本文以8層機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材為例，通過改變樹脂的用量，制備單位體積纖維含量為36.91%、41.48%、48.59%、55.37%和62.57%的8層機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材，以及相同單位體積纖維含量的纖維隨機(jī)分布復(fù)合板材，比較它們的力學(xué)性能。另外，本文還制備了單位體積纖維含量為55.37%的不同層數(shù)的機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材，研究機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，利用INSTRON 5590型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試復(fù)合板材試樣的拉伸強(qiáng)度。

參照GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，利用INSTRON 5590型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試并計(jì)算復(fù)合板材試樣的彈性模量。

參照GB/T 1451—2005《纖維增強(qiáng)塑料簡支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法》，利用XCJD-50型數(shù)顯簡支梁非金屬材料沖擊試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試復(fù)合板材試樣的抗沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 單位體積纖維含量對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

不同單位體積纖維含量的8層機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材試樣與纖維隨機(jī)分布復(fù)合板材試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同單位體積纖維含量的復(fù)合板材試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由表1可知：

(1) 8層機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材試樣的拉伸強(qiáng)度、彈性模量與抗沖擊強(qiáng)度開始均隨著單位體積纖維含量的增加而提高并達(dá)峰值，然后逐漸降低。其原因在于隨著單位體積纖維含量的增加，起初有更多的纖維、織物與樹脂結(jié)合，復(fù)合板材力學(xué)性能增加；當(dāng)單位體積纖維含量超過一定程度時(shí)，復(fù)合板材內(nèi)部的樹脂浸透變得不充分，同時(shí)樹脂用量減少，造成復(fù)合板材厚度降低，復(fù)合板材力學(xué)性能下降。其中，當(dāng)單位體積纖維含量在55.37%時(shí)，復(fù)合板材的力學(xué)性能最佳。

(2) 以散亂纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合板材，由于散亂纖維間的抱合力較弱，纖維間相對(duì)摩擦力較小，故樹脂與纖維黏合的隨機(jī)性較高，加之纖維無法對(duì)樹脂進(jìn)行有效的塑型，故所形成的復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度、彈性模量與抗沖擊強(qiáng)度相對(duì)較低，力學(xué)性能較相同單位體積纖維含量的機(jī)織三維角連鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材差。

2.2 機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

單位體積纖維含量不變(以55.37%的單位體積纖維含量為例)、層數(shù)不同的機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同層數(shù)機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：在單位體積纖維含量不變的前提下，隨著機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)的增加，復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度、彈性模量與抗沖擊強(qiáng)度均增加。其原因包含兩個(gè)方面：一方面，復(fù)合板材中機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)越多，織物層間產(chǎn)生的空隙就越多，樹脂進(jìn)入織物層間空隙后復(fù)合板材的厚度增加，導(dǎo)致復(fù)合板材的力學(xué)性能提高；另一方面，隨著機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)的增加，織物格柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，樹脂可充分浸入織物內(nèi)部，復(fù)合板材強(qiáng)度弱環(huán)減小。

3 結(jié)論

本文通過真空輔助成型工藝，將采用滌綸線織造的機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物與樹脂復(fù)合，制備機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物復(fù)合板材，通過對(duì)不同單位體積纖維含量和不同層數(shù)的復(fù)合板材的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析，得出如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)復(fù)合板材單位體積纖維含量在55.37%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、彈性模量與抗沖擊強(qiáng)度均達(dá)最佳，遠(yuǎn)高于由散亂纖維作為增強(qiáng)材料制備的復(fù)合板材。

(2) 當(dāng)復(fù)合板材單位體積纖維含量不變時(shí)，隨著機(jī)織三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物層數(shù)的增加，復(fù)合板材的力學(xué)性能提高。