不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

邵建娜 賈 浩 張雅秀 曾欣怡 蔣 云

（江南大學(xué)，江蘇無錫， 214122）

三維針刺成型工藝是一種低成本預(yù)制體的制備技術(shù)，網(wǎng)胎中的短切纖維通過刺針帶入織物厚度方向，增加了織物層間強(qiáng)度，其具有制作成本低、周期短、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)［1］。針刺是利用機(jī)械加固，把纖網(wǎng)中的纖維在機(jī)械外力的作用下通過摩擦、抱合、纏結(jié)加固成非織造布，纖維之間產(chǎn)生柔性糾纏，使得層與層結(jié)合在一起，而且最終產(chǎn)物擁有較好的尺寸穩(wěn)定性，針刺后不影響纖維的原有特性，因其Z向纖維的工藝特點(diǎn)，針刺復(fù)合材料預(yù)制體有著良好的層間性能，使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛［2］。網(wǎng)胎為預(yù)制體提供了較好的層間性能，但力學(xué)性能較差，而機(jī)織布為預(yù)制體提供了力學(xué)性能，故采用網(wǎng)胎/機(jī)織布交替制備預(yù)制體。在針刺過程中，利用刺針對織物進(jìn)行上下反復(fù)穿刺，將纖網(wǎng)表面的纖維通過刺鉤隨著刺針運(yùn)動(dòng)強(qiáng)行帶入纖網(wǎng)內(nèi)部，使得纖網(wǎng)中的纖維相互纏結(jié)，保證針刺產(chǎn)品在具有一定強(qiáng)力的同時(shí)也可以增加其厚度。

針刺成型預(yù)制體具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、孔隙分布均勻、易致密成型等優(yōu)點(diǎn)［3］，改善了鋪層結(jié)構(gòu)層間強(qiáng)度低、工藝復(fù)雜和成本高等缺點(diǎn)［4］。該工藝不僅改善了2D 鋪層預(yù)制體層間強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)，也解決了3D 編制預(yù)制體工藝的復(fù)雜性，可廣泛應(yīng)用在航天航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。石英纖維相比于其他玻璃纖維具有更加優(yōu)異的電透波性能和較低的成本，其復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、良好的熱性能和介電性能［5］。因此石英纖維被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、雷達(dá)等天線罩體［6］。

劉延友等［7］利用疊層針刺工藝得到碳纖維復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著針刺密度、針刺深度的增加，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能逐漸下降，層間剪切性能先提高后降低；紀(jì)伶伶等［8］使用不同機(jī)織結(jié)構(gòu)的碳布測試針刺后的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)3K 斜紋碳布具有良好的拉伸性能；JI A L 等［9］研究了疊層針刺碳布的X-Y向拉伸性能，發(fā)現(xiàn)隨著針刺密度的增加拉伸性能下降。

為了驗(yàn)證石英針刺氈結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及可靠性、針刺密度對石英針刺氈及其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，通過力學(xué)試驗(yàn)并結(jié)合形貌分析進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用湖北菲利華石英玻璃股份有限公司的平紋布和網(wǎng)胎，平紋布和網(wǎng)胎具體參數(shù)如下。

1.2 刺針針形概述

刺針分為工作段、中間段和針桿三部分，其示意圖見圖1。最重要的是工作段，工作段上的針尖、刺鉤和刺鉤之間的距離是影響針刺復(fù)合材料性能的主要因素。

圖1 刺針示意圖

常見的刺針類型有標(biāo)準(zhǔn)三角形刺針、星形刺針、叉形刺針、漸變鉤刺針、錐形刺針、水滴形刺針等。針尖形式有標(biāo)準(zhǔn)形針尖、鋒銳利形針尖、圓形針尖（圓形針尖有不同圓度形式）、異形針尖（例如叉形針等）。常見的標(biāo)準(zhǔn)三角形刺針用途廣泛，可以用于大部分的針刺，滿足各種用途的預(yù)制體；星形刺針主要應(yīng)用于厚重產(chǎn)品以及對各項(xiàng)同性要求高的厚重土工布；錐形刺針適用于天然纖維、再生纖維及高韌性纖維的針刺；水滴形刺針適用于有底布的針刺，如濾氈、裝潢用針刺氈等。

試驗(yàn)采用的針形為標(biāo)準(zhǔn)三棱針針形，工作段兩邊有刺鉤，上下刺鉤不在同一平面上。

1.3 石英針刺氈的制備

先將機(jī)織布與網(wǎng)胎進(jìn)行預(yù)刺，針刺深度11 mm，目的是讓網(wǎng)胎和機(jī)織布黏連在一起形成一個(gè)整體，后續(xù)在鋪層和針刺中會(huì)更加方便。將預(yù)刺好的單層石英氈放好備用，在針刺過程中一層層疊加至完成最終的針刺纖維氈，見圖2。

圖2 石英針刺氈制備流程圖及示意圖

1.4 復(fù)合材料的制備

本研究采用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型（VARTM）的方法，該方法是一種低成本、工藝相對簡單和只需要單面模具的新型復(fù)合材料成型工藝。采用惠柏環(huán)氧樹脂GE-7118A、GE-7114B，按照100∶30 質(zhì)量比進(jìn)行混合，制備工藝見圖3。

圖3 VARTM 工藝示意圖

通過管道將樹脂、模具和真空泵進(jìn)行連接，樹脂通過真空泵產(chǎn)生真空壓力滲透到增強(qiáng)纖維的縫隙中，在纖維織物上鋪設(shè)的導(dǎo)流網(wǎng)能更好地促進(jìn)樹脂流動(dòng)，讓樹脂更好浸漬織物，多余的樹脂通過管道進(jìn)入樹脂收集器中，關(guān)閉真空泵進(jìn)行固化，常溫固化12 h后放入烤箱內(nèi)加熱至80°、固化12 h。復(fù)合材料尺寸為300 mm×300 mm×（4±0.5） mm。

1.5 性能表征

對比針刺密度為30針/cm2、50針/cm2、70針/cm2的石英針刺氈力學(xué)性能。采用HD026N 型電子織物強(qiáng)力儀、YG028 型強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測試。石英針刺氈機(jī)織布試樣尺寸50 mm×250 mm，石英針刺氈試樣尺寸120 mm×25 mm×4 mm。

對比不同密度的石英針刺氈復(fù)合材料力學(xué)性能，S0 為對比樣無針刺二維層壓板，S1、S2、S3 分別是針刺密度為30 針/cm2、50 針/cm2、70 針/cm2的石英針刺氈復(fù)合材料。采用UTM5504型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，SU1510 型電子顯微鏡、VHX-5000型超景深顯微鏡觀察形貌。拉伸試件尺寸250 mm×25 mm×4 mm，剪切試件尺寸30 mm×10 mm×4 mm，彎曲試件尺寸80 mm×15 mm×4 mm，壓縮試件尺寸10 mm×10 mm×4 mm。

2 石英針刺氈力學(xué)性能分析

2.1 石英針刺氈機(jī)織布的拉伸性能

由于刺鉤朝下，刺針向下刺入纖維時(shí)，刺鉤開口方向與刺針運(yùn)動(dòng)方向一致，齒槽攜帶纖維向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)刺針向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，刺鉤方向與刺針運(yùn)動(dòng)方向相反，不攜帶纖維，纖維在織物的Z向形成“銷釘”結(jié)構(gòu)。隨著針刺密度的增加，織物被帶入Z向的纖維數(shù)量增加，纖維損傷斷裂的數(shù)目增加，織物結(jié)構(gòu)變得松散，紗線之間約束力減小，織物強(qiáng)力下降。

不同針刺密度的石英氈機(jī)織布經(jīng)緯向拉伸性能見圖4。由圖4（a）可以看出，針刺密度30 針/cm2時(shí)，經(jīng)向機(jī)織布拉伸性能最好，最大拉伸斷裂強(qiáng)力為576.12 N。針刺密度越大，石英針刺氈機(jī)織布力學(xué)性能越差，每層機(jī)織布的拉伸性能也有遞減趨勢。由圖4（b）可以看出，機(jī)織布的經(jīng)向拉伸性能優(yōu)于緯向拉伸性能。機(jī)織布經(jīng)向最大拉伸斷裂強(qiáng)力大于緯向，這是由于機(jī)織布的經(jīng)密大于緯密，刺針在刺入織物的過程中，經(jīng)向紗線更容易被刺鉤帶入到下層。隨著針刺密度的增加，機(jī)織布的最大拉伸斷裂強(qiáng)力減小，隨著層數(shù)的增加，機(jī)織布的拉伸斷裂強(qiáng)力呈下降趨勢，由于疊層針刺的工藝，下層的機(jī)織布針刺次數(shù)高于上層，纖維損傷破壞越嚴(yán)重，故隨著層數(shù)的增加機(jī)織布的強(qiáng)力隨之減少。

圖4 不同針刺密度石英氈機(jī)織布經(jīng)緯向拉伸性能

隨著針刺密度的增加，刺針對機(jī)織布的損傷越嚴(yán)重，纖維斷裂越多，機(jī)織布的完整性受到破壞，機(jī)織布的拉伸性能下降，不同針刺密度石英氈機(jī)織布形貌見圖5。

圖5 不同針刺密度石英氈機(jī)織布形貌

2.2 石英針刺氈的拉伸性能

石英針刺氈的拉伸性能主要由石英機(jī)織布所提供，石英網(wǎng)胎提供的拉伸性能可以忽略，不同針刺密度石英針刺氈拉伸性能見圖6。隨著針刺密度從30 針/cm2增加到70 針/cm2，拉伸強(qiáng)度從8.29 MPa 減小到3.54 MPa。隨著針刺密度增加，石英機(jī)織布在針刺過程中纖維的斷裂損傷數(shù)目增加，機(jī)織布結(jié)構(gòu)變得松散不再緊湊，強(qiáng)力也隨之下降。針刺密度增加到一定程度后機(jī)織布損傷嚴(yán)重，織物結(jié)構(gòu)基本被破壞，刺針對機(jī)織布的破壞損傷達(dá)到極限［10］，此時(shí)針刺氈的力學(xué)性能下降程度變緩。拉伸伸長率隨著針刺密度的增加而減小，拉伸伸長率主要是由機(jī)織布的力學(xué)性能影響，機(jī)織布損傷較小時(shí)，纖維較完整，在拉伸時(shí)伸長率相對較大；針刺密度增加，纖維被損傷的比例增加，損傷的纖維伸長率變小甚至沒有。

圖6 不同針刺密度石英針刺氈拉伸性能

2.3 石英針刺氈層間剝離強(qiáng)度

隨著針刺密度的增加，Z向纖維數(shù)量逐漸增加，石英針刺氈的縱向（Z向）結(jié)合力主要是由刺針在針刺過程中把網(wǎng)胎的纖維帶入Z向所提供的［11］，故前期針刺氈的層間剝離力是隨著針刺密度的增加而變大，但隨著針刺密度的增加，刺針帶入的纖維增加，纖維產(chǎn)生纏結(jié)甚至損傷斷裂，網(wǎng)胎在針刺密度加大后被帶走的纖維越來越多，致使層間的網(wǎng)胎變薄。不同針刺密度層間剝離強(qiáng)度對比見圖7。

圖7 不同針刺密度層間剝離強(qiáng)度對比

可以看出，在針刺密度30 針/cm2~70 針/cm2時(shí)，層間剝離強(qiáng)度隨著針刺密度的增加而減少。層間剝離強(qiáng)度在針刺密度30 針/cm2時(shí)為156.53 N/m，針刺密度70 針/cm2時(shí)層間剝離強(qiáng)度降低到86.93 N/m。

3 石英針刺氈復(fù)合材料力學(xué)性能分析

3.1 拉伸性能

4 種石英針刺氈復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量見圖8。隨著針刺密度的增加，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量呈下降趨勢，試樣S0~試樣S3 的拉伸強(qiáng)度由104.62 MPa 下降到72.61 MPa，拉伸模量由39.51 MPa 下降到33.72 MPa。根據(jù)下降趨勢發(fā)現(xiàn)，在針刺密度增加到一定程度時(shí)，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的下降趨勢變緩。如試樣S2 和試樣S3，拉伸強(qiáng)度由80.89 MPa 下降到72.61 MPa，拉伸模量由34.82 MPa 下降到33.72 MPa。

圖8 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料拉伸性能

不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料拉伸斷裂形貌見圖9。

圖9 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料拉伸斷裂形貌

可以看出，試樣S0 無Z向纖維，主要力學(xué)性能由樹脂基體和纖維增強(qiáng)體提供，斷裂形式主要是基體受到力，然后力傳到纖維增強(qiáng)體，纖維增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)完整性程度保證了試樣的拉伸性能。S0 屬于無針刺對比樣，其結(jié)構(gòu)完整性最好，沒有受到針刺過程對纖維的損傷，故拉伸性能最好。隨著針刺密度的增加，試樣S1、試樣S2、試樣S3縱向出現(xiàn)纖維束，纖維完整性受到破壞，試樣的拉伸性能越差。因此，為了保證適當(dāng)?shù)睦煨阅埽槾堂芏葢?yīng)相對減小。

3.2 剪切性能

對不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料的剪切性能進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度變化見圖10。可以看出，針刺密度在0 針/cm2~70 針/cm2時(shí)，剪切強(qiáng)度出現(xiàn)先增后減的趨勢，針刺密度50 針/cm2時(shí)，剪切強(qiáng)度最大（36.87 MPa）。層間剪切強(qiáng)度主要來源于刺針在針刺過程中將平面短切網(wǎng)胎的纖維帶入到Z向，與平面網(wǎng)胎、機(jī)織布等單元層之間形成相互作用力。由于針刺密度的增加使得刺鉤對網(wǎng)胎中的短纖維作用次數(shù)增加，攜帶纖維引入Z向的纖維數(shù)目增加，層間強(qiáng)度隨著縱向纖維數(shù)目的增加而變大。但針刺密度增加到一定程度，預(yù)制體單元層上相鄰的針孔間距變小，刺鉤所能攜帶的長纖維數(shù)量減少，針孔也容易出現(xiàn)重復(fù)針刺的情況，之前刺針帶入到Z向的長纖維出現(xiàn)損傷斷裂的情況，使得整體針刺氈的Z向纖維數(shù)目質(zhì)量變差，抱合力變小，故剪切強(qiáng)度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖10 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料剪切性能

不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料剪切斷裂形貌見圖11。試樣S0 無針刺，無縱向纖維束，無法通過纖維束向內(nèi)部傳遞剪切應(yīng)力，故斷裂截面平整僅有X、Y向纖維斷裂，而試樣S1、試樣S2、試樣S3 均有Z向纖維束且斷裂截面不平整。

圖11 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料剪切斷裂形貌

3.3 彎曲性能

4 種不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料的彎曲測試結(jié)果見圖12。可以看出，隨著針刺密度的增加，彎曲強(qiáng)度先增大后減小，針刺密度為30針/cm2時(shí)，彎曲強(qiáng)度最高達(dá)到205.43 MPa。石英針刺氈復(fù)合材料隨著針刺密度的增加，預(yù)制體受到的針刺次數(shù)增加，在Z方向上由刺鉤帶入的纖維數(shù)目增加，加強(qiáng)了層間纖維的纏結(jié)，使得層間孔隙減小，預(yù)制體結(jié)構(gòu)更加緊密。但隨著針刺密度的不斷增加，針刺針孔增加，出現(xiàn)重復(fù)針刺，使得之前被刺針帶入的纖維損傷斷裂，造成過刺，所以適度的針刺密度對彎曲性能有利。

不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖13。可以看出，4 種試樣的應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加而增加，達(dá)到最大值后，應(yīng)力迅速減小。不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料具有脆性斷裂特征，表明試樣在受力時(shí)是整體承受載荷，針刺過程形成的Z向纖維束“銷釘”結(jié)構(gòu)在貫穿材料的同時(shí)也有利于把承受的應(yīng)力向內(nèi)部傳遞轉(zhuǎn)移，增加了試樣的彎曲性能；但針刺密度過高時(shí)，針孔數(shù)目增加，水平方向纖維損傷斷裂加深，該方向上纖維的完整性和連續(xù)性被破壞，彎曲性能隨之減小。當(dāng)針刺密度為0 針/cm2~30 針/cm2時(shí)，針刺密度的增加有利于石英針刺氈復(fù)合材料彎曲性能的提高。

圖13 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料彎曲斷裂形貌見圖14。可以看出，彎曲斷裂隨著針刺密度的增加，斷裂截面的平整度下降。這是由于石英針刺氈復(fù)合材料在受到彎曲應(yīng)力時(shí)，纖維束把表面應(yīng)力向內(nèi)部傳遞，故隨著針刺密度的增加，彎曲性能增加；但隨著針刺密度的增加，纖維損傷斷裂嚴(yán)重，斷裂處纖維雜亂，復(fù)合材料的彎曲性能出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著針刺密度的不斷增加而減小。

圖14 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料彎曲斷裂形貌

3.4 壓縮性能

壓縮性能主要是受各鋪層間的緊密強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度的影響，不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料壓縮性能見圖15。可以看出，隨著針刺密度的增加，壓縮強(qiáng)度增加。這是因?yàn)樵趬嚎s時(shí)，樹脂和纖維增強(qiáng)體共同承擔(dān)壓縮載荷，隨著針刺密度的增加，Z向的纖維數(shù)量分布更多，層間緊密性更好，纖維增強(qiáng)體與樹脂的結(jié)合越好［12］。針刺密度為70 針/cm2時(shí)，試樣壓縮強(qiáng)度最高，為966.02 MPa。

圖15 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料壓縮性能

不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料壓縮斷裂截面形貌（縮略圖為壓縮平面與壓縮側(cè)面）見圖16。可以看出，壓縮正面?zhèn)让嬗辛鸭y，但無明顯碎裂，這是因?yàn)闃渲c針刺預(yù)制體結(jié)合緊密且樹脂不易碎裂，但壓縮強(qiáng)力會(huì)使內(nèi)部出現(xiàn)裂痕。隨著針刺密度的增加，樹脂與石英針刺氈結(jié)合越好，裂紋越小。

圖16 不同針刺密度石英針刺氈復(fù)合材料壓縮斷裂形貌

4 結(jié)論

（1）隨著針刺密度的增加，石英針刺氈機(jī)織布和石英針刺氈的拉伸性能下降，針刺密度的增加使得機(jī)織布受到一定程度的損傷，石英針刺氈的拉伸性能主要是由機(jī)織布所提供，故隨著機(jī)織布的損傷程度加大，石英針刺氈的拉伸性能減小。針刺密度為0 針/cm2~30 針/cm2時(shí)，石英針刺氈層間剝離強(qiáng)度隨著針刺密度的增加而增加，當(dāng)針刺密度為30 針/cm2~70 針/cm2時(shí)，層間剝離強(qiáng)度隨著針刺密度的增加而減小。這是由于一定的針刺密度為石英針刺氈Z向提供了纖維，使得層與層之間的結(jié)合力增大，但隨著針刺密度的加大，造成過刺，使得引入的Z向纖維斷裂受傷，層間的結(jié)合力反而下降。

（2）石英針刺氈復(fù)合材料的拉伸性能隨著針刺密度的增加而降低，在針刺密度增加到70針/cm2時(shí)，拉伸強(qiáng)度由104.62 MPa 下降到72.61 MPa，拉伸強(qiáng)度主要依靠石英機(jī)織布所提供，針刺密度增大時(shí)，刺針穿入機(jī)織布的次數(shù)增加，對機(jī)織布的損傷加大。

（3）石英針刺氈復(fù)合材料的剪切和彎曲性能都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。由于剪切和彎曲性能主要由刺針在針刺過程中帶入的Z向纖維所提供，隨著針刺密度的增加，剪切性能和彎曲性能增加，但針刺密度過大，會(huì)造成針刺氈過刺，導(dǎo)致帶入的Z向纖維損傷斷裂，使得剪切和彎曲性能下降。在針刺密度為50 針/cm2時(shí)，剪切強(qiáng)度最大，為36.87 MPa；在針刺密度為30 針/cm2時(shí)，彎曲強(qiáng)度最高，為205.43 MPa。

（4）石英針刺氈復(fù)合材料的壓縮性能隨著針刺密度的增加而變大。由于壓縮載荷是由樹脂和纖維增強(qiáng)體共同承擔(dān)，隨著針刺密度的增加，針刺氈本身更加緊密，在復(fù)合時(shí)與樹脂的結(jié)合也更好，在針刺密度為70 針/cm2時(shí)，試樣壓縮強(qiáng)度最高，為966.02 MPa。