異形三維圓管狀機織復合材料的壓縮性能分析

呂麗華 呂婷婷 王晶晶

（大連工業大學，遼寧大連，116034）

1 研究背景

三維圓管狀復合材料是采用樹脂基體增強三維圓管狀機織復合材料，具有質量輕、比剛度和比強度高、耐疲勞性能優異、耐高溫耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于衛星、導彈、建筑、管道修復、船舶、航空航天等重要領域［1-4］。不同的應用領域對三維圓管狀復合材料的設計要求也不同［5］。圓管狀復合材料的種類較多，目前常用的三維圓管狀預制件有三維編織物、三維針織物和三維機織物［6］。曹海建等人［7］以玻璃纖維為原料，制備了三維四向、三維五向圓管狀編織物，以環氧樹脂為基體，制成了三維管狀編織復合材料；用萬能材料試驗機測試材料的軸向壓縮性能，為該類材料的結構優化設計和性能分析奠定了理論基礎［8］。周榮梅等人［9］在圓管狀針織橫編織物的基礎上，設置不同位置段的管或以不封閉管的形式擴展各種針織服裝織物，滿足了人們對三維結構、色彩鮮艷、外觀獨特新穎等方面的要求。由于針織物易變形的特點，目前圓管狀針織物多用于服用以及醫用領域，在三維圓管狀復合材料領域研究較少。

針對三維圓管狀機織物，顧平［10］利用“壓扁-織造-還原”法在普通織機上織造了管狀、工字形、十字形等三維異形結構機織物；該方法的使用使得在普通織機上制備三維機織物成為了可能，極大地減少了在織造過程中綜框數受限等問題。黃曉梅［11］也采用“壓扁-織造-還原”法在織機上完成上下兩層織物連續完整的織造，下機后可得到圓管狀織物。AMID H等人［12］研究了圓管狀機織物作為復合管加強件的可能性，并對4種不同類型紗線織造的圓管狀機織物進行了力學性能研究，與管道工業中常用的標準鑄鐵的拉伸強度進行了比較，認為這種織物增強復合材料可以替代鑄鐵管。劉佳［13］進行了圓管機織復合材料壓縮試驗，研究表明：圓管狀機織復合材料具有很好的整體性能和承載能力。

綜上所述，三維圓管狀織物目前的織造形狀大多是普通的規則圓管，而對于異形圓管狀織物的織造與研究還比較少。我們采用低捻玄武巖長絲束為經、緯紗，在SGA598型小樣織機上制備了異形三維圓管狀機織物，用環氧乙烯基改性樹脂V-118與異形三維圓管狀機織物復合，制成了異形三維圓管狀機織復合材料，并在RGY-5型萬能材料試驗機上測試其壓縮性能。

2 試驗

2.1 原料與設備

試驗原料：經、緯紗均為383 tex的低捻玄武巖長絲束；環氧乙烯基改性樹脂V-118，固化劑過氧化甲乙酮，促進劑辛酸鈷。

主要設備及測試儀器：SGA598型小樣織機和RGY-5型萬能材料試驗機。

2.2 織造及制備

2.2.1 異形三維圓管狀機織物的設計

異形三維圓管狀機織物示意圖如圖1所示。其中：圓管部分A2為雙層角聯鎖結構；圓管兩側連接的平板部分A1和A3為四層角聯鎖結構。

圖1 異形三維圓管狀機織物示意圖

異形三維圓管狀機織物的經向截面圖如圖2所示。

圖2 異形三維圓管狀機織物經向截面圖

2.2.2 異形三維圓管狀機織物的織造

選用383 tex低捻玄武巖長絲束為經、緯紗。在SGA598型小樣織機上織造異形三維圓管狀機織物，在織造過程中，采用順穿法穿綜，穿筘時每筘8入。厚度為2 mm的異形三維圓管狀機織物A1和A3的 紗 線 層 數 均 為4層，A2為3層；經 密320根/10 cm，緯密1 181根/10 cm。

2.2.3 復合材料的制備

以異形三維圓管狀機織物為增強體，以環氧乙烯基改性樹脂V-118為基體，采用手糊成形工藝 制 備 復 合 材 料。V樹脂∶V固化劑∶V促進劑=100∶5∶5［14］。

2.3 性能測試

異形三維圓管狀機織復合材料的軸向壓縮參考GB/T 5350—2005《纖維增強熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗方法》，徑向壓縮參考GB/T 5352—2005《纖維增強熱固性塑料管平行板外載性能試驗方法》。試樣直徑50 mm，壁厚2 mm，長度100 mm，高度30 mm。測試加載速度2 mm/min。

3 測試結果與分析

3.1 壓縮性能

采用密度法測定纖維體積含量［15］，計算公式為：Vfρf=ρcVc-ρr（Vc-Vf）。其中：Vf為玄武巖纖維的體積，單位cm3；Vc為復合材料的體積，單位cm3；ρf為玄武巖纖維的單位體積質量，單位g/cm3；ρc為復合材料的單位體積質量，單位g/cm3；ρr為所用樹脂的單位體積質量，單位g/cm3。經轉化可得纖維體積含量的計算式為Vg=Vf/Vc×100%=(ρc-ρr)/(ρf-ρr)×100%。玄武巖纖維、復合材料以及所用樹脂的單位體積質量分別為2.80 g/cm3、2.15 g/cm3、1.70 g/cm3，計算可得纖維體積含量為40.91%。

測試的異形三維圓管狀機織復合材料軸向壓縮和徑向壓縮載荷-位移曲線如圖3所示。由圖3可知，其軸向壓縮和徑向壓縮載荷-位移曲線的變化趨勢都是先增加后下降。從圖3（a）軸向壓縮載荷-位移曲線可知，異形三維圓管狀機織復合材料的軸向最大壓縮載荷為15 002.90 N，最大載荷位移為3.03 mm。軸向壓縮載荷-位移曲線主要分為3個階段：首先，載荷隨著位移呈線性增加，此時樹脂與纖維結合良好，復合材料具有良好的彈性性能；其次，隨著位移增加，曲線斜率減小，此時樹脂與纖維受到載荷開始發生形變，纖維周圍的樹脂開始出現裂紋，裂紋逐漸向復合材料表面延伸直至材料承受最大壓縮載荷；最后，從峰值載荷開始曲線逐漸下降，復合材料受到壓縮變形，基體完全開裂，纖維增強體受到擠壓而斷裂。由于纖維斷裂不完全，沒有斷裂的纖維仍可以起到支撐作用，所以載荷-位移曲線表現為隨著位移增加載荷逐漸下降，直至復合材料被完全剪切破壞。從圖3（b）徑向壓縮載荷-位移曲線圖可知，異形三維圓管狀機織復合材料的徑向最大壓縮載荷為185.54 N，最大載荷位移為3.97 mm。徑向壓縮載荷-位移曲線也主要分為3個階段：首先，載荷也隨著位移增加呈線性增加，這是因為基體與增強體之間結合比較好，材料整體受力使管壁表現為較好的彈性；其次，隨著位移增加曲線斜率下降，由于接觸面積逐漸增大，基體首先發生斷裂而增強纖維逐漸受力發生斷裂，當達到最大載荷時，復合材料發生整體破壞；第3階段隨著位移增加，壓縮載荷逐漸下降，其原理與軸向第3階段壓縮原理相似。

由圖3可知，在相同條件下，軸向壓縮力學性能遠遠優于徑向壓縮力學性能。這是由于軸向壓縮時兩翼起到了良好的支撐作用，而在徑向壓縮時兩翼并沒有起到支撐作用。

圖3 壓縮載荷-位移曲線

3.2 壓縮破壞模式

異形三維圓管狀機織復合材料的失效模式主要為剪切破壞，一般表現為纖維斷裂、基體開裂以及纖維與基體產生脫黏。試樣在軸向壓縮初始時，樹脂基體首先發生碎裂，這可能是由于在復合材料成形時產生了不可避免的小氣泡，導致基體在氣泡處首先開裂。隨著壓縮的進一步增加，復合材料整體受力，纖維增強體發揮抗壓作用，直至復合材料被擠壓形成表面褶皺凹陷。此時，一部分纖維束首先發生斷裂，繼續增大載荷，使沒有斷裂的纖維平均受力增加，從而越來越多的纖維發生斷裂，直至復合材料到達承載極限，復合材料發生剪切斷裂。由于不是所有的纖維全部發生斷裂，還有其他沒有斷裂的纖維作為支撐，故復合材料受到壓縮破壞后仍能保持一定的完整性，如圖4（a）所示。

由于異形三維圓管狀機織復合材料在徑向壓縮時兩翼不起作用，壓縮開始時復合材料的接觸面積小；隨著壓縮的逐漸增加，圓管狀機織復合材料表面的樹脂基體首先產生縱向延伸裂紋，基體開裂；隨后與樹脂基體相連的增強纖維逐漸受力斷裂，中間圓管狀部分與兩翼連接的縫隙部分基體開裂嚴重。載荷增大，材料的接觸面積增大，共同受力的纖維數量增多；此時表現為隨著壓縮位移增大，壓縮載荷線性增加，異形三維圓管狀機織復合材料具有明顯的線性黏彈性，如圖4（b）所示。

圖4 異形三維圓管狀機織復合材料破壞形貌

4 結語

通過合理的設計，采用低捻玄武巖長絲束為經、緯紗，在普通織機上可以織造出異形三維圓管狀機織物。以環氧乙烯基改性樹脂為基體，通過手糊成形工藝制備了異形三維圓管狀機織復合材料。異形三維圓管狀機織復合材料承受軸向和徑向壓縮載荷時，均呈現先增大后減小的趨勢，但復合材料的軸向與徑向壓縮載荷存在明顯差異；異形三維圓管狀軸向載荷峰值遠遠大于徑向載荷峰值，軸向載荷峰值為15 002.90 N，徑向載荷峰值為185.54 N。異形三維圓管狀機織復合材料壓縮破壞模式表現出明顯的剪切破壞；即便材料破壞形式主要為樹脂開裂、纖維斷裂、纖維與樹脂界面脫黏等，但異形三維圓管狀機織復合材料仍表現出良好的整體性，無分層現象。