增強體織物組織結構對曲面復合材料力學性能的影響

汪 浩，徐珍珍，阮芳濤，王孝鋒

(安徽工程大學紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

紡織結構復合材料自20世紀末發展以來，已廣泛應用于航空航天、交通、建筑、體育、醫療等領域?，F代紡織結構復合材料與人類的生活密切相關，對現代結構工程的發展將產生重要的推動作用[1]。在紡織結構復合材料中，纖維是承載體，基體起固結纖維和傳遞載荷的作用[2]。通過選用不同的增強體結構可以調控復合材料的力學性能。因此研究不同結構織物的對復合材料力學性能的影響很有意義[3]。紡織結構復合材料具有比強度大、重量輕、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性的特點[4]。目前，對復合材料的力學性能研究比較多，主要是集中在平板形狀的復合材料研究，對于曲面的紡織結構復合材料研究較少。但是應用于不同物體的各類結構部件要求形狀各異，并且在很多場合下需要用到曲面部件。本文通過自制的模具制備了曲面復合材料，并測試了曲面玄武巖復合材料的三點彎曲性能、沖擊性能以及頂破性能，探討了不同織物組織結構對復合材料力學性能的影響，為提高曲面復合材料綜合力學性能的研究提供實驗依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

玄武巖纖維布，平紋、斜紋、緞紋、無緯布，浙江石金玄武巖纖維股份有限公司；

環氧樹脂，JL-235，常熟佳發化學有限責任公司；

固化劑，JH-242，常熟佳發化學有限責任公司。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電子萬能試驗機，WDW-20，濟南天辰試驗機制造有限公司；

數顯簡支梁沖擊試驗機，濟南恒思盛大儀器有限公司；

曲面復合材料成型模具，自制，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mold

1.3 樣品制備

裁取10 cm×10 cm大小的玄武巖纖維織物，詳見表1，室溫下配制質量比100∶27的環氧樹脂和固化劑混合溶液，將裁好的玄武巖布浸入樹脂，并在模具中復合成型(模具如圖1)。然后再將復合成型的復材切割成長寬高為5 cm×1 cm×1 cm的曲率半徑50 mm(模具的曲率為50 mm，進而制得的復材試樣曲率為50 mm)的曲面復合材料，用作三點彎曲和沖擊測試試樣；頂破測試試樣為整塊曲面復合材料，制樣流程圖如圖2所示。其中無緯玄武巖曲面復合材料根據切割方向分為2種試樣，一是沿著纖維鋪層方向切割，即無緯玄武巖曲面復合材料-90 °，二是垂直于纖維鋪層方向切割，即無緯玄武巖曲面復合材料-0(°)。

表1 試樣規格及相應的名稱簡寫Tab.1 Sample specifications and corresponding names abbreviated

圖2 制樣流程圖Fig.2 Schematic diagram of the process for composite sample preparation

1.4 性能測試與結構表征

三點彎曲性能參照GB/T 3356—2014進行測試，測試速度設置為5 mm/min；

沖擊性能參照GB/T 1043—2008進行測試，試樣長度為50 mm，寬度為10 mm，支撐線間距離為40 mm，沖擊速度為3.8 m/s；

頂破強力測試：壓頭為直徑8 mm，長度26 mm的圓柱體，頂破過程如圖3所示，頂破速度為50 mm/min。

圖3 頂破過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the topping process

2 結果與討論

2.1 彎曲性能分析

圖4為試樣的3點彎曲測試載荷-撓度曲線，可以看出，不同紡織結構復合材料的曲線斜率也不相同，其中

1—WBC-0 ° 2—WBC-90 ° 3—PBC 4—TBC 5—SBC圖4 3點彎曲測試載荷-撓度曲線Fig.4 Three-point bending test load-deflection curves

PBC的曲線最陡，抵抗變形能力最高的，即模量最大，接著依次是SBC、TBC、WBC-90 °和WBC-0(°)。從表2中的數據得到，PBC的彎曲強度為189 MPa，SBC為143 MPa，TBC為112.1 MPa，WBC-0 °為28.6 MPa，WBC-90 °為142 MPa，其強度的變化趨勢和模量是一致的，其中，PBC的彎曲強度是最大的，SBC比WBC-90 °彎曲強度略高，WBC-0 °最小，TBC低于SBC。從增強體結構上來看，平紋的組織點多，纖維多是屈曲狀態不易移動，結構穩定性好，因此，PBC的彎曲強度高。緞紋結構雖然組織點較少，但纖維處于伸直狀態，在3點彎曲測試中，纖維有由伸直狀態到屈曲狀態的變化過程，因此，SBC彎曲強度也較大。和緞紋類似，雖然無緯結構沒有很多的交織點，結構穩定性不強，但是無緯結構的纖維沒有屈曲結構，纖維排列規律，取向程度高，所以WBC-90 °彎曲強度高。無緯結構是一種單向鋪層纖維布，其結構中纖維分布取向變化較小，其裂紋的擴展主要是沿著垂直纖維分布方向[5]，因此，導致了無緯90 °結構的彎曲強度和彎曲模量增加，相應的無緯0 °結構的彎曲強度和彎曲模量很小。

撓度與材料的受力變形相關，從而影響到材料的使用性能。從表2中可以看出，SBC的撓度最大，為9.7 mm，這是因為緞紋結構的組織點少，容易產生滑移，同時玄武巖纖維紗線屈曲狀態少，所以緞紋結構復合材料在承受載荷時，首先通過組織點滑移和纖維的屈曲，最后達到材料的完全斷裂；平紋結構組織點較多，紗線和紗線間相互作用，不易產生滑移，因此PBC撓度較小。

表2 不同織物組織結構對復合材料彎曲性能的影響Tab.2 Effect of different fabric structure on the bending properties of composite materials

2.2 沖擊性能分析

圖5為不同織物組織結構對曲面復合材料沖擊吸收能量值，可以看出WBC-90 °和SBC的沖擊吸收能量要高于其他幾種結構的復合材料?？椢锝Y構直接影響到復合材料的能量吸收、損傷程度和破壞模式，試樣的損傷形式包括基體開裂、纖維斷裂、分層和表面變形，而且這些損傷形式相互影響共同存在[6]。從結構上看，紡織結構分為交織區和周圍區，交織區內的纖維呈現非直線狀態，面內剛度較低；周圍區是直纖維區，能夠承受更多載荷[[7-8]。緞紋的組織點少，易于產生面內滑移，纖維紗線屈曲狀態少[9]，所以組織結構為緞紋的復合材料在受到沖擊時，增強體承受載荷時，會發生組織點滑移，原本伸直的纖維也會發生屈曲，因此吸收的能量增多；平紋的組織點密集，纖維不易發生滑移，而且纖維一直處于屈曲狀態，因此，PBC承受沖擊時所能吸收的能量較低。斜紋組織的結構介于平紋和緞紋之間，所以TBC的吸收能量數值也介于兩者之間。因為無緯結構的玄武巖纖維布是鋪層的結構，并沒有實際意義上的組織點存在，只是纖維與紗線的交織，WBC-0 °相當于是切割了纖維，纖維對載荷的傳遞起到較小的作用，沖擊吸收能量很低；而WBC-90 °吸收能量數值偏大，這是因為WBC-90 °為沿著纖維鋪層方向切割，纖維并沒有發生斷裂。

圖5 不同織物組織結構對材料沖擊吸收能量柱狀圖Fig.5 Histogram of energy absorption energy of different fabric structures

圖6 WBC-90 °厚度對吸收能量影響Fig.6 Effect of WBC-90 ° thickness on impact strength

本文進一步設計了一組實驗進行驗證了WBC-90 °試樣厚度對沖擊吸收能量數值的影響，如圖6所示，8～10層的增長幅度是72.8 %，明顯大于2～4層的32 %，4～6層的48.2 %以及6～8層的20.7 %，很明顯隨著厚度的增加，沖擊吸收能量增幅變大，所以就無緯結構的玄武巖曲面復合材料而言，厚度對其沖擊吸收能量起更大作用，這也就解釋了WBC-90 °沖擊吸收能量較大的原因[10]。

2.3 頂破性能分析

目前，復合材料很多使用環境比較惡劣，經常受到外界物體的低速頂破破壞，如尖銳砂礫的頂破破壞[11]。圖7為不同織物結構復合材料的頂破強力，從圖中可以看出，TBC頂破強力最高，SBC次之，PBC最低，無緯結構復合材料的頂破強度與前面3種結構相差數值較小。平紋結構組織點多，在承受載荷時，纖維不易發生滑移，并且經緯方向的紗線都承受同等大小的力，試樣呈現十字形破壞，強力相對較低；緞紋結構組織點少，在承受載荷時，纖維容易發生滑移，頂破強力較大。因為頂破速度要遠小于沖擊速度，而且頂破的試樣與三點彎曲和沖擊的不同，在受力交結點處對于載荷的反應也有所不同，因此，TBC的受力面出現了十字斷裂口，破壞嚴重，TBC的頂破強力最大，而PBC 和SBC受力面只是出現了十字斷裂紋?？椢镌陧斊茣r的破壞斷裂形貌，存在十字形和一字形破壞。當織物作為增強體時，其曲面復合材料的破壞形式也是這2種破壞形式。

圖7 不同織物結構頂破強力Fig.7 Breaking strength histogram of different fabric structures

(a)SBC (b)PBC (c)WBC (d)TBC圖8 頂破試樣斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the broken samples

如圖8所示，SBC、TBC以及PBC的頂破破壞形貌滿足了十字形破壞；WBC的破壞是出現一字形斷裂口。TBC的頂破破壞情況比較嚴重，出現十字形斷裂口，即表面出現了分層斷裂，樹脂與增強體分離，出現了分層斷裂。PBC和SBC只是出現了十字形斷裂紋，SBC的裂紋面積比PBC的大，PBC裂紋出現輕微的分層斷裂；其中PBC和SBC斷口處相對齊整，而TBC斷口處纖維抽插雜亂，樹脂與增強體分撥脫離。因為增強體結構經緯紗能承受相近的載荷，所以出現十字形破壞；而無緯結構的玄武巖曲面復合材料則會出現一字形破壞，WBC斷口處是樹脂與基體發生斷裂破壞，發生脫離，是因為它的經緯方向所能承受的載荷差異很大，在緯度方向上基本沒有承載能力[12]。WBC斷裂口附近出現基體脫落，而增強體未發生斷裂破壞。

3 結論

(1)相對于平紋、緞紋、斜紋及無緯結構的曲面復合材料，平紋結構增強體的曲面復合材料彎曲強度和模量在幾種織物組織結構中是最大的，而緞紋結構的曲面復合材料撓度最大；

(2)緞紋結構的曲面復合材料的沖擊性能最好；玄武巖鋪層數目對無緯結構玄武巖曲面復合材料的沖擊性能影響比較大；

(3)斜紋結構的曲面復合材料頂破強力最高；增強體為織物結構的曲面復合材料頂破破壞形式有十字形和一字形；

(4)力學性能測試結果綜合分析可知：增強體是緞紋結構的曲面復合材料綜合性能優良。