二維編織碳纖維增強復合材料管件耐沖擊性能研究

鐘智麗，王子帥

(天津工業大學紡織科學與工程學院，天津 300387)

0 引言

在復合材料的發展歷程中，二維編織技術有著重要作用[1]。由于這種編織技術能夠制造出整體性好、韌性高、耐壓縮、耐沖擊性強等性能優異的復合材料預制件，因此，二維編織技術在復合材料方面的應用有顯著的意義。這種技術能滿足各種各樣的復雜形狀的要求。在各種各樣的領域里，一些傳統的材料慢慢會被復合材料所代替，因此復合材料應用會越來越廣泛。而管件通常可分為等截面管和變截面管，截面形狀則可分為矩形管、圓形管和異型截面管[2]。而由復合材料制成的管件是工業工程上常常用到的結構件。

隨著復合材料技術向前發展，這種制造復合材料管件的工藝同樣發展出很多種，用于制作管件的纖維和基體材料也幾乎涵蓋所有現有的種類。燕瑛提出二維波紋細觀力學模型，在考慮了實際織物結構中存在的經向和緯向纖維的波紋，相鄰纖維束之間的間隙，纖維束的橫截面尺寸和織物的層疊構造狀態對編織復合材料彈性性能的影響下，給出了細觀結構參數與編織復合材料彈性性能之間的變化關系[3]。張前錦等人研究用碳纖維增強復合材料制作汽車用能量吸收管件來代替傳統的金屬制能量吸收盒。然后使用膠水粘結管，用建模軟件建立模型，分析結果后發現管的壞損主要是由膠水的破壞，因此結果不好；而混合連接的管件，碳纖維和樹脂都被破壞，結果能量吸收的很好[4]。Farely等人對復合材料管件的增強纖維與基體材料之間的能量吸收進行研究，研究表明增強纖維和基體材料之間的組合，嚴重影響其纖維增強復合材料管件的能量吸收性能[5]。增強體和基體的性質對管件有著嚴重的作用，當樹脂比增強體變化大，這樣的組合是比較合適的選擇。Okano，M等研究不同編織角對編織復合材料管件物能量吸收性能的影響[6]。編織的方式不僅能夠將連續的纖維編織形成各種形狀的管件物，而且通過改變纖維的排列方式可設計出不同結構的編織物。在編織過程中可通過引入增強紗以增強管件物的軸向承載能力。

我國研究二維編織工藝還是剛剛起步，制作復雜預制件的理論尚有欠缺。隨著研究人員對于二維編織復合材料技術的認識不斷提高，我國也會出現具有跨時代意義的復合材料的研究技術。復合材料的一個重要的力學性能就是抗沖擊性能。通過落錘對三種節距不同的管件進行耐沖擊測試，研究編織節距等參數對耐沖擊性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料:T300B－3000－40B碳纖維復絲，線密度為198 tex，密度為1.76 g/cm3；所用試劑為美國郎博萬先進材料公司以及深圳市郎博萬先進材料有限公司的環氧樹脂膠黏劑，其型號為:NO.1－691－2/A，而固化劑的型號:NO.1－692－2/B。 其樹脂與固化劑的混合比例為3:1；預制件的編織節距為80mm、100mm、120mm，經4層復合制成碳纖維增強復合材料管件，參數如表1所示。

儀器:徐州恒輝編織機有限公司的24錠二維立式編織機，美特斯工業系統有限公司生產的儀器化落錘沖擊試驗機，其型號為ZCJ9302

1.2 實驗工藝

1.2.1 管件制備

(1)導紗:將買來的大筒紗通過機器纏繞成管紗。(2)將管紗裝入二維編織機上，并啟動編織機進行編織。(3)制備蠟模:因其芯模為直徑10mm的不銹鋼圓棍，假若不在圓棍外層澆注一層蠟模，涂上樹脂后的碳纖維管固化后很難取下來，因此需要熔化的石蠟均勻澆注到圓棍外層，并將蠟模自然凝固。(4)使用鋼尺測量編織物長度，并每50cm剪一段，共剪取四段。(5)待蠟模凝固后，將剪好的編織物套入蠟模中，共套四層，并固定好兩端。(6)選用合適的容器調制環氧樹脂和固化劑，根據其配比3:1，使用天平稱取環氧樹脂和固化劑的克數，并攪拌均勻。(7)根據手糊成型法，將樹脂均勻涂在預制件上，反復涂勻，盡量確保使樹脂浸入最內層編織物中，涂抹均勻后將其豎直掛起，并使它室溫固化。(8)待其固化后，將其放入烘箱，在其下方放置一個容器，使石蠟熔化后滴入容器中，保證烘箱的干凈。因為石蠟的熔點最高為63度，所以可將烘箱的溫度設置為80度，烘半個小時，待石蠟熔化后，將其取出并降至室溫，這個過程注意安全。(9)當鋼棍降溫至室溫后，取出管件，并用切割機將兩端切割掉，注意此過程注意手的安全。

1.2.2 實驗方法

(1)使用切割機對三種不同節距的二維編織碳纖維增強復合材料管件進行切割，切割過程中需要注意安全，每個試樣長度均為150mm。

(2)按照實驗需要的抗沖擊能量選用合適的落錘；本次試驗選用的落錘重量為2千克。

(3)按儀器使用規則進行校準機器。

(4)將試樣放入夾持器中放好，應讓試樣中心對應落錘沖頭，當放好試樣后，關好安全門。

(5)關好安全門后，在計算機上按鍵夾緊、抓錘、提錘等一系列動作后，可以開始試驗，讓落錘進行沖擊試樣，試驗結束后記錄數據并保存。

1.2.3 測試標準

依據《GB/T 6112－1985熱塑性塑料管材和管件耐沖擊性能的測試方法》對管件進行耐沖擊性能測試

2 結果與分析

2.1 各項參數結果

復合材料管件耐沖擊的各項參數結果如表2所示，復合材料管件抗沖擊的應力—位移曲線如圖1所示。其中，在儀器化沖擊試驗機的計算機上輸入沖擊高度、試樣厚度、錘頭重量及沖擊速度，而沖擊能量是指管件在規定條件下，沖擊達到中心位置時所具有的能量；然后測試得出其他參數。

表2 耐沖擊性能的各項參數

圖1 復合材料管件抗沖擊的應力—位移曲線

2.2 耐沖擊結果分析

對沖擊試驗完成后的不同編織參數二維編織碳纖維復合材料管件的照片，并觀察分析受沖擊截面的破損情況。受沖擊截面如圖2所示。

圖2 受沖擊截面(a代表節距80，b代表節距100，c代表節距120)

本次共測試了三種不同編織參數的碳纖維復合材料管的抗沖擊性能，每種節距測三個，而表2只是列舉每種的一組數據。由圖2易知，保證了每個試樣受沖擊的位置都是中心處，試驗完成后，每個試樣都出現破裂現象，這就說明碳纖維—環氧樹脂二維編織復合材料管件表現出很大的脆性，這與碳纖維性能上的缺點息息相關，如碳纖維脆性較大、不耐彎曲和剪切、破壞前無預報等。

由圖1可知，當落錘與試樣開始接觸時，隨著位移逐漸增加，總體上，力是逐漸增大，當達到最大值時，管件開始破裂，力逐漸減小。通過曲線可以看出，曲線有微小的波動，這是因為試驗時，落錘本身左右會有較小范圍的晃動，這就引起了曲線的抖動。但是曲線的抖動總體上不影響對沖擊性能的判斷。由圖2和表2可知，雖然每個試樣都發生了破裂現象，但是不同節距破裂前所達到的最大的力是不同的，80節距的力最大，100節距次之，120節距力最小。觀察破裂面形狀可知，編織節距為80的復合材料管件不僅受沖擊時所受的壓力最大，而且破裂處的粘連物較多；而100節距破裂處粘連物適中；而120節距破裂處粘連物很少，破裂的很干脆。

3 結論

本實驗主要探究編織節距80、100、120的二維編織碳纖維復合材料管的抗沖擊性能，并對其作出了比較。得出了手糊法做出的管件，雖略有影響，但趨勢仍然存在，可知增強體碳纖維本身表現出的脆性大，使得復合后管的抗沖擊性能不強；節距越小，紗線交織緊密，成為有機的一個整體，并且增強體(碳纖維)含量較高，所以抗沖擊性能越強。落錘與試樣開始接觸時，隨著位移逐漸增加，管件抗沖擊的應力逐漸增大，達到最大值時，管件開始破裂，應力逐漸減??；雖然每個試樣都發生了破裂現象，但是不同節距破裂前所達到的最大的力是不同的，隨著編織節距增大，管件抗沖擊的最大力逐漸減小。另外，落錘本身有較小范圍的晃動，這就引起了曲線的抖動。