捆綁組織對三維正交機織復合材料拉伸性能的影響*

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

三維正交機織復合材料是一種先進的復合材料，它通常以三維正交機織物為增強體，選用樹脂、陶瓷等作為基體復合而成，其整體的增強結(jié)構(gòu)賦予了復合材料優(yōu)異的層間剪切強度和抗沖擊損傷性，以及合適的韌性和高的比強度、比模量，同時還具有質(zhì)量輕、剛度好、強度高、耐腐蝕、抗高溫等特點，在航空航天、交通運輸、汽車工業(yè)、船舶制造、體育用品、醫(yī)療衛(wèi)生等領域具有廣闊的應用前景。三維正交機織復合材料是航空航天和國防等先進技術(shù)發(fā)展的重要高性能材料，是全球關(guān)注的增強骨架材料，是目前各國紡織界已取得卓有成效的研究熱點。正是由于三維正交機織復合材料具備各種優(yōu)良的性能，近年來國內(nèi)外的研究人員都對其進行了各方面的深入研究[1-2]。

三維復合材料相較于二維結(jié)構(gòu)的復合材料具有很多的優(yōu)點和非常大的發(fā)展?jié)摿Γ罢咴诤芏喾矫娑伎梢缘玫綉谩鴥?nèi)外對三維復合材料的研究由來已久：LI X等[3]研究發(fā)現(xiàn)，捆綁紗能減輕三維織物的變形，提高三維織物的拉伸應力和尺寸穩(wěn)定性；VILFAYEAU J等[4]對平紋、斜紋和緞紋組織的三維正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)進行了研究，得到了玻璃纖維三維織物的性能與特定結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性，為本課題的研究提供了思路；馬亞運等[5-6]將玻璃纖維三維正交機織物作為增強體、環(huán)氧樹脂作為基體，應用真空輔助樹脂傳遞模型工藝實現(xiàn)了三維正交復合材料的成型，并對成型后的復合材料進行經(jīng)向和緯向的準靜態(tài)拉伸試驗，得出在增強體結(jié)構(gòu)中，當襯墊經(jīng)紗和緯紗的紗線種類、紗線線密度相同時，面內(nèi)某一方向的紗線含量越高，則該方向的拉伸強力越高的結(jié)論。上述研究都為本課題提供了非常好的研究思路和研究方法。

三維正交機織物主要由襯墊經(jīng)紗、緯紗和捆綁紗這三種紗線相互垂直交織而成[7]。本文以高強滌綸紗作為原料，分別采用平紋、1/2斜紋及5枚3飛緞紋這三種不同的捆綁組織，在自主改造的二維小樣機上織造三維正交機織物，再以環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，利用真空輔助樹脂傳遞模型工藝實現(xiàn)復合材料的成型，最后分別比較不同捆綁組織的三維正交機織復合材料的拉伸斷裂形貌，以及它們經(jīng)緯向的拉伸性能[8]，探究不同的捆綁組織對三維正交機織復合材料拉伸性能的影響。

1 三維正交機織物的制備

1.1 織機改造

三維正交機織物通常在三維織機上進行織造，但由于試驗室三維織機筘齒有限，不能滿足試驗所用織物規(guī)格的需要，故選擇使用改造后的二維小樣織機織造。改造后的二維小樣織機如圖1所示，采用兩個經(jīng)軸送經(jīng)，織造在前方的織機上進行，捆綁紗和襯墊經(jīng)紗分別位于織機后方的兩個經(jīng)軸上，這樣既保證了三維正交機織物的長度，也易于控制捆綁紗和襯墊經(jīng)紗的張力。

圖1 改造后的二維小樣織機的雙軸控制示意(經(jīng)紗由捆綁紗和襯墊經(jīng)紗組成)

1.2 三維正交機織物的制備

選用1 111.11 tex的高強滌綸紗，根據(jù)三維正交機織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗的交織規(guī)律及引緯規(guī)律(圖2)，設計出上機圖，分別織造出長150.0 cm、寬30.0 cm、厚0.4 cm的三種捆綁組織的三維正交機織物。圖3～圖5分別為三種捆綁組織的三維正交機織物的上機圖和下機局部照片。

圖2 三維正交機織物的結(jié)構(gòu)

圖3 捆綁組織為平紋的三維正交機織物的上機圖和下機局部照片

圖4 捆綁組織為1/2斜紋的三維正交機織物的上機圖和下機局部照片

圖5 捆綁組織為5枚3飛緞紋的三維正交機織物的上機圖和下機局部照片

2 三維正交機織復合材料的制備

2.1 材料與設備

材料：30.0 cm(長)×30.0 cm(寬)×0.4 cm(厚)的三維正交機織物試樣，自制；環(huán)氧樹脂E51，南通星辰材料有限公司生產(chǎn)；70#固化劑(四氫鄰苯二甲酸酐)，常州樺立柯新材料公司生產(chǎn)。

設備：I101A-4S型電熱鼓風干燥箱，南京沃爾科技有限公司生產(chǎn)。

2.2 三維正交機織復合材料的制備

采用真空輔助樹脂傳遞模型工藝制備三維正交機織復合材料，具體工藝路線見圖6，樹脂的浸透過程見圖7。

圖6 真空輔助樹脂傳遞模型工藝路線

(a)

(b)

(c)

3 三維正交機織復合材料的拉伸性能測試

3.1 測試儀器及方法

選擇Instron 5969H型萬能材料試驗機(圖8)，參照ASTMD 3039/3039M-14《對聚合物基復合材料的拉伸性能的標準測試方法》，將三維正交機織復合材料試樣固定在Instron 5969H型萬能材料試驗機的夾頭中，設定好速率，對試樣進行拉伸性能測試。測試樣長寬尺寸為25.0 cm×2.5 cm，夾頭移動速率為2.0 mm/min。記錄試驗時的載荷和應變，每種試樣測試5個有效數(shù)據(jù)。

圖8 Instron 5969H型萬能材料試驗機(美國Instron公司生產(chǎn))

測試過程發(fā)現(xiàn)：剛開始時，拉伸載荷隨位移的增加而變大，同時試樣表面出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，有部分樹脂裂開并伴有樹脂的破裂聲；隨著測試的進行，拉伸載荷繼續(xù)變大，試樣中的纖維逐漸斷裂且斷裂聲越來越大，樹脂破裂更明顯；最后，伴隨著清脆的爆裂聲，試樣斷裂，拉伸載荷立刻減小，此時試樣被完全破壞[9]。

3.2 斷裂形貌

復合材料的破壞模式主要是樹脂的碎裂、纖維的斷裂和纖維與樹脂的脫黏。測試發(fā)現(xiàn)，三種捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣在拉伸時，經(jīng)緯向的拉伸截面有明顯的區(qū)別，但三種復合材料試樣之間無明顯區(qū)別。以平紋捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣為例，其經(jīng)向斷裂截面和緯向斷裂截面之間有明顯的區(qū)別(圖9)。

圖9 平紋捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣的斷裂形貌

由圖9可見：

(1) 試樣沿經(jīng)向拉伸至斷裂時，斷口表面較平整，斷口處有小部分纖維被拉出，出現(xiàn)了小區(qū)域的白色分層現(xiàn)象[10]。這是因為經(jīng)向位移增加后，緯紗會因為經(jīng)紗受到拉伸后運動而運動，相鄰緯紗間距離變大，加之緯紗間束縛較少，附近有緯紗出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象，但經(jīng)紗受緯紗束縛而受拉伸力較均勻，故經(jīng)向斷裂處表面較平整，纖維脫黏較少。

(2) 試樣沿緯向拉伸至斷裂時，斷裂面呈不規(guī)則形狀，纖維和樹脂脫黏嚴重，且纖維大都被抽拔出，斷裂面處出現(xiàn)了大面積的白色分層。這是因為沿緯向拉伸時，緯紗是主要的受力紗線，再加上緯紗受到的束縛較小，故斷裂面處呈不規(guī)則形態(tài)，纖維大部分被抽拔出。

3.3 拉伸特性

圖10為三種捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣經(jīng)緯向的載荷-位移曲線，可以看出復合材料試樣的拉伸斷裂規(guī)律大體相同：載荷開始隨位移的增大而增大，但當載荷達到最高值后便迅速下降。

圖10 三種捆綁組織的三維正交機織復合材料的載荷-位移曲線

再根據(jù)下面的拉伸斷裂強度計算式，得到三種捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣經(jīng)緯向的拉伸斷裂強度(圖11)：

式中：σ——拉伸斷裂強度，MPa；

F——最大載荷，N；

b——被測試樣的寬度，mm；

d——被測試樣的厚度，mm。

圖11 三種捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣經(jīng)緯向的拉伸斷裂強度

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 捆綁組織為緞紋時，拉伸斷裂強度整體最大，斜紋次之，平紋最小。測量三種捆綁組織的三維正交機織物的紗線密度發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紗總密度(即襯墊經(jīng)紗和捆綁紗的總密度)皆為110根/(10 cm)，但緯紗密度各不相同——緞紋、斜紋、平紋分別為170、130和120根/(10 cm)，捆綁組織為緞紋的三維正交機織物的緯紗密度最大，故相同尺寸、相同經(jīng)紗總密度的復合材料試樣，緯紗密度大的復合材料試樣中所含的纖維根數(shù)多，結(jié)構(gòu)更緊密，故捆綁組織為緞紋的三維正交機織復合材料試樣的拉伸斷裂強度整體最大。

(2) 緯向拉伸斷裂強度總是大于經(jīng)向拉伸斷裂強度。原因在于，三種捆綁組織的三維正交機織物緯紗密度都大于經(jīng)紗總密度，故緯紗含量比經(jīng)紗多，緯向纖維排列比經(jīng)向纖維排列更緊密，緯紗在承受載荷時能更好地發(fā)揮其力學性能，所以緯向表現(xiàn)為更高的拉伸斷裂強度[11]。

4 結(jié)論

(1) 平紋捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣在拉伸時，經(jīng)緯向的拉伸斷裂截面有明顯的區(qū)別，沿經(jīng)向拉伸斷裂時斷口表面比較平整，沿緯向拉伸斷裂時斷口處形狀不規(guī)則，且三種復合材料試樣之間無明顯區(qū)別。

(2) 在相同經(jīng)紗總密度和相同尺寸下，捆綁組織不同，緯紗密度不同，則三維正交機織復合材料試樣的拉伸斷裂強度不同。捆綁組織為平紋的三維正交機織復合材料試樣的緯紗密度最小，故其拉伸斷裂強度整體最小；捆綁組織為5枚3飛緞紋的三維正交機織復合材料試樣的緯紗密度最大，故其拉伸斷裂強度整體最大。

(3) 三種捆綁組織的三維正交機織復合材料試樣的緯向拉伸斷裂強度都大于經(jīng)向拉伸斷裂強度。