三維管狀編織復合材料的彎曲性能研究*

曹海建 陳紅霞 黃曉梅

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

三維管狀編織復合材料的彎曲性能研究*

曹海建1陳紅霞2黃曉梅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

以1 200 tex的E型玻璃纖維為原料，采用3DB-J100-8型模塊化組合三維編織平臺制備三維四向、三維五向管狀編織物；以E51環氧樹脂、H023聚醚胺組成樹脂基體，與上述編織物復合制成三維管狀編織復合材料；利用Instron 3385H型萬能材料試驗機測試并觀察材料的彎曲性能，研究編織結構、編織角等結構參數對三維管狀編織復合材料彎曲性能的影響規律。結果表明：三維管狀編織復合材料破壞特性均表現為明顯的脆性破壞；三維五向管狀編織復合材料的抗彎性能明顯好于三維四向管狀編織復合材料；三維管狀編織復合材料的彎曲性能均隨編織角的增大而增加。

三維管狀編織物，編織復合材料，編織結構，編織角，彎曲性能

三維管狀編織復合材料是三維編織復合材料的一個分支，具有整體性、可設計性及輕質等優點，在航天航空、體育休閑、交通運輸等領域應用廣泛[1-3]。按照編織紗和軸紗的編織規律，三維編織復合材料可分為三維四向、三維五向和三維全五向等編織結構。其中，三維五向編織結構主要是通過在三維四向編織結構的空隙間沿軸向添加部分軸紗來實現的，這種結構可使編織復合材料的纖維體積含量和軸向力學性能得到很大程度的提高，使編織復合材料作為主承力結構件成為可能[4-5]。

陳利等[6]研究了三維五向編織結構材料的縱向拉伸和壓縮性能，研究結果表明材料的拉伸模量和壓縮模量比較接近，但拉伸強度遠大于壓縮強度；劉謙等[7]制備了三維編織復合材料，也研究了材料的彎曲和壓縮性能，發現材料的壓縮和彎曲性能與纖維和基體的界面性能關系密切；CHEN[8]、皮秀標[9]等建立了三維四向、三維五向等編織復合材料的單胞模型，并對復合材料的微觀結構進行了研究；劉振國[10]提出可通過在三維四向編織結構的所有編織空隙中沿軸向添加軸紗來制備三維全五向編織復合材料，最大程度地提高編織復合材料的纖維體積含量和軸向力學性能。

本文以E型玻璃纖維為原料，采用3DB-J100-8型模塊化組合三維編織平臺制備三維四向、三維五向管狀編織物，并與樹脂基體進行復合，制成三維管狀編織復合材料；再利用Instron 3385H型萬能材料試驗機測試三維管狀編織復合材料的彎曲性能，重點分析編織結構、編織角等結構參數對三維管狀編織復合材料彎曲性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料與儀器設備

原材料：E型玻璃纖維，1 200 tex ，山東泰山玻璃纖維有限公司提供；環氧樹脂E51、聚醚胺H023，無錫仁澤化工有限公司提供；脫模劑XTEND807，北京科拉斯科技有限公司提供。

儀器設備：3DB-J100-8型模塊化組合三維編織平臺，北京柏瑞鼎科技有限公司提供；Instron 3385H型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司提供；RTM注射系統，法國Isojet公司提供；JA2003型電子精密天平，上海菁海儀器有限公司提供；101A -4S型電熱鼓風干燥箱，南京沃環科技實業有限公司提供；S212型恒速攪拌器，上海申順生物科技有限公司提供。

1.2 三維管狀編織復合材料的制備

三維管狀編織復合材料的制備工藝：

(1) 三維管狀編織物的預處理。將三維管狀編織物置于烘箱中加熱烘干，待干燥后取出稱重，備用。

(2) 模具表面清潔處理。利用浸有醋酸乙酯的潔凈布擦試模具表面，去除模具表面殘留的脫模劑和油污等雜質，并晾干。

(3) 置入模具。將三維管狀編織物放置于模具中，并一起放入烘箱預熱30 min，烘箱溫度設置為40 ℃。

(4) 復合成型。采用真空輔助成型工藝，將配制好的樹脂基體注入模具，待注塑完畢后切斷樹脂流動通道，密封模具的注塑口和樹脂回流口。

(5) 三維管狀編織復合材料的制備。樹脂注入完成后，在烘箱中對浸漬有樹脂基體的三維管狀編織物進行加熱固化，固化溫度設置為80 ℃、時間為3 h；固化完成后取出模具，待模具冷卻后脫模即得三維管狀編織復合材料。

1.3 測試標準

三維管狀編織復合材料的彎曲性能測試參考GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》[11]。

三維管狀編織復合材料試件測試示意如圖1所示，其長度L為120 mm、外徑h為28 mm、內徑tf為24 mm、跨距l為90 mm，測試加載速度為2 mm/min。

圖1 三點彎曲示意

1.3.1 彎曲強度

三維管狀編織復合材料的彎曲強度可按式(1)進行計算：

(1)

式中：σf——彎曲強度，MPa；

P——彎曲破壞載荷，N。

1.3.2 彎曲彈性模量

三維管狀編織復合材料的彎曲彈性模量可按式(2)進行計算：

(2)

式中：Ef——彎曲彈性模量，MPa；

ΔP——彎曲載荷-位移曲線上初始直線段的載荷增量，N；

b——試樣寬度，mm；

ΔS——與載荷增量ΔP對應的跨距中點處的位移增量，mm。

三維管狀編織復合材料試件的結構參數與彎曲性能測試結果歸納于表1。所得試件的彎曲載荷-位移曲線如圖2所示，彎曲破壞形貌以3#試件為例(圖3)。

表1 三維管狀編織復合材料試件的結構參數與彎曲性能測試結果

試件編號編織角α/(°)纖維體積含量/%彎曲強度/MPa彎曲彈性模量/MPa1#(三維四向)4247199.72579.382#(三維四向)4549208.55594.473#(三維五向)4247210.76613.844#(三維五向)4549239.45617.12

注：每組試件的彎曲強度、彎曲彈性模量均取5組有效數據的平均值作為最終值

圖2 試件的彎曲載荷-位移曲線

圖3 3#試件的彎曲破壞形貌

2 結果與分析

2.1 彎曲特性

由圖2和圖3可知：

(1) 三維管狀編織復合材料試件無論是三維四向還是三維五向，彎曲性能變化趨勢都相似，均表現為明顯的脆性破壞方式；同時，承受彎曲載荷時，三維管狀編織復合材料的上表面表現為壓縮破壞、下表面表現為拉伸破壞。

(2) 三維管狀編織復合材料試件在彎曲測試剛開始時，表面變化并不明顯，材料彎曲抵抗載荷隨著位移的增加而線性增加；隨著測試的繼續進行，彎曲載荷進一步增加，材料發出脆裂聲，樹脂基體裂紋逐漸增加，上表面部分纖維被壓斷；接著，當彎曲載荷繼續增加直至最大時，材料被壓扁，且上下表面纖維大量斷裂，樹脂基體碎裂，材料被破壞(圖3)；最后，彎曲載荷急劇下降，材料徹底被破壞。

2.2 彎曲性能

所得三維管狀編織復合材料試件彎曲性能如圖4、圖5所示，可知：

(1) 三維五向管狀編織復合材料試件(即3#和4#)的彎曲性能(彎曲強度、彎曲彈性模量)均明顯優于三維四向結構(即1#和2#)。這是因為三維五向管狀編織結構中有軸紗加入，材料的抗彎能力明顯增強。

(2) 三維四向、三維五向管狀編織復合材料的彎曲性能均隨著編織角的增大而增加。這是因為編織角的增加會導致材料中纖維體積含量增加，進而明顯增強材料的彎曲性能，故而表現為材料的彎曲性能(彎曲強度、彎曲彈性模量)隨編織角的增大而增加。

圖4 編織角對試件彎曲強度的影響

圖5 編織角對試件彎曲模量的影響

3 結論

(1) 三維四向、三維五向管狀編織復合材料的破壞特性均表現為明顯的脆性破壞，破壞形式主要表現為纖維斷裂、樹脂基體碎裂等；

(2) 三維五向管狀編織復合材料的抗彎性能明顯好于三維四向管狀編織復合材料。

(3) 三維管狀編織復合材料的彎曲強度、彎曲彈性模量均隨編織角的增大而增加。

[1] 張美忠,李賀軍,李克智.三維編織復合材料的力學性能研究現狀[J].材料工程,2004(2):44-48.

[2] 劉謙,李嘉祿,李學明.三維編織工藝參數對復合材料拉伸性能的影響[J].宇航材料工藝,2000,30(1):55-58.

[3] 李學明,李嘉祿,王崢.三維五向編織結構對復合材料性能的影響[J].天津紡織工學院學報,1997,16(5):7-12.

[4] 李嘉祿,楊紅娜,寇長河.三維編織復合材料的疲勞性能[J].復合材料學報,2005,22(4):172-176.

[5] WU D L. Three-cell model and 5D braided structural composites[J]. Composites Science and Technology, 1996,56(3):225-233.

[6] 陳利,梁子清,馬振杰,等.三維五向編織復合材料縱向性能的實驗研究[J].材料工程,2005(8):3-6.

[7] 劉謙,李嘉祿,李學明.三維編織復合材料的彎曲和壓縮性能探討研究[J].材料工程,2000(8):3-6.

[8] CHEN L, TAO X M, CHOY C L. On the microstructure of three-dimensional braided preforms[J]. Composites Science & Technology, 1999,59(3):391-405.

[9] 皮秀標,錢坤,曹海建,等.三維全五向編織復合材料的細觀結構分析[J].宇航材料工藝,2011,41(6):39-43.

[10] 劉振國.三維全五向編織預型件的概念[J].材料工程,2008(S1):305-312.

[11] 全國纖維增強塑料標準化技術委員會,中國標準出版社第五編輯室主編.纖維增強塑料(玻璃鋼)標準匯編[M].2版.北京:中國標準出版社,2006：371-376.

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Study on flexural properties of three-dimensional tubular braided composites

CaoHaijian1,ChenHongxia2,HuangXiaomei1

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

E-glass fibers (1 200 tex) were used as raw materials to prepare three-dimensional four-direction (3D4D) and three-dimensional five-direction (3D5D) tubular braided fabrics on the 3DB-J100-8 modular three-dimensional braided machine. Resin matrix composed of epoxy resin E51 and polyethenoxyamines H023 was combined with above three-dimensional tubular braided fabrics to prepare three-dimensional tubular braided composites (3D composites). Flexural properties of the 3D composites were tested by the Instron 3385H universal material testing machine, and the influence rule of braided structure and braided angles on flexural properties were studied. The results showed that destruction characterization of the 3D composites appeared obviously brittle facture, bending resistance of the 3D5D composites were obviously better than that of the 3D4D ones, and flexural properties of the 3D composites increased with the increase of braided angles.

three-dimensional tubular braided fabric, braided composite, braided structure, braided angle, flexural property

*江蘇省政策引導類計劃(BY2016053-02)、江蘇省高校自然科學研究重大項目(16KJA430009)、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)

2016-09-26

曹海建，男，1979年生，副教授，研究方向為輕量化復合材料的開發與應用

陳紅霞，E-mail:chenhx@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)11-0010-04