多層機織預成型體結構及力學性能研究

劉希艷

(西安工程大學 協同創新中心,陜西 西安 710048)

三維機織預成型體是三維紡織復合材料中應用最為廣泛的增強體結構,它使復合材料成為第一承力的結構件或具有特殊的功能,并具有較高的損傷容限和穩定性[1-3]。作為三維紡織結構中的一個重要分支,角聯鎖結構因尺寸穩定性能好、結構整體性優[4]、層間力學性能優異、可實現多層整體織造,滿足高厚一體化的使用要求,在航天器天線罩性能測試用隨爐試樣、戰術導彈空氣舵等結構功能一體化部件上得到應用。然而,傳統的三維機織復合材料只包括平面內0°和90°紗線,這導致平面內剪切性能差,因此不能用于具有高剪切性能要求的結構航空航天應用,如航空關節板和扭轉舵軸[5-6]。目前,隨著我國武器型號的升級換代和更高的性能要求,對其面內±45°方向和經向力學性能提出了進一步強化的指標要求。對幾種典型角聯鎖機織結構及其力學性能做了對比分析,研究了其發展現狀,為多層角聯鎖機織預成型體的應用研究提供理論參考。

1 多層角聯鎖機織預成型體結構類型

角聯鎖機織預成型體的結構設計是影響其力學性能的主要因素,它由接結經紗、緯紗、襯經和襯緯等紗線系統組成,前兩個系統是構成三維角聯鎖結構所必需的紗線,后兩個系統紗線可隨需求進行選擇[7-9]。與正交組織相比,角聯鎖組織的交織規律更為復雜[10],織物結構多種多樣,可細分為淺交彎聯、淺交直聯、襯經淺交彎聯和襯經淺交直聯等組織類型。

1.1 淺交彎聯

如圖1淺交彎聯紗線結構圖所示,接結經紗為波浪形的彎曲結構,緯紗為伸直的直線,織物交織點多,經紗彎曲大。如圖2淺交彎聯立體結構圖所示,接結經紗沿預成型體成形方向,將預成型體層與層之間接結相連,紗線在預成型體內部呈正弦曲線狀態,緯紗垂直于預成型體成形方向,紗線在預成型體內部呈直線狀態。

圖2 淺交彎聯立體結構圖

1.2 淺交直聯

如圖3淺交直聯紗線結構所示,接結經紗為彎曲結構,緯紗和襯緯紗為伸直結構,層間織物交織點較少,經紗彎曲相對彎聯較小。如圖4淺交彎聯立體結構圖所示,淺交直聯結構是在淺交彎聯結構的基礎上,增加了平口襯緯的引入。接結經紗沿預成型體成形方向,將預成型體層與層之間接結相連,紗線在預成型體內部呈正弦曲線狀態,緯紗和襯緯均垂直于預成型體成形方向,紗線在預成型體內部呈直線狀態。

圖3 淺交直聯紗線結構圖

圖4 淺交直聯立體結構圖

2 多層角聯鎖機織預成型體性能對比

參與織造的各種紗線參數決定了織物的幾何結構,不同的機織參數(經密、緯密等)決定紗線的最終截面形狀,因而不同的織物幅面和打緊過程將生成不同幾何尺寸的織物,其性能也不完全相同[11]。在經紗密度和緯紗密度相同的情況下,淺交直聯比淺交彎聯的織物更柔軟、松散(表1、表2)。

表1 角聯鎖結構增強樹脂基復合材料彎曲性能測試數據

表2 角聯鎖結構增強樹脂基復合材料拉伸性能測試數據

綜上結論:淺交直聯的經向、緯向彎曲強度和彎曲模量高于淺交彎聯;淺交直聯的經向拉伸強度和拉伸模量最低低于淺交彎聯。為了綜合提升預成型體的拉伸強度和拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量,設計了兩種新結構:一種是淺交直聯和淺交彎聯的組合結構,其紗線結構圖和立體結構圖分別如圖5和圖6所示。另一種是斜交聯結構,其紗線結構圖和立體結構圖分別如圖7和圖8所示。

表3 角聯鎖結構淺交彎聯和淺交直聯綜合性能對比

圖5 淺交彎聯+淺交直聯紗線結構圖

圖6 淺交彎聯+淺交直聯立體結構圖

圖7 斜交聯紗線結構圖

圖8 斜交聯立體結構圖

3 角聯鎖結構對力學性能影響的研究現狀

周洪濤等[12]對5層2.5 D層間彎交淺聯預制件織物組織和各項參數進行了設計并試織,探討了其可織性。高雄[13]以不同三維機織結構為基礎,設計織造并對比3種典型三維機織結構(淺交彎聯、淺交直聯和三向正交)的復材板結構性能差異,通過綜合分析得出正交三向的經向力學性能好,淺交直聯整體力學性能均衡,可織性好;相比之下淺交彎聯雖然抗分層效果好,但其他力學性能較差。楊彩云等[14]評價了4種不同結構的層-層正交角聯鎖機織復合材料沿不同角度方向的力學性能。試驗結果表明:4種不同結構復合材料的各向異性力學性能有差異,經向力學性能以帶襯經的角聯鎖結構為最佳,而緯向力學性能以緯密大的角聯鎖結構為最佳。充分認識并合理利用這種正交各向異性的力學性能是復合材料設計及應用人員面臨并急需解決的問題[15]。

馮古雨等[16]對比分析了含襯經結構與不含襯經結構的淺交彎聯機織物的經緯向拉伸性能和彎曲性能,發現在拉伸載荷下,含襯經結構的織物經緯向都呈現出更高的彈性模量。郭瑞彥[17]等設計了幾種不同參數的襯經角聯鎖織物,通過測試分析織物結構對復合材料拉伸性能的影響,得出織物結構中,襯經密度能夠顯著提高織物增強樹脂基復合材料經向的拉伸性能,提高程度最高達60.06%。Labanieh等[18]對比分析了多軸向三維機織技術中斜向紗的引入方式,開發了導塊式斜向紗引入技術。Kadir Bilisik[19]對表層含有±45°斜向紗的機織復合材料的面內剪切、層間剪切和彎曲性能進行了試驗研究,并與相同纖維體積含量的三向正交復合材料進行對比,測試結果顯示,含斜向紗的復合材料試樣面內剪切模量和強度均高于三向正交復合材料,而層間剪切和彎曲性能均低于三向正交復合材料試樣。陳利[20]等在層聯機織結構基礎上開發了一種多軸向層聯機織結構,發現通過引入面內傾斜紗線改善了層聯機織結構的面內剪切性能。郭瑞清等通過引入面內傾斜紗線改善了層聯機織結構的面內剪切性能。

4 結論

機織預成型體結構對復合材料的力學性能具有重要影響,因此材料的力學性能可通過設計新型的角聯鎖機織預成型體結構來改善機織材料性能。(1)采用淺交直聯和淺交彎聯的組合結構,可取長補短使預成型體的抗分層能力得到提高,整體力學性能得到改善。(2)在基礎結構中引入沿預成型體成形方向伸直狀態的襯經紗可提高復合材料的經向拉伸性能和彈性模量。(3)斜向紗的引入可有效改善復合材料面內各向同性的特點,從而提高面內剪切性能,基于此原理,可設計出斜交聯結構來改善此性能,其工藝設計較引入斜向紗簡單。