超高分子量聚乙烯纖維增強中空蜂窩模壓復合材料性能研究

張志穎， 王亦秋， 眭建華

(1. 江蘇省紡織產品質量監督檢驗研究院， 江蘇 南京 210007； 2.南通市纖維檢驗所， 江蘇 南通 226009； 3.蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 4.紡織行業天然染料重點實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)具有伸長性好、質量輕(密度0.97 g/cm3)、抗彎折性能優良、便于運輸安裝等優點[1-3]，因此以其為增強體的復合材料在航空航天、船舶汽車、建筑倉儲等領域具有廣泛應用[4-6]。但是由于UHMWPE的組分占比較小，復合板材的輕質優勢并不突出，如孫穎[7]等研究發現了5種芳綸/UHMWPE纖維混雜復合材料層板的抗沖擊性能均高于單一纖維材料層板，但因UHMWPE纖維含量占比僅為整體材料的20%，各混雜層板密度均遠高于水的密度。為此探索高強度下的中空結構仍是切實有效的研究方向，如蘭青山[8]等指出封閉的六角等邊蜂窩結構能以最少的材料獲得最大的受力，并提出將新型纖維-紙蜂窩夾芯結構復合材料應用于汽車領域。王俊[9]等總結了熱塑性蜂窩夾芯結構復合板具有質量輕、硬度高、抗沖擊力強、環保性好等優點，合理應用有利于減輕汽車質量、提高乘坐的安全性和舒適性。在此基礎上，本文嘗試采用多層角聯鎖結構織造、中空菱形模壓成型技術研制幾種UHMWPE增強環氧樹脂蜂窩狀復合板，并探討中空蜂窩模壓復合板材重要性能，以期為航空航天、船舶汽車、建筑倉儲等領域提供輕質、高強復合板材提供參考。

1 蜂窩復合板制備

1.1 “三合一”結構設計

復合板結構如圖1所示，由2塊面板和1塊中空板組成一個“三合一”結構。面板和中空板均采用UHMWPE短纖維紗的機織物為增強體，熱固性環氧樹脂為基材。中空板采用多層角聯鎖一體結構織物，復合時模壓制成正菱形孔構成的蜂窩狀，如圖1(a)所示。1個菱形單元孔如圖1(b)所示，設定參數開口角度θ、蜂窩壁的長度lf、蜂窩壁的厚度tf，孔結構單元高度h為2lfsinθ[10]。設計lf為0.5 cm。面板采用多個單層結構織物疊層或1個多層接結結構織物。

圖1 中空復合板設計圖Fig.1 Design of hollow composite board. (a) Composite board structure; (b) Diamond cell structure

1.2 多層角聯鎖結構的高密度織造

中空板織物采用多組經紗分別與緯紗交織成層后交替換層的多層角聯鎖結構。圖2示出6組經紗的分層交織、交替換層結構示意圖，1個全交換循環需經過12次換層，各組經紗在第Ⅰ至第Ⅻ各區段分別所處的層次位置(由上向下排序)如表1所示。由成孔交織原理可知，每1層孔需要2組經紗，n層孔配置2n組經紗，經過4n次交替換層完成一個循環，層孔結構的分布為n孔與n-1孔一隔一特征，因此可以用2nL[n+(n-1)]形式表示這種織物的類型，n、n-1為層孔結構，2n為經紗組數(L表示層)。

圖2 6L(3+2)角聯鎖結構織物示意圖Fig.2 Schematic diagram of 6L (3+2) interlocking structure fabric

表1 6L(3+2)型組織層次配置Tab.1 6L (3+2) organization hierarchy configuration

采用江陰市通源紡機有限公司GA193-600型全自動單紗整經機整經，整經長度3.6 m，幅寬20 cm；采用SGA598型全自動劍桿織樣機，試制了2L(1+0)型(單孔型)、4L(2+1)型、6L(3+2)型3種多層聯鎖織物，經緯紗線均采用2合股448.5 dtex UHMWPE短纖維紗(儀征金鷹紡織有限公司提供)，基礎組織為平紋，單層經、緯密均為120根/(10 cm)，單層總緊度E值達到66.22%[11]。

以6L(3+2)結構為例，實際經、緯密均為720根/(10 cm)。根據設計單元菱形孔內邊長5 mm，考慮單層織物厚度影響，將各組經紗在同一層內持續織造長度設計為6.5 mm，單層持續織入的緯紗根數為12×0.65，取8根，換層前6層持續織入的緯紗數為48根，因此一個織造循環的緯紗數為48×12=576根。每組經紗配2片綜共12片綜，分區穿綜。分別采用4號筘(特制)18穿入、6號筘(特制)12穿入、8號筘9穿入及12號筘6穿入試織。實驗發現6號筘12穿入較為適宜。高筘號低穿入容易出現打緯卡滯現象，不利于織機自動生產；低筘號多穿入便于打緯，但經紗間易糾纏。織成的織物如圖3所示，下機后靜置24 h，測得織物平均寬度為19.2 cm。

圖3 6L(3+2)角聯鎖結構織物制備Fig.3 Fabrication of 6L (3+2) interlocking fabric

1.3 插入芯棒的模壓復合成型

1)將織物樣品置于丙酮溶液中充分浸潤后洗凈，烘箱70 ℃烘干1 h；制備若干截面邊長5 mm，長度21 cm的正方形鋼條，在其表面涂覆分離油劑作為芯棒；制備2塊厚0.5 mm、長21 cm、寬13 cm的錳鋼板，沿寬度方向每隔6.5 mm沖壓成90°折線形，用作承壓板和施壓板；選用南亞電子材料(昆山)有限公司的超清水晶滴膠AB型熱固性環氧樹脂作為基體，按樹脂與固化劑質量比3:1配制混合液。

2)將織物樣品置于混合液中，使混合液充分滲透到織物的每一層，然后取出，將芯棒快速插入織物孔中，調整角度，使之呈正菱形扦插，將承壓板置于水平實驗平臺上，如圖4(a)所示。將扦插芯棒的織物置于承壓板上方，注意芯棒撐起的直角部分與承壓板凹槽對位卡進，同樣方式在織物上方放置施壓板。在施壓板上方放置一塊鋼板，再用40 kg重力砝碼加壓。加壓時間10 h以上。

3)撤除承壓板和施壓板，抽出芯棒，用烘箱70 ℃烘干樣品10 h以上。制成的3種結構中空蜂窩復合板實物圖如圖4(b)所示。

圖4 中空蜂窩復合板制備Fig.4 Preparation of hollow honeycomb composite board. (a) Compression molding; (b) Real objects

1.4 樣品制備

采用2合股448.5 dtex的UHMWPE短纖維紗作經緯、平紋組織、經緯密均為120根/(10 cm)的4塊單層織物鋪疊在一起，用真空吸液法制成面板。將2塊面板與中空蜂窩復合板黏接組合成“三合一”結構。將“三合一”復合體切割制成長5 cm、寬1 cm左右的長方條樣品，邊部磨平，用于測試。

2 實驗部分

2.1 復合板結構分析

計算UHMWPE單層織物的面密度m。測取樣品長度a、寬度b、厚度H、面板厚度h、中空板單層厚度tf，單位mm。稱取中空板質量G1、面板質量(上下2塊)G2，5個樣品取平均值。

按式(1)～(3)計算中空板總長度Ln、面積S1與面板面積S2。

(1)

S1=Ln×b

(2)

S2=a×b

(3)

式中：n為菱形單元孔孔數，以6L(3+2)型復合板為例，n為3；θ為菱形單元孔開口角度，為45°。

按下式分別計算中空板實體體積V1、面板體積V2和“三合一”復合體體積V。

V1=Ln×b×tf

(4)

V2=a×b×h

(5)

V=a×b×H

(6)

分別計算中空板、面板和“三合一”復合體密度p1、p2和P，并分別求得對應的變異系數CV1、CV2和CV。

(7)

(8)

(9)

計算復合板材在“三合一”復合體中的體積占比：

(10)

分別計算中空板和上下面板中UHMWPE纖維的質量：

G1U=mS1

(11)

G2U=8mS2

(12)

再計算UHMWPE纖維在“三合一”復合體中的質量分數：

(13)

2.2 力學性能測試

使用INSTRON-3365雙臂萬能材料試驗機進行力學性能測試。

參照GB/T 1452—2018《夾層結構平拉強度試驗方法》，加載速度為2 mm/min，均勻連續加載至破壞載荷的30%，記錄平拉強度σ，分析平拉強度應力-應變關系。測試5個樣品，編號為1#～5#。

參照GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能測試方法》，加載速度為2 mm/min，壓縮至破壞載荷的30%。記錄壓縮強度記為φ。分析平壓強度應力-應變關系。測試5個樣品，編號為1*～5*。

參照GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》，加載速度為5 mm/min，分級加載至破壞載荷的30%。記錄彎曲載荷F，分析彎曲載荷-位移關系。測試5個樣品，編號為1&～5&。

3 結果與分析

3.1 復合材料基本性能

實驗測得UHMWPE單層織物面密度m為215.3 g/m2。3種類型的復合板結構指標測試、計算結果如表2所示。

表2 復合板結構指標測試結果Tab.2 Calculation results of structural parameters of three types of hollow composite panels

從表2中P、CV值結果可以看出：2L(1+0)、4L(2+1)、6L(3+2)3種復合板殼體的密度都遠小于水的密度(1 g/cm3)，證實了制備中空蜂窩型復合板可以有效減輕質量，且隨著中空層數增加，P值逐漸減小，6L(3+2)型達到了0.48 g/cm3。

從表2中P1、CV1、P2、CV2值結果可以看出：各類面板實體密度總是大于中空板實體密度，且中空板CV值偏大，離散程度較大，分析原因為面板中纖維層被壓實，而中空芯板的樹脂涂覆不均勻，使得纖維間存在大量空氣，且結構越復雜，環氧樹脂越難以完全滲透。

從表2中σV值結果可以看出：2L(1+0)、4L(2+1)、6L(3+2)3種板型復合板的實體體積占比依次減小，分別為55.92%、45.29%、43.97%，證實了多層聯鎖織物結構及菱形蜂窩單元組成的“三合一”復合板結構可以有效增加殼體中的空氣體積占比，使得殼體在不改變其他參數的情況下，單位體積質量減小。

從表2中TgU值結果可以看出：4L(2+1)型復合板UHMWPE纖維在殼體中的質量分數(TgU)為29.78%，6L(3+2)型復合板的TgU為32.46%，說明在制備4L(2+1)復合板實驗中采用了在重點區域如各層交界處細微涂覆處理的辦法，使滲透效果更好。

3.2 力學性能分析

3.2.1 平拉性能

實驗得到3種類型各5個復合板試樣的平拉性能測試曲線如圖5所示。其中2L(1+0)型復合板平拉強度最低(0.33 MPa)；6L(3+2)型復合板平拉強度最高(1.19 MPa)。4L(2+1)型復合板平拉強度達1.04 MPa，僅比6L(3+2)型低0.15 MPa，且5個試樣中的有效樣品數多于6L(3+2)型復合板，制成率高，因此4L(2+1)型復合板更具有生產價值，3種類型平拉曲線圖中均出現波動，分析認為是由于增強體的基布緊度不夠、環氧樹脂的涂覆不勻引起的。

圖5 3類中空復合板平拉性能關系曲線Fig.5 Flat tensile properties of three types of hollow composite panels. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

實驗結果記錄4L(2+1)型復合板試樣1、2及6L(3+2)型復合板試樣3的破壞失效模式均為芯材破壞，且圖中4L(2+1)型復合板試樣1、2在應變20%處及6L(3+2)型復合板試樣3在應變7%處，曲線均存在瞬時下降的拐點，即中空板部分的菱形蜂窩發生“提前斷裂”，分析為環氧樹脂滲透不勻引起坍塌，由此得出在復合板的制作過程中，中空板部分的菱形蜂窩交叉點的制作顯得尤為重要。

3.2.2 平壓性能

實驗得到3種類型各5個復合板試樣的平壓性能測試曲線如圖6所示，在應變30%處，3種復合板所能承受的破壞載荷最大值依次可達到0.20、0.71、1.03 MPa，可以判定隨著菱形層數的增加，中空板芯材的高度增加，力矩變大，其支撐載荷作用越大，亦即復合板層數越多，平壓性能越好。

圖6 3類中空復合板平壓性能關系曲線Fig.6 Flat pressure performance of three types of hollow composite panels. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

在2L(1+0)單孔型復合板平壓曲線圖上先后出現了明顯的彈性變形(I)、塑性變形(II)和整體壓實(III)階段；而4L(2+1)型復合板未出現明顯的塑性變形和壓實階段，6L(3+2)型復合板只有部分樣品出現塑性變形。說明隨著復合板層數增加，其所能承受的壓力增加，且由于分壓使得蜂窩結構更加穩定，當菱形孔被壓實后，板材能繼續承受一定的載荷。但復合板層數不宜過多，否則會導致塑性變形階段提前到來[12]。

3.2.3 彎曲性能

實驗得到3種類型各5個復合板試樣的彎曲性能測試曲線如圖7所示，其彎曲最大載荷值峰值呈依次上升趨勢：分別為434、773、1 071 N，位移也依次增加。觀察到4L(2+1)型復合板多數試樣的最大彎曲破壞載荷值在621～773 N之間、而6L(3+2)型復合板多數試樣的最大彎曲破壞載荷值在779～880 N之間，二者相差較2L(1+0)型與4L(2+1)型復合板的差距小得多，可以得出復合板層數越多，最大破壞載荷值越大，彎曲位移也越多，但隨著層數增加即大于或等于6L時，抗彎曲性能改善不明顯。

圖7 3類中空復合板位移-最大載荷值關系曲線Fig.7 Curve of displacement-maximum load value of three types of hollow composite plate. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

觀察6L(3+2)型復合板彎曲曲線可以看出：在3.5 mm位移之前，彎曲載荷相對于試樣彎曲撓度呈線性關系增加；在3.5 mm位移之后，隨著試樣彎曲撓度的進一步增加，試樣彎曲剛度減小，彎曲載荷與撓度呈現非線性關系。當彎曲載荷達到最大值時，推測蜂窩芯體發生坍塌破壞[13-14]。

4 結 論

1)采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)短纖維紗作多組經紗分別與緯紗交織，通過單孔菱形邊長控制交替換層循環，制成UHMWPE多層角聯鎖結構機織物，并將其作為增強體與熱固性環氧樹脂結合，采用真空吸液法制成面板與模壓成型法制成蜂窩芯體可以復合成質量輕、強度高的“三合一”結構式菱形蜂窩狀中空復合板。

2)制備的3種復合板(2L單孔型、4L(2+1)型、6L(3+2)型)密度都遠小于水，分別為0.59、0.55、0.48 g/cm3，且平拉、平壓強度、彎曲性能隨層數的增加呈遞增關系，但受環氧樹脂占比影響，環氧樹脂占比越多，滲透性越差，對于強度的提高越不利，但總體取決于層數數量。

3)增強體的基布緊度不夠、環氧樹脂的涂覆不勻會導致復合板平拉性能不穩定或“提前斷裂”，尤其是在制作中，中空芯體部分的菱形蜂窩交叉點處環氧樹脂滲透不勻會引起蜂窩的提前坍塌；在制作面板時對平紋布樣涂覆的環氧樹脂混合液不均勻會導致復合板中參雜空氣，影響復合板力學性能。

4)在平壓測試過程中，2L(1+0)型復合板經過了彈性變形、塑性變形和整體壓實階段，6L(3+2)型復合板所能承受的破壞載荷最大值可達到1.03 MPa，制備的復合板層數越多，平壓性能越好，結構更加穩定，但復合板層數不宜過多，否則會導致塑性變形階段提前到來。

5)制備的4L(2+1)型復合板最大彎曲破壞載荷值在621～773 N之間、6L(3+2)型復合板最大彎曲破壞載荷值在779～880 N之間，二者相差較小，即當復合板層數大于或等于6L時，隨著層數的增加，對復合板彎曲性能的改善并不明顯。