織物表面組織結構對經編間隔織物增強環氧樹脂復合材料的沖擊性能的影響

陳靜蔚+李棟+陳明濤

摘要：通過將經編間隔織物與環氧樹脂復合，制備了4種經編間隔織物增強樹脂基復合材料試樣。對復合材料進行了沖擊試驗，探討了織物表面組織結構對復合材料沖擊和能量吸收性能的影響，以期為不同應用條件下選擇合適的織物結構參數提供依據。

關鍵詞：經編間隔織物；環氧樹脂；沖擊性能；

引言

間隔織物以其獨特的三維結構、高強度和組織結構變化多樣性等優點，被廣泛地作為增強體材料使用[1-4]。關于間隔織物增強復合材料的沖擊性能已有不少研究。研究表明間隔織物的表面組織結構是影響復合材料抗沖擊性能的重要因素。一般而言，表面組織網孔越大，復合材料的抗沖擊性能越好，但是網孔過大的表面組織，使間隔絲更多的暴露在外，這樣就增加了間隔絲受到損傷的幾率，從而降低了復合材料的抗沖擊性能。

要提高復合材料的抗沖擊性能，需選用編織較為緊密的織物表面組織結構[5]。本文將經編間隔織物與環氧樹脂進行復合，得到一種新型的經編間隔織物增強復合材料。通過沖擊試驗和分析，探討不同織物表面組織和沖擊速度對復合材料沖擊及能量吸收性能的影響，以期為不同應用條件下選擇合適的織物結構參數提供依據。

1 試樣的制備與結構

1.1經編間隔織物的結構及參數

本文選取了4種具有不同織物表面組織結構不同的經編間隔織物。間隔織物的結構參數如表1所示。所選經編間隔織物均在機號為E18的拉舍爾雙針床經編機上織造。

注：原料中的A和B分別代表33.3tex/96fPET復絲和PET單絲

1.2經編間隔織物復合材料的成型工藝

當前聚合物基復合材料成型的方法主要有：手糊成型法、模壓成型法、纏繞成型法、RTM成型法等。不同的增強體材料結構，不同的基體材料性能，所采用的成型方法也不盡相同。經編間隔織物與傳統的增強體材料相比，其面密度比二維機織及編織結構的面密度要小，樹脂基體材料比較容易浸潤。且織物在抽真空狀態下不易變形，操作簡單方便，精度高，故采用RTM成型法來制備經編間隔織物增強復合材料的試樣。

2實驗儀器及方法

沖擊測試采用INPWSFCTRON公司生產的Dynatup 9250HV型落錘沖擊儀。參考的測試標準為國標GB/T8171-2008（緩沖材料沖擊測試標準）。Dynatup 9250HV型落錘沖擊儀可以對3個參數（落錘高度、沖擊初速度和沖擊能量）中任意一個參數進行設定，當其中一個參數值設定后，其他的兩個參數值由系統自動生成。本實驗采取沖擊初速度設定法，對4種復合材料進行了沖擊初速度為2m/s的沖擊測試。

3 間隔織物表面組織對復合材料沖擊性能的影響

試樣PWSFC1為純樹脂，PWSFC2、PWSFC3和PWSFC4的織物表面組織分別、編鏈、菱形網孔和六角形網孔，試樣PWSFC1、PWSFC2、PWSFC3和PWSFC4在2m/s沖擊速度下的沖擊力-位移及能量-時間曲線如圖1（a）和（b）所示。

（a）沖擊力-位移曲線

（b）沖擊能量-時間曲線

從圖1（a）中可以看出，試樣沖擊力峰值的大小順序為：PWSFC2> PWSFC4>PWSFC3>PWSFC1，具體來說，表面為編鏈的復合材料試樣具有最大的沖擊力峰值，而表面為純樹脂的復合材料試樣具有最小的沖擊力峰值。織物表面為網孔組織的試樣的沖擊力峰值介于兩者之間，且表面為六角形網孔的復合材料試樣的沖擊力峰值值大于表面為菱形網孔的復合材料試樣。而從圖1（b）可得，4種試樣能量吸收量的大小順序為：EaPWSFC3>EaPWSFC4>EaPWSFC2>EaPWSFC1，符合能量吸收越多，沖擊力峰值越小的規律。而PWSFC1為純樹脂，能量吸收最少。

從圖1（a）可得，在相同的沖擊能量下，試樣PWSFC2率先達到沖擊力的峰值，這說明試樣PWSFC2更容易被“壓實”進入密實區域。織物的表面組織結構對間隔絲的端部約束情況和排列分布有明顯的影響。間隔絲綁套在織物表面組織的線圈中，在表面組織有網孔的試樣中，相互擠壓的線圈增加了間隔絲端部的約束力，從而增加了間隔絲的臨界力值[7]。間隔絲臨界力越大的織物，用其制備得到的復合材料的緩沖效果越好。

4結語

經編間隔織物的結構參數對復合材料的能量吸收性能有明顯的影響。其中表面網孔較少的復合材料，在小應力值條件下具有較高的能量吸收率。反之，表面組織較大的復合材料更適合在大應力條件下作為能量吸收材料使用。因此，在實際的工程應用中，可以通過調整織物結構參數和沖擊速度的方法來獲得不同能量吸收性能的復合材料，以滿足不同的應用需求。

參考文獻

[1]LU QS， SUN LH， YANGZG. Optimization on the thermal and tensile influencing factors of polyurethane-matrix polyester fabric composites [J]. Composites Part A， 2010， 41（8）：997-1005

[2]GUO XF， LONG HR. Theoretical modeling of Spacer yarn arrangement for warp-knitted Spacer fabrics and experimental verification[J]. Textile Research Journal， 2013， 83（14）：1467-1476

[3]LIU WJ， SUN BZ， HU H，et al. Compressive behavior of Spacer weft knitted fabric reinforced composite at various Strain rates [J]. Polymer Composites， 2007， 28（2）：224-232

[4]VELOSA J C， RANA S， FANGUEIRO R. Mechanical behavior of novel Sandwich composite panels based on 3D-knitted Spacer fabrics[J] Reinforced Plastics and Composites， 2011， 31（2）：95-105.

[5]LIU YP， HU H. Compression behavior of warp-knitted Spacer fabrics forcushioning applications[J].Textile Research Journal， 2011，82（1）：11-20.

[6]朱波.整體中空夾層復合材料低速沖擊性能及剩余強度研究 [D]. 南京：南京航天航空大學航空宇航學院，2010：8-13.

[7]吳德隆，沈懷榮.紡織結構復合材料的力學性能 [M]. 長沙：國防科技大學出版社，1998：83-89.endprint