平面三向織物及其增強橡膠復合材料的頂破性能研究

周紅濤，方鎂淇，錢 坤，倪詩卉

( 1．江南大學生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122；2．鹽城工業職業技術學院紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224000)

0 前言

平面三向織物(TWF)是由三組紗線在同一平面內彼此以一定角度交織而成(通常以60 °交織)[1-2]，其交織結構如圖1(a)所示，該結構具有結構穩定性好，抗撕裂強度高和力學性能準各向同性的特點，克服了平紋織物(PWF)在沿非紗線方向承受載荷能力差的不足，作為柔性復合材料增強體在對各向同性要求較高的應用領域具有一定的優勢，如橡膠隔膜等。目前，對平面三向織物的研究主要集中于作為樹脂基復合材料增強體方面[3-5]，對其在柔性復合材料的研究報道較少。頂破性能較好地反映材料多方向受力情況，Elmessiry等研究了單層和多層平面三向織物在軟防彈衣中的抗刺性能[6]，結果表明，與其他織物相比，TWF能吸收了更多的沖擊能。孫寶忠、王萍等采用限元模擬了柔性復合材料的頂破性能[7-8]，模擬結果與實驗結果十分接近。Hassim等[9]研究了高強度非織造天然橡膠乳膠(NRL)涂層織物和未涂層織物的抗穿刺性，結果表明涂層織物與未涂層織物相比具有更高的抗穿刺性。徐英、侯利民等分別從沖頭形狀、基布的結構參數對織物增強柔性復合材料的頂破性能的破壞形態及破壞機理進行研究[10-11]。Chen等[12]研究了沖頭形狀對苧麻織物頂破性能的影響。Yahya等[13]提出了有限元分析方法和實驗方法來研究沖頭形狀和紗線摩擦接觸對平紋織物穿刺損傷的影響。

(a)平面三向織物 (b)平紋機織物圖1 平面三向織物和平紋機織物Fig.1 Triaxial woven fabric and plain weave fabric

本文以TWF為增強體，制備了TWF增強橡膠基復合材料(TWFR)，主要研究了TWFR的頂破性能，及沖頭形狀和頂破速度對頂破性能的影響，同時與平紋織物增強橡膠復合材料(PWFR)的頂破性能進行對比。研究成果為TWF在橡膠復合材料及其他柔性復合材料的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

織物：2種織物采用相同規格的聚酰胺(錦綸)66長絲，線密度為186.67 tex，捻度70捻/米，初始模量5.98 GPa，江蘇太極實業新材料有限公司；TWF中3組紗線的密度相同，均為33根/10 cm，織物克重194.04 g/m2；PWF中經緯紗線的密度均為51根/10 cm，織物克重199.9 g/m2；

橡膠，丁腈橡膠混煉膠，新鄉市鼎誠橡膠有限公司；

黏合劑，Chemlok402黏合劑，美國洛德公司。

1.2 主要設備及儀器

熱壓機，4128Carver，美國MYCRO公司；

強力機，Instron 3385H，美國英斯特朗公司；

電子顯微鏡，B008，深圳超眼科技有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，SU1510，日本日立公司。

1.3 樣品制備

采用熱壓法制備織物增強橡膠復合材料，如圖2所示。工藝參數：溫度145 ℃；壓力：第一次10 MPa，時間5 min；第二次16 MPa；時間15 min。成品規格3 431 g/m2。纖維質量分數為5.8 %。

圖2 織物增強橡膠復合材料制備工藝Fig.2 Hot-pressing process of fabrics reinforced rubber composites

1.4 性能測試與結構表征

根據GB/T 20027.1—2016[14]，在Instron-3385H型萬能試驗機上進行頂破試驗。頂破裝置由環形夾持器和鋼制沖頭組成，如圖3所示，環形夾持器表面有同心凹槽，防止打滑。本研究設計了圓錐形沖頭、半球形沖頭和圓柱形沖頭(以C、H、P分別表示圓錐形沖頭、半球形沖頭和圓柱形沖頭)3種形狀，沖頭速度采用300 mm/min以分析沖頭形狀對頂破性能的影響；沖頭分別采用100、300、500 mm/min分析了沖頭速度對TWF及TWFR頂破性能的影響。在試驗過程中，試樣被夾在固定底座的環形試樣夾中，沖頭以恒定的移動速度垂直地推向試樣，使試樣變形直至斷裂。電子顯微鏡和SEM分別用于觀察織物和織物增強橡膠復合材料中紗線的破壞形態。

(a)頂破實驗裝置 (b)夾持器及沖頭形狀圖3 頂破實驗裝置圖Fig.3 Bursting device

2 結果與結論

2.1 沖頭形狀對織物的頂破性能的影響

由圖4中織物在3種沖頭作用下的載荷-位移曲線知，圓錐形沖頭產生的破壞載荷和曲線斜率最小，初始損傷位移最大；圓柱形沖頭產生的破壞載荷及曲線斜率最大，而初始損傷位移最小。半球形和圓柱形沖頭產生的載荷迅速上升直至達到其最大載荷，然后急劇下降。錐形沖擊器產生的載荷平緩上升，在達到最大載荷前產生多個波動。這主要是沖頭形狀不同造成的。圓柱形沖頭的底部是平的，在頂破的過程中底部與試樣瞬間完成接觸，且與沖頭接觸的紗線的數量達到最大，因此，載荷上升速度最快；破壞前試樣的形狀為圓臺狀，如圖5(a)所示；當載荷達到最大值時，紗線幾乎同時斷裂，載荷迅速下降。半球形沖頭在頂破的過程中從沖頭底部向上逐漸接觸試樣，與沖頭接觸的紗線的數量逐漸增加，但是與沖頭接觸的紗線數量小于圓柱形沖頭；破壞前試樣的形狀由圓臺狀和球冠狀兩部分組成，如圖5(b)所示；當載荷達到最大值時，半球形沖擊器底部的紗線首先斷裂，然后斷裂附近的紗線斷裂，載荷迅速下降。圓錐形沖頭在頂破的過程中迅速穿透試樣，如圖5(c)所示，并會向外擠壓試樣的紗線；當載荷達到紗線的斷裂載荷時，紗線斷裂，載荷下降，隨后沖頭又與斷口附近的紗線接觸，載荷再次上升，直到沖頭完全穿透試樣，因此，圓錐形沖頭產生的載荷-位移曲線上出現鋸齒形波動。

■—PWF-H ●—TWF-H ▲—PWF-P ▼—TWF-P ◆—PWF-C ?—TWF-C圖4 織物試樣在3種沖頭作用下的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of fabrics under three shapes of impactors

對比3種沖頭作用下TWF和PWF的載荷-位移曲線和頂破形態，如圖4和表1所示，TWF產生的載荷-位移曲線的斜率和最大載荷較高，而初始損傷位移較小，頂破的過程中PWF中的紗線產生了較大程度的滑移，而TWF中紗線滑移程度很小。這主要歸結于TWF結構的自鎖特性。如圖6所示，TWF結構的自鎖特征使得3組紗線形成多個受力三角形“ABC”[15]，在Fa和Fb的作用下，紗線不僅使紗線“a”和“b”聚攏成束，而且把紗線“c”捆縛成束，阻止了紗線滑移，在受到沖頭的作用時，TWF中紗線滑移的程度小于PWF中紗線。因此，TWF在頂破作用時結構更加穩定，破壞后破口不易擴展。

表1 3種沖頭作用下織物損傷形貌

Tab.1 Damage morphology of fabrics under three shapes of impactors

圖6 平面三向織物自鎖結構圖Fig.6 Schematic diagram of thread interlacing in the TWF

2.2 沖頭形狀對織物增強橡膠復合材料頂破性能的影響

■—PWFR H ●—TWFR H ▲—PWFR P ▼—TWFR P ◆—PWFR C ?—TWFR C圖7 3種沖頭作用下織物增強橡膠復合材料的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of fabric-reinforced rubber composites under three shapes of impactors

(a)織物中的紗線 (b)織物增強橡膠復合材料中的紗線圖8 斷裂紗線的圖片 Fig.8 Images of the fractured yarn

由圖7中試樣在3種沖頭作用下的載荷-位移曲線知，載荷-位移曲線變化規律與織物的變化規律一致。對比圖4和圖7發現，織物增強橡膠復合材料具有較大的破壞載荷，較高的載荷-位移曲線斜率，而初始損傷位移相近，這主要是由于橡膠基體起到重要的作用，即橡膠基體不僅承擔了部分載荷，還使紗線中各單絲及織物中的紗線固結在一起，使得長絲紗在受力破壞時各單絲能夠同時斷裂[如圖8(b)所示]和阻止了紗線的滑移，同時橡膠基體迅速傳遞載荷到不與沖頭直接接觸的紗線使其承受的載荷更大；織物增強橡膠復合材料中織物起主要承載作用且橡膠基體伸長率遠大于織物，織物增強復合材料的初始損傷位移與織物相近。橡膠基體的超彈性使得織物增強復合材料被沖頭完全穿透后仍能緊緊夾持沖頭，載荷維持在一個值附近。

對比TWFR和PWFR的載荷-位移曲線，TWFR在半球形和圓柱形沖頭的作用下載荷-位移曲線斜率較高，而最大載荷和初始損傷位移較小；在圓錐形沖頭作用下，TWFR的載荷位移曲線斜率和最大載荷較高，而初始損傷位移和曲線上的鋸齒形波動數量相近。圖9顯示，對于織物增強橡膠復合材料，半球形和圓柱形沖頭作用下TWFR的破壞形態近似為圓形，而PWFR的破壞形態在為相互垂直的裂縫；在圓錐形沖頭作用下，TWFR的破裂形態呈弧形，而PWFR的破裂形態類似于直線，且與紗線具有一定角度。

(a)TWFR-P (b)PWFR-P (c)TWFR-H (d)PWFR-H (e)TWFR-C (f)PWFR-C圖9 3種沖頭作用下織物增強橡膠復合材料破壞形貌Fig.9 Damage morphology of fabric-reinforced rubber composites under three shapes of impactors

2.3 頂破速度對試樣頂破性能的影響

隨著頂破速度的增加，織物在不同沖頭作用下的載荷-位移曲線的變化沒有明顯的規律，如圖10(a)；而織物增強橡膠復合材料的載荷-位移曲線的的破壞載荷及斜率逐漸升高，初始損傷位移減小，如圖10(b)。這主要由于本文中采用的織物紗線密度稀疏，長絲紗中的單絲及各長絲紗間是松散的，在頂破速度為低速時可以忽略沖擊力傳播和應變率效應；而織物增強橡膠復合材料是一個整體，頂破速度的增加使紗線與橡膠間界面的剪切強度增加[16]，從而提高了載荷的傳遞速度。載荷在基體與纖維脫黏前已傳到纖維并造成纖維斷裂，阻礙了纖維從基體的拔出，提高了破壞載荷。此外，隨著頂破速度的增加，織物增強橡膠復合材料內部的缺陷不易迅速擴展，降低了內部缺陷對破壞載荷的影響，間接地提高了其破壞載荷。

■—P1 ●—P3 ▲—P5 —H1 —H3 —H5 —C1 —C3 —C5(a)TWF (b)TWFR注：“1”、“3”、“5”分別代表頂破速度為100、 300、 500 mm/min圖10 試樣在不同頂破速度下的載荷-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of specimens at different bursting speeds

3 結論

(1)通過實驗方法研究了沖頭形狀和頂破速度對TWF和TWFR頂破性能的影響，并與PWF和PWFR的頂破性能進行對比分析，織物增強橡膠復合材料具有比織物更高的最大破裂載荷和更小的初始損傷位移；

(2)鈍的沖頭產生的載荷-位移斜率和破壞載荷較高，而初始損傷位移較小；與PWF相比，TWF產生的載荷-位移斜率和最大破壞較高，而初始損傷位移較小；頂破速度對織物的頂破性能影響不大，而對織物增強復合材料的載荷-位移曲線的斜率及初始損傷位移產生一定的影響。