萬明達(dá)，李亞濱

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

三維機織角連鎖織物復(fù)合材料的加工與彎曲性能測試

萬明達(dá)，李亞濱

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

文章利用多臂小樣織機以玻璃纖維和芳綸為原料織造三維角連鎖織物，并采用真空輔助成型法和手工成型法加工復(fù)合材料。對成型的復(fù)合材料進行彎曲性能測試，通過測試數(shù)據(jù)分析表明：織物組織結(jié)構(gòu)、樹脂浸透程度以及加工方法都會影響復(fù)合材料的彎曲性能。

玻璃纖維；芳綸；角連鎖織物；復(fù)合材料；彎曲性能

復(fù)合材料科學(xué)是跨越機械、化學(xué)、化工、物理、紡織等多學(xué)科的新興學(xué)科。近20年來，對新型復(fù)合材料的設(shè)計及對復(fù)合材料的性能的分析和評價研究，取得了重大突破。由于全球結(jié)構(gòu)用材料消耗量日益增大，傳統(tǒng)的天然原材料資源逐漸短缺，人們越來越重視紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展與性能的改進。采用三維機織復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件，在航空、航天以及汽車工業(yè)有著很大的應(yīng)用潛力。本文主要介紹了四層機織角連鎖織物復(fù)合材料的加工，且對所加工的復(fù)合材料進行彎曲性能測試，并比較分析織物組織結(jié)構(gòu)和加工方法對復(fù)合材料彎曲性能的影響。

1 四層角連鎖織物設(shè)計與織造

多重緯（或多重經(jīng)）角聯(lián)鎖機織物由兩個系統(tǒng)的線構(gòu)成重疊聯(lián)鎖狀的交織［1］。當(dāng)經(jīng)線在織物厚度方向（Z向）構(gòu)成重疊，則緯線以一定的傾斜角在X方向與多重經(jīng)進行角聯(lián)鎖狀交織。反之，當(dāng)緯線在織物厚度方向（Z向）構(gòu)成重疊，則經(jīng)線以一定的傾斜角在X方向與多重緯進行角聯(lián)鎖狀交織。按照構(gòu)成重疊的紗線系統(tǒng)，可以分為多重經(jīng)角聯(lián)鎖和多重緯角聯(lián)鎖兩種。整個織物由4部分組成：上部織物層、下部織物層、上下織物層接結(jié)部分和上下織物層間間隙。接結(jié)部分的作用是將上、下兩層織物連結(jié)成一體，兩層織物間的縫隙可供加工復(fù)合材料時使用［2］。下面是根據(jù)需要所設(shè)計的四層貫穿和層間角連鎖織物組織圖，如圖1所示。

采用多臂小樣織機，型號為Y200S，筘號為75，經(jīng)紗總數(shù)為350根，每筘齒穿2根紗線，以玻璃纖維為例織造以上四層角連鎖織物。由于玻璃纖維紗線質(zhì)脆不耐磨，打緯過程中容易損傷，滌綸紗耐磨，彈力好，故布邊采用兩個循環(huán)的滌綸作經(jīng)紗，以減少織造過程中由于布邊摩擦太大造成的斷紗現(xiàn)象。為減小紗線摩擦盡量選用較大筘齒距，筘齒距又不宜過大。由于紗線是一種易于壓縮的柔性體，所以筘齒距的選定有一定的靈活性。設(shè)計時根據(jù)紗線直徑和每筘穿入數(shù)來選擇筘齒間距，最后根據(jù)組織結(jié)構(gòu)對筘號進行調(diào)整。

圖1 四層貫穿（左）和層間（右）角連鎖織物組織圖

玻璃紗線線密度為136tex，密度為2.5g／cm3，得出玻璃纖維直徑為0.8mm，因為每筘穿入數(shù)為2且玻璃復(fù)絲易于摩擦脆斷，所以要盡量加大筘齒間距，減小同筘齒中紗線間摩擦，筘齒距選定為2mm，對現(xiàn)有鋼筘進行改造以達(dá)到織造要求。本次所選用的筘號為75齒／10cm。織物規(guī)格見表1。

表1 織物的規(guī)格

2 角連鎖織物復(fù)合材料的加工

所選基體：四層機織玻璃纖維和芳綸角連鎖織物，3201乙烯基酯不飽和樹脂。采用手工成型法和真空輔助成型法將織物固化成型，形成板材。

2.1 手工成型法

手工成型法主要是以玻璃纖維布或片材和聚酯樹脂為原材料。在根據(jù)產(chǎn)品的形狀制造的底模上，先涂一層不粘膠或鋪一層不粘布或不粘薄膜等，然后鋪一層玻璃纖維布，再用刷子或滾輪等工具將樹脂涂抹在玻璃纖維布上，使樹脂均勻地滲透到玻璃纖維布里。重復(fù)此過程直到達(dá)到產(chǎn)品要求的厚度。然后將鋪層完成后的制品送進固化爐實現(xiàn)固化。固化條件主要根據(jù)樹脂的固化條件而定。許多玻纖／聚酯復(fù)合材料的產(chǎn)品可以在室溫條件下固化。手工成型法的工藝流程：制作底模→不粘處理→手工涂抹→固化→脫模。下面是手工成型加工過程：

①將芳綸／玻纖機織角連鎖織物裁剪成所需要的規(guī)格（21cm×31cm）。

②將實驗臺上的玻璃用丙酮擦洗干凈，以防有雜質(zhì)。

③等玻璃干后均勻地涂上一層薄薄的脫膜劑，防止成型后織物復(fù)合材料同玻璃粘在一起。

④等脫膜劑干后，再將修剪好的玻璃纖維機織布平鋪在玻璃上。

⑤配樹脂溶液，將樹脂、促進劑、固化劑按規(guī)定比例配置，一般固化劑是樹脂溶液的1.0%～1.5%，促進劑是樹脂溶液的4%～6%。

⑥用刷子浸透配好的樹脂溶液，均勻地涂抹到布樣上，控制好時間在15min左右，待布樣浸透后停止涂抹。

⑦等待12h后溫度已經(jīng)完全冷卻下來，便可輕輕揭開固化好的布樣，即可得到我們所要的復(fù)合材料。

2.2 真空輔助成型法

真空輔助成型工藝（VARI－Vacuum Assisted Resin Infusion）是一種新型的低成本的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，它是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物浸漬，并在室溫下進行固化，形成一定樹脂／纖維比例的工藝方法［3］。下面是真空輔助成型法加工過程（加工示意圖如圖2所示）：

圖2 真空輔助成型法加工示意圖

①將玻璃纖維機織布裁剪成所需要的規(guī)格（21cm×31cm）。

②將實驗臺上的玻璃用丙酮擦洗干凈，以防有雜質(zhì)。

③等玻璃干后均勻地涂上一層薄薄的脫膜劑，上下兩個玻璃板與織物接觸的面都要涂抹，防止成型后其同玻璃粘在一起。

④等脫膜劑干后，再將修剪好的布樣平鋪在玻璃上，然后在織物上蓋上比試樣面積稍小的玻璃（20cm×30cm）。

⑥將試樣密封好后，把吸樹脂斷的導(dǎo)流管用夾鉗密封，打開電源，開始抽真空，并檢查密封的效果，當(dāng)兩導(dǎo)流管均密封一段時間后，密封袋內(nèi)無氣泡，說明密封完好。

⑦配樹脂溶液，將樹脂、促進劑、固化劑按規(guī)定比例配置，一般固化劑是樹脂溶液的0.8%～1.2%，促進劑是樹脂溶液的4%～6%。抽好真空后，樹脂溶液里的氣泡都被趕出，這樣就可以進行樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型了。

⑧待樹脂浸滿整個玻璃氈后，夾住兩端的導(dǎo)流管，大約30min左右，便可感覺到織物的溫度急劇升高，這是因為不飽和樹脂在促進劑和固化劑的作用下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且樹脂溶液已經(jīng)開始成為凝膠狀。

⑨等待12h后溫度已經(jīng)完全冷卻下來，便可輕輕取出固化好的復(fù)合材料，即可得到我們所要的復(fù)合材料。

2.3 加工過程中應(yīng)注意的問題

2.3.1 一般固化劑是樹脂溶液的4%～6%，固化劑過少則會影響固化速度，過多則會出現(xiàn)固化過快的現(xiàn)象；促進劑是樹脂溶液的0.8%～1.2%，促進劑過多則會出現(xiàn)樹脂未抽完就凝固的現(xiàn)象，且與促進劑和樹脂反應(yīng)過于強烈，不利于實驗的進行。配制樹脂溶液時攪拌1～2min，使樹脂攪拌均勻再進行下步實驗。

2.3.2 由于真空袋加壓受力大，將玻璃磨邊，在真空袋和玻璃接觸的四角貼上透明膠帶；灌輸樹脂時，摁住膠管和真空袋的接口處，防止晃動掀開膠帶。

2.3.3 灌輸樹脂前檢查裝置密封性，保證密封完全后才灌輸樹脂；量取促進劑和固化劑時保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在灌樹脂時，應(yīng)控制樹脂的流量，使樹脂均勻地流進真空膜袋中，流量過大則會出現(xiàn)浸透不勻或浸透不充分。

2.3.4 灌輸樹脂時控制好樹脂進入量，在樹脂固化前盡量多抽些時間；在樹脂開始固化前停止灌輸樹脂，拔去塑料管時，應(yīng)保證拔取真空瓶連接端和灌輸樹脂端塑料管的同時性。

預(yù)制性詞塊教學(xué)法要求學(xué)生在腦中構(gòu)建預(yù)制性詞塊的專門記憶區(qū)域，這個區(qū)域中儲存的詞塊都由多個詞匯構(gòu)成，這無疑為學(xué)生提供了另一種詞匯聯(lián)系，而且這種聯(lián)系是與詞匯的應(yīng)用方法直接相關(guān)的。這種特性對外語教學(xué)的詞匯教學(xué)有很大的幫助，具體來說，學(xué)生在記憶一個單詞時，如果該單詞是已記憶詞塊的一部分，學(xué)生立刻就會同時想起詞塊中的其他單詞。[4]這種串聯(lián)式的詞匯記憶方法能極大地提高詞匯教學(xué)的能效，也能迅速擴展學(xué)生的詞匯量。此外，學(xué)生在向預(yù)制性詞塊的專門區(qū)域輸入預(yù)制詞塊時，詞塊中的所有單詞都相當(dāng)于經(jīng)歷了一遍再記憶的過程，有利于單詞記憶的復(fù)習(xí)和強化。

3 彎曲性能測試

彎曲復(fù)合材料在彎曲試驗中受力狀態(tài)比較復(fù)雜，拉、壓、剪、擠壓等力同時對試樣作用，因而對成型工藝配方，試驗條件等因素的敏感性較大。用彎曲試驗作為篩選試驗是簡單易行的方法［4］。復(fù)合材料的彎曲試驗一般采用三點加載簡支梁法，即將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在兩支點上，在中間施加載荷，使試樣變形直至破壞。如圖3所示。

3.1 實驗前準(zhǔn)備

（1）將每一種復(fù)合材料薄板試樣剪截成小塊的小長方形板，規(guī)格為長：20cm，寬：2cm，要6塊。

（2）調(diào)整試驗機器的相關(guān)數(shù)據(jù)和測試項目，按照標(biāo)準(zhǔn)更換合適的實驗原件。

圖3 彎曲性能測試示意圖

（3）將進行試驗的每種復(fù)合材料薄板試樣進行編號，每種試樣按順序測試6次。

（4）設(shè)定所需要的參數(shù)，預(yù)放置實驗復(fù)合材料后微調(diào)機器，將彎曲應(yīng)力和位移歸零。

注意事項：截取復(fù)合材料時避免損傷材料，以免影響實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；操作機器時按方法操作，每測試一塊板時要應(yīng)力歸零。

3.2 實驗操作及流程

彎曲性能實驗測試標(biāo)準(zhǔn)參考GB／T 3356—1982。

（1）根據(jù)試樣的基本參數(shù)設(shè)置加載速率為18 mm／min。

（2）將試樣按照編號固定在instron advanced universal tester的夾持器上，設(shè)置跨距為60mm。

（3）按下啟動按鈕，觀察破壞試樣的過程。

（4）取下試樣，可以清晰地看到試樣上有一道白色的痕跡，可以確定試樣被破壞。

（5）打印出應(yīng)力－應(yīng)變曲線及彎曲模量數(shù)據(jù)表。

觀察測試后的玻璃纖維復(fù)合材料樣品，由于測試樣品較薄，柔韌性好，受壓時緩沖位移較大，材料不能被完全破壞，看不到明顯的斷裂，只有一道受損后表現(xiàn)出來的白色折痕。

4 結(jié)果與分析

4.1 實驗結(jié)果

將準(zhǔn)備好的試樣分組測試后，得到最大負(fù)荷、最大應(yīng)力、彎曲模量數(shù)據(jù)表和彎曲應(yīng)力－應(yīng)變曲線。將每組數(shù)據(jù)取平均數(shù)，得出樣品的彎曲性能值，如表2所示。測試過程中，自動生成試樣彎曲時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖4～圖7。

表2 試樣的彎曲性能

4.2 實驗分析

4.2.1 觀察彎曲應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖5和圖7，剛開始接近于一個線性增大的曲線，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)峰值時，材料被破壞，但是由于測試樣品為四層機織角連鎖織物復(fù)合材料，較薄，柔韌性好，且受壓時緩沖位移較大，以至于應(yīng)力到達(dá)峰值時，材料不能被完全破壞，峰值后依然有應(yīng)力存在。材料沒有明顯的斷裂、劈開等現(xiàn)象，但此時該材料已經(jīng)破壞，無法繼續(xù)使用。

4.2.2 觀察彎曲應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖4和圖6，應(yīng)力到達(dá)峰值前，曲線為鋸齒狀的非平滑曲線，這是由于試樣1和試樣3為手工成型法加工所得到的，因為樹脂的浸透不充分以及涂抹不均勻等原因?qū)е缕茐臅r受力不勻和破壞不同時性。

4.2.3 比較手工成型法和真空輔助成型法所得到的角連鎖織物復(fù)合材料的彎曲性能和應(yīng)力－應(yīng)變曲線，后者的最大負(fù)荷、最大應(yīng)力和彎曲模量明顯高于前者，且后者的在受破壞時受力均勻性明顯優(yōu)于前者，說明后者具有更好的彎曲性能。這是因為加工工藝的不同，后者的加工更精細(xì)，在樹脂浸透纖維程度、固化均勻度等方面要優(yōu)于前者。4.2.4 比較試樣2和試樣4的彎曲性能和應(yīng)力－應(yīng)變曲線，前者的最大負(fù)荷、最大應(yīng)力和彎曲模量明顯高于后者，層間機織角連鎖織物復(fù)合材料受到破壞時需要更大的應(yīng)力且具有更大的彎曲模量。四層層間角連鎖和四層貫穿角連鎖的組織結(jié)構(gòu)不同，織物緊湊性，接結(jié)方式和接結(jié)深度等有差異，因此會影響到樹脂的浸漬等，進而影響到織物復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于層間織物的接結(jié)深度大，織物的緊密性好，因此層間結(jié)構(gòu)能夠最大限度地利用預(yù)型件單元體積空間。

5 結(jié)語

在織物復(fù)合材料的加工過程中，加工工藝、織物組織結(jié)構(gòu)以及樹脂浸透程度等都會影響到復(fù)合材料的彎曲性能：真空輔助成型法明顯優(yōu)于手工成型法，所得復(fù)合材料具有更好的彎曲性能；樹脂浸漬充分，固化均勻的織物復(fù)合材料具有更大的彎曲應(yīng)力和模量；機織層間角連鎖織物復(fù)合材料比貫穿角連鎖織物復(fù)合材料力學(xué)性能強。因此，要獲得優(yōu)良的織物復(fù)合材料，需要根據(jù)需求選擇最優(yōu)的織物組織設(shè)計和加工工藝。

［1］顧平.多重緯角連鎖三維機織物結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.上海紡織科技，2002，32（4）：24—26.

［2］唐予遠(yuǎn)，趙連勝，丁 辛.三維機織預(yù)成形件的設(shè)計與試織［J］.棉紡織科技，2009，37（9）：517—519.

［3］王榮國，武衛(wèi)莉，谷萬里.復(fù)合材料概論［M］.哈爾濱：哈爾濱業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［4］高斌.工程力學(xué)［M］.長沙：湖南大學(xué)出版社，2005.

Processing and Bending Performance Test of Three－dimensional Woven Angle Chain Fabric Composites

WanMingda，LiYabin
（Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Three－dimensional angle Chain fabrics made from glass fiber and aramid were weaved on dobby hand sample machine.Composite materials were processed with the method of vacum assisted molding and hand lay－up molding.The bending properties of composite material were tested.The analysis on the test result show that the fabric structure，degree of soaked resin and processing methods have some effect on the bending properties of molded composite materials.

glass fiber；aramid；angle chain fabric；composite material；bending performance

TS101.92＋3

A

1009－3028（2012）03－0005－05

2012－04－12

萬明達(dá)（1988—），男，河南固始人，碩士研究生。