三維間隔織物復合材料彎曲性能研究*

沈浩清 曹海建 黃曉梅 陳紅霞 劉 洋

1. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019;2. 南通大學分析測試中心，江蘇 南通 226019

三維間隔織物復合材料彎曲性能研究*

沈浩清1曹海建1黃曉梅1陳紅霞2劉 洋1

1. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019;2. 南通大學分析測試中心，江蘇 南通 226019

將樹脂基體與三維間隔織物進行復合制成三維間隔織物復合材料。利用Instron 5969H型萬能材料試驗機對不同間隔高度的三維間隔織物復合材料進行彎曲性能測試，重點分析間隔高度與其彎曲性能的相關性。結果表明：三維間隔織物復合材料的彎曲性能與間隔高度呈負相關；三維間隔織物復合材料的緯向彎曲性能明顯好于經向。

三維間隔織物復合材料，環氧樹脂，固化劑，彎曲性能，間隔高度

以玻璃纖維、環氧樹脂為原料制成的三維間隔織物復合材料具有質輕、高強、高模、抗沖擊、耐腐蝕、隔聲、隔熱等特性，可作為蜂窩、泡沫等夾層結構材料的替代品，在交通、汽車、建筑、船舶等領域已得到廣泛的應用[1]。

三維間隔織物復合材料最早由荷蘭Parabeam公司于20世紀90年代末研發成功并產業化。目前，國內外學者對該結構材料已進行了許多研究。比利時魯汶大學最早開展了相關研究，開發出類似的織物增強體，并進行了部分性能對比試驗及數值模擬研究[2-4]；曹海建等[5]對三維間隔織物復合材料進行了低速沖擊性能測試，研究結果表明低速沖擊過程中的初始損傷能量可用來表征材料的破壞程度，鋁蒙皮有利于增強材料的抗低速沖擊性能；王紹凱等[6]研究了芯材間距與三維間隔織物復合材料力學性能之間的相關性；PARK等[7]研究了不同芯材高度對三維間隔織物復合材料低速沖擊性能的影響規律；HOSUR等[8]研究了三維間隔織物復合材料的復合工藝，重點分析了面板材質與材料低速沖擊性能的相關性；LI等[9]研究了芯材密度和芯材結構對三維間隔織物復合材料力學性能的影響。

本文擬采用手糊成型工藝分別制備間隔高度為5和10 mm的三維間隔織物復合材料，研究三維間隔織物復合材料的彎曲特性和彎曲性能，重點分析間隔高度對彎曲性能的影響。

1 復合材料制備

1.1 原料與設備

三維間隔織物：纖維原料為1 200 tex的無堿玻纖紗，織物間隔高度為5和10 mm，由南京玻璃纖維研究設計院提供。

樹脂基體：由環氧樹脂E51(南通星辰合成材料有限公司)與固化劑H023(無錫仁澤化工產品有限公司)按 4.0︰1.0 的質量比配制并經充分攪拌而成。另外，試驗根據樹脂基體與三維間隔織物1.2︰1.0的質量比來確定樹脂基體的用量。

主要設備： Instron 5969H型萬能材料試驗機(美國Instron公司)、101A-4S型電熱鼓風干燥箱(南京沃爾科技有限公司)等。

1.2 復合成型工藝

三維間隔織物復合材料成型工藝：

第一步，將30 cm×30 cm的玻璃板水平放置于桌面上，并在玻璃板上方蓋上33 cm×33 cm的聚酰亞胺薄膜，如圖1(a)所示；

第二步，將調配好的樹脂基體的1/5傾倒于聚酰亞胺薄膜上表面，并利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻，如圖1(b)所示；

第三步，在聚酰亞胺薄膜上表面放置三維間隔織物，并將剩余的4/5的樹脂基體傾倒于三維間隔織物上表面，再利用玻璃棒將樹脂基體涂抹均勻，如圖1(c)所示；

第四步，在三維間隔織物的4個角放置等同于織物高度的鐵制墊子，并在三維間隔織物上表面蓋上同等規格的聚酰亞胺薄膜，最后再將同等規格的玻璃板覆蓋在最上方，如圖1(d)所示；

第五步，將上述涂覆好樹脂基體的三維間隔織物連同玻璃板一同放入烘箱，設置烘箱溫度75 ℃、烘干時間3 h；3 h后取出樣品，冷卻后除去玻璃板和聚酰亞胺薄膜，即得三維間隔織物復合材料，如圖1(e)所示。

圖1 三維間隔織物復合材料成型工藝

2 性能測試

參照GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能測試方法》[10]，分別制備測試用經向彎曲試樣和緯向彎曲試樣。試樣尺寸為170 mm×60 mm，彎曲跨度為130 mm，測試速度為5 mm/min。具體測試如圖2所示。

圖2 三維間隔織物復合材料彎曲性能測試

使用相機對三維間隔織物復合材料的彎曲破壞形貌進行記錄。

根據式(1)計算三維間隔織物復合材料的彎曲強度：

(1)

式中：σf——彎曲強度，MPa；

P——破壞載荷，N；

l——下夾頭跨距，mm；

b——材料寬度，mm；

h——材料厚度，mm；

tf——材料面板厚度，mm。

3 結果與分析

3.1 彎曲特性

以間隔高度為10 mm的三維間隔織物復合材料為例(圖3)，其彎曲特性：

首先，在測試的初始階段，彎曲載荷隨位移的增加而呈線性增加趨勢，此時試樣的上表面會出現發白現象，有小部分的樹脂開裂及碎屑脫落，并伴隨斷斷續續的樹脂破裂聲；

其次，隨著測試的進行，彎曲載荷逐步增大，此時試樣的上表面出現斷裂，芯材塌陷，下表面樹脂破裂，纖維也逐漸被拉斷，過程中還伴隨著較大的纖維斷裂聲；

最后，隨著測試的繼續進行，Instron 5969H型萬能材料試驗機的上壓頭與試樣上表面接觸處的纖維斷裂、樹脂破裂，試樣下表面的纖維和樹脂也陸續被破壞，彎曲應力達到最大；隨后彎曲應力急速減小，彎曲載荷-位移曲線急速下降，三維間隔織物復合材料完全被破壞[圖3(b)]。

圖3 三維間隔織物復合材料彎曲特性

3.2 彎曲性能

經測試，所得三維間隔織物復合材料的彎曲性能如圖4所示。

圖4 三維間隔織物復合材料的彎曲性能

3.2.1 間隔高度與彎曲性能的相關性

由圖4可知，三維間隔織物復合材料的彎曲強度隨著間隔高度的增加而下降。間隔高度為5 mm時，材料經向彎曲強度為31.476 MPa，緯向為38.177 MPa；間隔高度為10 mm時，材料經向彎曲強度為 8.402 MPa，緯向為14.103 MPa。這主要是由三維間隔織物的結構決定的。三維間隔織物中芯材呈“8”字形，當間隔高度較小(如5 mm)時，組成“8”字形的2根經紗在樹脂基體的作用下緊密貼合在一起，形成了1根較粗的芯柱，此時三維間隔織物復合材料彎曲強度較大；當間隔高度較大(如10 mm)時，組成“8”字形的2根經紗在樹脂基體的作用下主要呈細彎桿狀，此時芯材容易失穩，因此彎曲強度下降明顯[11]。

3.2.2 材料經緯向彎曲性能

由圖4可知，三維間隔織物復合材料緯向彎曲強度明顯大于經向。間隔高度為5 mm時，材料緯向彎曲強度為38.177 MPa，經向為31.476 MPa；間隔高度為10 mm時，材料緯向彎曲強度為14.103 MPa，經向為8.402 MPa。究其原因在于，三維間隔織物中經向紗線呈彎曲狀態、緯向紗線呈直線狀態，故三維間隔織物復合材料的緯向彎曲強度明顯大于經向[11]。

4 結論

(1) 三維間隔織物復合材料的彎曲破壞形貌主要表現為上下表面纖維斷裂、樹脂破碎、芯材塌陷等。

(2) 三維間隔織物復合材料的彎曲強度隨著間隔高度的增加而下降。

(3) 三維間隔織物復合材料的緯向彎曲強度明顯大于經向。

[1] 陳紹芳,伯燕,雷勵.間隔織物的生產與應用[J].上海紡織科技,2011,39(10):42-43.

[2] SHYR T W, PAN Y H. Low velocity impact responses of hollow core sandwich laminate and interply hybrid laminate[J]. Composite Structures, 2004, 64(2):189-198.

[3] DRECHSLER K,BRANDT J,ARENDTS F J.Integrally woven sandwich-structures[C]∥Proc ECCM-3.Bordeaux,Elsevier Applied Science,1989： 365-371.

[4] VUURE A W V, IVENS J A, VERPOEST I. Sandwich-fabric panels[C]//Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium and Exhibition, 1995:1281-1292.

[5] 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.

[6] 王紹凱,李敏,吳伯明,等.三維間隔連體織物復合材料的力學性能分析[C]//第十五屆全國復合材料學術會議論文集(下冊)，2008.

[7] PARK S J, PARK W B, LEE J R．Characterization of the impact properties of three-dimensional glass fabric-reinforced vinyl ester matrix composites[J].Journal of Materials Science, 2000, 35(24): 6151-6154.[8] HOSUR M V, ABDULLAH M, JEELANI S. Manufacturing and low-velocity impact characterization of hollow integrated core sandwich composites with hybrid face sheets[J]. Composite Structures, 2004, 65(1):103-115.

[9] LI M, WANG S K, ZHANG Z,et al. Effect of structure on the mechanical behaviors of three-dimensional spacer fabric composites[J]. Applied Composite Materials, 2009, 16(1): 1-14.

[10] 全國纖維增強塑料標準化技術委員會.纖維增強塑料拉伸性能試驗方法：GB/T 1447—2005[S].北京:中國標準出版社,2005.

[11] 高愛君,李敏,王紹凱,等.三維間隔連體織物復合材料力學性能[J].復合材料學報,2008,25(2): 87-93.

Study on bending properties of three-dimensional spacer fabric composites

ShenHaoqing1,CaoHaijian1,HuangXiaomei1,ChenHongxia2,LiuYang1

1. School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China；2. Analysis & Testing Center, Nantong University, Nantong 226019, China

The three-dimensional spacer fabric composites (3D composites) were compounded with the resin system and the three-dimensional spacer fabrics (3D fabrics). Bending properties of the 3D composites with different spacer height were tested by using the Instron 5969H universal material testing machine, and the relationship between spacer height and bending properties was emphatically analyzed. The results showed that the relationship between spacer height and bending properties was negative, and bending properties in weft direction were obviously better than those in warp.

three-dimensional spacer fabric composite, epoxy resin, curing agent, bending property, spacer height

*江蘇省政策引導類計劃(BY2016053-02)；江蘇省高校自然科學研究項目(16KJA430009、16KJB540001)；江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃(201610304027Z)；南通市應用基礎研究——工業(GY12015018)；南通大學引進人才科研啟動費項目(15R08)

2016-10-29

沈浩清，男，1994年生，在讀本科生，研究方向為紡織復合材料的開發與制備

曹海建，E-mail:caohaijian@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)11-0006-04