間隔織物增強復合板材低速沖擊性能研究

陳振宏 金歡歡 田 飛

（河北科技大學，河北石家莊，050018）

間隔織物是一種整體織造而成、層與層之間由紗線相連、呈中空結構的織物。由其制備而成的復合板材是一種新型的輕質結構材料，與傳統蜂窩、泡沫等夾層結構材料相比，不存在面芯剝離現象，具有優異的耐久性和抗沖擊性，其中間的接結紗芯柱（芯柱即接結紗在泡沫填充過程中與聚氨酯樹脂結合形成的柱狀復合材料）和填充的聚氨酯泡沫具有協同作用，在復合板材受到壓縮、剪切、彎曲、剝離及沖擊載荷時，可避免板材因發生分層而造成的整體結構破壞，從而擁有更優異的力學性能［1］。目前間隔織物制成的復合板材已廣泛應用于航天航空工業；在建筑行業中，用于制造墻板、屋頂板和隔聲板等［2?3］；在造船、交通運輸等領域中，作為車船等運輸工具的冷藏保溫車廂體等的應用也越來越廣泛，具有潛在的發展前景［4?5］。

低速沖擊會對復合材料造成可視和不可視的損傷，材料會通過多種形式吸收沖擊能量，同時引起失效。因此，研究復合材料的低速沖擊性能，了解材料的損傷、失效形式，對于更好地應用復合材料具有較大的實際意義［6］。姚秀冬等對含有芯柱的復合材料夾層板建立物理模型，進行彈性力學分析，結果顯示，芯柱的存在增加了夾層板的抗彎剛度，芯柱的材料特性和疏密程度對夾層板上芯層與面層層間的應力分布有一定的影響［7］。FU Kunkun等用濃苯乙烯/丙烯酸酯顆粒基剪切增稠流體，對碳纖維增強三明治復合板材進行填充，并對復合板材進行了低速沖擊試驗。結果表明，薄芯板材的吸收能量可提高99.3%，而厚芯板材的背面沖擊損傷可得到有效的抑制，并討論了板材的沖擊機理［8］。

本文以間隔織物作為增強體，再通過泡沫填充和樹脂復合，制成三維間隔增強復合板材，其結構分為三部分，上下面層為織物增強樹脂面板，中間層為聚氨酯泡沫，上下面板之間由接結紗浸潤樹脂后形成的芯柱連接。通過沖擊測試和分析沖擊前后的側壓性能，研究接結紗芯柱分布對間隔織物增強復合板材低速沖擊性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

選用上海石化生產的高強低伸型滌綸工業長絲作為增強體材料，滌綸長絲的細度為111.1 tex，單絲數為192根，斷裂強度為7.9 cN/dtex，斷裂伸長率為11.2%。

所用樹脂有兩種，聚酰胺樹脂（低分子650）和環氧樹脂E?44（6101），均由宜春市卓越化工有限公司生產，填充所用的聚氨酯泡沫是組合聚醚和多亞甲基多苯基多異氰酸酯混合發泡而成。

根據之前的研究，織物的面層組織對板材的沖擊性能影響不顯著［9］，為了便于織造和研究，選用平紋作為上下面層的基本組織。共設計了三種接結紗密度的間隔織物［10］，上下層經密、緯密均為80根/10 cm，接結紗高度為20 mm，間隔織物的其他工藝參數如下所示。

織物 D10 D15 D20

經紗完全循環/根 16 24 32

緯紗完全循環/根 32 48 64

地經與接結經之比 14∶2 22∶2 30∶2

接結紗經緯向隔距/mm 10 15 20

為表征清晰，本文將接結紗經緯向隔距為10 mm，15 mm，20 mm的間隔織物簡稱為D10、D15、D20，其制成的復合板材簡稱為 P10、P15、P20。接結紗經緯向隔距是兩根接結紗在經紗方向或緯紗方向上的距離，在一種間隔織物中，接結紗的經緯向隔距相同。

1.2 泡沫填充與樹脂復合

間隔織物放置在填充模具中，將組合聚醚和多亞甲基多苯基多異氰酸酯按1∶1的質量比均勻混合，用自制攪拌器以300 r/min的轉速高速攪拌10 s，將所制得的混合物迅速填充到間隔織物內。常溫下發泡完全后測試，填充泡沫密度為0.09 g/cm3。

對機織間隔織物面層進行樹脂復合，環氧樹脂與聚酰胺樹脂按 1∶1的比例混合［11］43，加入樹脂總質量10%的無水乙醇作為稀釋劑，用于控制樹脂的黏度。采用手糊法進行復合，控制復合樹脂量為750 g/m2。

1.3 沖擊試驗

測試儀器為ZCJ9302型儀器化落錘沖擊試驗機，采用的標準為ASTM D7136/D7136M—2012《纖維增強聚合物基體復合材料抗落錘撞擊損失測量的標準試驗方法》。沖擊試樣根據標準裁剪成100 mm×60 mm的尺寸，由于沖擊位置對板材沖擊性能有一定的影響［12］，本次試驗沖擊位置均為四個接結點中間的非接結位置。

在進行沖擊測試之前，進行了6 J，10 J，12 J，13 J，14 J的測試，對比沖擊后的效果。參考標準GB 11548—89《硬質塑料板材耐沖擊性能試驗方法》中試樣的破壞判斷方法，即實驗室正常光照條件下，能用肉眼見到落槌沖擊試樣板材所造成裂縫或裂紋［13］。最終試驗參數沖擊能量設定為13 J，根據能量公式計算得到落錘沖擊高度為0.66 m。

1.4 側壓試驗

復合板材在經歷低速沖擊載荷作用后，其內部結構明顯受損，復合板材的強度有一定幅度下降，為了解復合板材受損的程度，進一步說明復合板材的抗沖擊性能，分析材料強度的退化情況，在完成沖擊試驗后，又對板材進行側壓試驗，對板材沖擊前后側壓性能進行測試和對比分析。側壓試樣規格為100 mm×60 mm，按照GB/T 1454—2005《夾層結構側壓性能試驗方法》，采用YG028A型SANS微機控制電子萬能試驗機。設置夾持距離70 mm，最大位移8 mm，測試過程中加載速度2.0 mm/min。

2 結果與討論

2.1 沖擊試驗

在錘頭觸碰到板材面層時，錘頭會給予板材一個縱向沖擊力，面層表面的樹脂首先遭到破壞，緊接著是織物受破壞，然后是中間泡沫受破壞，由于接結紗芯柱的存在，在沖擊過程中接結紗芯柱會起到一個縱向支撐作用，當沖擊力達到接結紗芯柱的屈服力，接結紗芯柱會彎曲斷裂失去支撐作用，板材會受到嚴重破壞。

三種復合板材在低速沖擊作用下的破壞程度如圖1所示。可以看出板材在承受沖擊時，P10上面板基體及纖維輕微開裂，內部泡沫有少許凹陷，下面板完好無損；板材P15上面板基體及纖維開裂，內部泡沫被沖碎，但下面板完好；而接結紗芯柱密度最小的板材P20上面板基體及纖維嚴重開裂，內部泡沫全部被沖碎，下面板有明顯的裂紋。

圖1 三種板材沖擊破壞程度

不同芯柱密度的板材，在承受相同能量的沖擊時，板材吸收的沖擊能不同，沖擊載荷也不同，三種復合板材的沖擊位移?載荷（能量）曲線圖如圖2、圖3和圖4所示。

三種板材的三種破壞程度對應其位移?載荷曲線各不相同。P10板材，錘頭接觸板材瞬間開始承受沖擊載荷，先是上面板受力，通過中間的樹脂芯柱協同承載并傳遞載荷，沖擊力值迅速增大；復合板材P15，經緯向隔距15 mm，略大于錘頭直徑（直徑約12 mm），沖擊曲線出現兩個波峰，這是由于板材內部存在泡沫空腔（板材內部只有聚氨酯泡沫填充，沒有接結紗芯柱連接的位置），錘頭沖擊板材面板時載荷增大，上層面板被破壞，錘頭繼續下落，沖擊泡沫空腔時，周邊的樹脂芯柱承載能力降低，沖擊載荷急劇減小，隨后錘頭越過空腔沖擊下面板，載荷繼續增大；復合板材P20的樹脂芯柱隔距遠遠大于錘頭直徑，沖擊過程中板材上面板承受載荷后，縱向沒有樹脂芯柱的協同承載，沖擊力值迅速增大直至下面板被破壞。沖擊試驗中，板材對沖擊能量的吸收隨著芯柱密度的增大，吸收能量的強度逐漸增大，沖擊位移?能量曲線顯示，錘頭接觸試樣到錘頭與試樣分離過程中，P10板材吸收的最大沖擊能量最高，為12 J，P20板材吸收的沖擊能量最低，為10.98 J。

圖2 復合板材P10位移?載荷（能量）曲線

圖3 復合板材P15位移?載荷（能量）曲線

圖4 復合板材P20位移?載荷（能量）曲線

因此，在經受相同的能量沖擊時，接結紗芯柱密度越大，復合板材的抗沖擊性能越好。接結紗芯柱密度越大，沖擊點離周圍接結紗芯柱越近，板材在經受沖擊時，接結紗芯柱越容易承受沖擊作用，且接結紗芯柱分布密度越大其承受的力就越大，同時接結紗芯柱和填充泡沫協同作用，限制了沖擊過程中泡沫的橫向變形，這種限制越大，板材的抗沖擊性能越好，板材面板就越不容易被損壞。同時觀察可見，由于兩面板之間有接結紗芯柱連接，板材承受沖擊作用后只是沖擊位置的局部破壞，未發生面板和泡沫芯層完全分離的整體破壞。

2.2 側壓

由于復合板材具有各向異性，經向側壓數據與緯向側壓數據有一定差別［11］44，為保證試驗數據準確，均選用經向側壓數據。試驗觀察可知，經受了沖擊作用的復合板材在側壓作用下仍未發生整體破壞。圖5為復合板材P20沖擊前后的側壓位移?載荷曲線。曲線顯示，承受沖擊作用后，板材所能承受的側壓載荷明顯下降。這是因為在側壓過程中，主要由面板和芯體承受主要載荷，面板損傷越大時應力傳遞越困難，導致在面板損傷部位易形成應力集中，使板材發生彎曲而失效。所以承受沖擊作用之后的板材達到的最大載荷值及達到最大載荷值的位移都比沖擊前的小，板材的力學性能有一定的下降，會在較小位移內達到屈服載荷。

圖5 復合板材P20沖擊前后側壓曲線

圖6 為三種不同接結紗芯柱分布密度的復合板材承受沖擊后的側壓位移曲線。

圖6 三種復合板材沖擊后側壓曲線

由圖6可見，接結紗芯柱分布密度越大，板材所承受的最大側壓載荷越大，這是因為板材在承受側壓力時，由于接結紗芯柱連接正反兩面，阻止面板與泡沫分離，接結紗芯柱越多，阻力越大，板材承受載荷越大。板材經過低速沖擊后，其面板和芯體均受到不同程度的損傷，整體協同作用下降，造成板材側壓強度降低，三種板材由于結構的差異，承受沖擊后各自的受損程度不同，也導致了板材承受沖擊后，側壓強度的差異。

依據標準中的公式計算三種板材沖擊前后的側壓強度。依據三種板材承受沖擊作用前后側壓強度的變化情況計算強度損失率。具體結果如圖7所示。

圖7 三種復合板材沖擊前后側壓強度及損失率

由圖7可見，接結紗芯柱分布密度最大的板材P10側壓強度損失率最小，板材P15較大，而接結紗芯柱分布密度最小的板材P20側壓強度損失率最大，說明在承受相同能量的沖擊作用后，板材P10受損程度最小，板材P15較大，板材P20受損程度最大。這一結果與直觀觀察結果一致，進一步說明了間隔織物復合板材的接結紗芯柱密度越大，其抗低速沖擊性能越好。

3 結論

采用滌綸長絲作為原料，設計織造了三種接結紗分布密度的機織間隔織物，對其內部進行泡沫填充，面層進行樹脂復合，制成間隔復合板材。測試了三種板材抗沖擊性能和沖擊前后的側壓性能，并進行了對比分析，結論如下:

（1）對板材進行定能量的沖擊試驗可知，由于板材兩面板間由接結紗芯柱連接，板材在沖擊作用下未發生整體破壞，只是局部的沖擊損傷，并且接結紗芯柱的分布密度越小，板材受沖擊后表觀損傷越明顯。可知在一定范圍內，接結紗芯柱分布密度越大，板材的沖擊損傷越小，板材的抗沖擊性能越好。

（2）對沖擊前后的板材進行側壓試驗可知，板材承受沖擊作用后側壓強度有明顯的下降，并且接結紗芯柱密度越大，板材承受沖擊后的側壓強度損失率越小。進一步說明在一定范圍內提高板材的接結紗芯柱的分布密度，有利于提高間隔織物復合板材的抗沖擊性能。