袁新林，徐艷華

（常熟理工學(xué)院 藝術(shù)與服裝工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

機(jī)織針織復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能

袁新林，徐艷華

（常熟理工學(xué)院 藝術(shù)與服裝工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

選用玻璃纖維作為經(jīng)緯紗，高強(qiáng)滌綸作為針織紗，編織機(jī)織針織復(fù)合（CWK）織物，并以其為增強(qiáng)體采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝制作增強(qiáng)復(fù)合材料.對(duì)該增強(qiáng)復(fù)合材料的橫向、縱向和斜向彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試，分析各個(gè)方向的彎曲載荷-撓度特征曲線及其彎曲斷裂形態(tài).研究結(jié)果顯示：該增強(qiáng)復(fù)合材料具有較好的軸向彎曲性能，其橫向和縱向彎曲性能均優(yōu)于斜向，且彎曲斷裂都表現(xiàn)出一定的塑性，橫向的彎曲能量低于其他方向.

機(jī)織針織復(fù)合織物；增強(qiáng)復(fù)合材料；彎曲性能；破壞形態(tài)

由于本身的成型性和靈活性好，緯編軸向結(jié)構(gòu)工藝取得了較快的發(fā)展，尤其是橫機(jī)編織工藝，可以用于生產(chǎn)一些對(duì)經(jīng)編或圓型緯編工藝而言難度較大的產(chǎn)品.據(jù)此，國(guó)外開(kāi)展了緯編軸向織物在產(chǎn)業(yè)用紡織品方面的應(yīng)用研究，且主要集中于織物的編織技術(shù)和性能兩方面.研究表明針織技術(shù)更為適合制作復(fù)雜形狀的預(yù)制件，用緯編軸向織物制作成復(fù)合材料，將更為有效地利用緯編軸向織物，并進(jìn)一步擴(kuò)大其在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用［1-2］.國(guó)內(nèi)自首次研制成功多層雙軸向緯編（MBWK）結(jié)構(gòu)以來(lái)［3］，對(duì)緯編軸向結(jié)構(gòu)的性能研究主要集中于織物及其復(fù)合材料性能方面，得出 MBWK 織物具有良好的成型性能［4-6］，其復(fù)合材料具有很好的拉伸性能［7］和彈道沖擊響應(yīng)［8］，適合制作復(fù)雜形狀復(fù)合材料.文獻(xiàn)［9-12］研究了機(jī)織針織復(fù)合（CWK）緯編軸向結(jié)構(gòu)，得出CWK織物在拉伸前階段表現(xiàn)為機(jī)織物的性能，后階段表現(xiàn)為針織物的性能［13］，其復(fù)合材料具有很好的拉伸性能，其斷裂為脆性斷裂［14］，在高應(yīng)變率拉伸和壓縮試驗(yàn)中均表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)變率敏感，屬輕質(zhì)吸能復(fù)合材料.文獻(xiàn)［15］建立了CWK織物的幾何模型，研究結(jié)果為CWK結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考.目前，對(duì)CWK織物復(fù)合材料的彎曲性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道.為此，本文通過(guò)試驗(yàn)的方法，對(duì)文獻(xiàn)［14］所制CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的不同方向的彎曲性能進(jìn)行測(cè)試、分析和比較，旨在進(jìn)一步為這種CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料參數(shù)

以線密度分別為2 400 tex和900 tex的無(wú)捻玻璃纖維粗紗作為經(jīng)紗和緯紗、線密度為83.3×2 tex的高強(qiáng)滌綸紗為針織紗，在經(jīng)改造后的針織橫機(jī)［9］上編織預(yù)制件，預(yù)制件的結(jié)構(gòu)如圖1所示.緯紗襯入密度為93.79根／10cm、經(jīng)紗襯入密度為25.61根／10cm.預(yù)制件結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料制作方法同文獻(xiàn)［14］，復(fù)合材料厚度為1.84 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)為42.5%.

圖1 機(jī)織針織復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制件Fig.1 Co-woven-knitted composites perform structure

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與條件

彎曲試驗(yàn)參照GB 1446—2005和GB 1449—2005進(jìn)行.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)合材料厚度計(jì)算出試樣規(guī)格如圖2所示.按尺寸要求將復(fù)合材料切割成橫向、縱向和45°斜向3種試樣各5塊，并對(duì)試樣邊緣修磨以確保其尺寸，在試樣上標(biāo)出30 mm跨距標(biāo)線.試驗(yàn)儀器為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載上壓頭位于支座中間，且使上壓頭與支座面軸線平行，試驗(yàn)速度為2 mm／min.

圖2 三點(diǎn)彎曲試樣規(guī)格Fig.2 Three point bending sample specification

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲曲線特征分析

根據(jù)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄的彎曲試樣的載荷與撓度數(shù)據(jù)，可計(jì)算并繪制出相應(yīng)的彎曲載荷-撓度曲線及彎曲能量-撓度曲線分別如圖3和4所示，其中0°、90°和45°分別表示在橫向試樣、縱向試樣和45°斜向試樣的彎曲曲線.

從圖3和4可以看出，CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向、縱向和斜向試樣彎曲曲線特征表現(xiàn)出較大的相似性，說(shuō)明彎曲破壞機(jī)理和形式相似，試樣所發(fā)生的形變先是隨負(fù)載的增加而增大，在達(dá)到最大彎曲負(fù)荷之后，形變?cè)龃蠖?fù)載逐漸變小，直至試樣完全破壞.

從圖3還可以看出，彎曲初期3種試樣的彎曲曲線均表現(xiàn)出較好的線性，而在達(dá)到一定彎曲撓度值（橫向試樣彎曲撓度1.6 mm左右，縱向和45°斜向試樣彎曲撓度1 mm左右）后，曲線上凸，顯示非線性變化.這是因?yàn)樵趶澢跗冢瑥?fù)合材料以一個(gè)整體來(lái)承受外力，纖維和樹(shù)脂同時(shí)發(fā)生彈性變形，試樣上表面受擠壓作用，而下表面受拉伸作用，彎曲曲線呈現(xiàn)較好的線性.在彈性變形達(dá)到一定值時(shí)，試樣上表面區(qū)域壓應(yīng)力增大，擠壓方向的纖維相互擠壓導(dǎo)致纖維／基體界面發(fā)生剪切破壞，下表面區(qū)域拉應(yīng)力也增大，拉伸方向的纖維束發(fā)生滑移導(dǎo)致纖維／基體界面也發(fā)生剪切破壞，纖維和樹(shù)脂不再同時(shí)發(fā)生彈性變形，材料彈性模量逐漸減小，彎曲曲線表現(xiàn)出上凸形狀.

復(fù)合材料所承受彎曲載荷達(dá)到最大載荷時(shí)，材料發(fā)生彎曲破壞，并伴有樹(shù)脂開(kāi)裂的噼啪聲，彎曲曲線表現(xiàn)出小的波動(dòng)，材料逐漸卸載而發(fā)生塑性破壞，彎曲曲線則呈波浪式緩慢下降，呈現(xiàn)一定的韌性破壞斷裂特征.這是因?yàn)椴牧现械慕?jīng)紗、緯紗和針織紗均為彎曲狀態(tài)，彎曲過(guò)程中受力和伸直程度均不同，纖維發(fā)生分時(shí)斷裂，因而材料逐漸卸載，彎曲曲線呈緩慢下降.這也說(shuō)明材料損傷破壞在逐漸積累.圖4表明，材料3個(gè)方向的彎曲能量以橫向試樣為最低.3種試樣的最大載荷、破壞撓度以及計(jì)算所得到的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量和彎曲能量平均值如表1所示.

表1 試樣彎曲性能測(cè)試值Table 1 The values for bending properties of samples

由表1可見(jiàn)，橫向試樣彎曲強(qiáng)度最大、縱向試樣次之、45°斜向試樣的彎曲強(qiáng)度最小.這主要是由于彎曲過(guò)程中，承擔(dān)載荷的纖維主要沿試樣長(zhǎng)度方向分布，而3種試樣中沿試樣長(zhǎng)度方向分布的紗線線密度總量不同，如表2所示.與縱向試樣相比，橫向試樣中沿其長(zhǎng)度方向分布的紗線總線密度高出約24.1%，最大載荷高出28.2%，而最大載荷與試樣方向紗線總線密度之比（即紗線強(qiáng)度利用）僅高出5.4%，說(shuō)明試樣方向分布的紗線總線密度與彎曲載荷密切相關(guān)，但不影響紗線的強(qiáng)度利用.而45°斜向試樣中經(jīng)紗、緯紗和針織紗均為斜向分布，承擔(dān)彎曲載荷的貢獻(xiàn)最小，最大載荷、彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度均最低，在圖3的載荷-撓度曲線上表現(xiàn)出一定程度的韌性.

表2 試樣內(nèi)紗線總線密度與紗線強(qiáng)度利用Table 2 Total values of linear density and strength utilization of yarns for different samples

2.2 彎曲破壞形態(tài)分析

圖5為復(fù)合材料縱向、橫向和45°斜向試樣典型的彎曲破損照片.從圖5可以看出，試樣的破壞主要表現(xiàn)為試樣上表面出現(xiàn)白斑和拱起，部分纖維因擠壓而發(fā)生斷裂；試樣下表面出現(xiàn)白斑和裂紋，側(cè)面有裂口，部分纖維因拉伸而斷裂.白斑和裂紋處在與試樣邊緣垂直方向上；而45°斜向試樣下表面有不規(guī)則裂紋，邊緣有明顯的分層裂紋.原因可能是在彎曲過(guò)程中，試樣的上表面和下表面分別承受壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，在試樣受力達(dá)到一定值時(shí)，受壓的上表面最先發(fā)生破壞，表現(xiàn)為樹(shù)脂基體塑性形變而發(fā)生拱起，同時(shí)纖維隨拱起變形而發(fā)生彎曲甚至斷裂，并有部分纖維束被擠壓出來(lái)，發(fā)生纖維／基體界面的脫黏，在上表面形成白斑，白斑大小反映界面脫黏程度的高低.隨著載荷的進(jìn)一步增大，試樣受拉的下表面受拉伸應(yīng)力作用，基體發(fā)生開(kāi)裂，在下表面形成裂紋，并有纖維發(fā)生斷裂，部分纖維被拉出，發(fā)生纖維／基體界面脫黏，在下表面形成白斑，脫黏越嚴(yán)重則白斑越大.而在45°斜向試樣中，纖維束是斜向分布的，經(jīng)紗和緯紗處于相互垂直的狀態(tài)，在試樣承載彎曲時(shí)，紗層中拉伸和壓縮應(yīng)力也處于相互垂直的狀態(tài)，導(dǎo)致試樣在破壞過(guò)程中出現(xiàn)劈裂分層現(xiàn)象.

圖5 CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲破壞形態(tài)Fig.5 Rupture forms of the CWK fabric reinforced composites

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了機(jī)織針織復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能，通過(guò)試驗(yàn)和分析，得到如下的結(jié)論.

（1）CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料在彎曲初期表現(xiàn)出較好的線性特征，后期表現(xiàn)為塑性破壞特征；軸向分布的紗線線密度總數(shù)與試樣軸向彎曲力學(xué)性能密切相關(guān)，但其不影響紗線的強(qiáng)度利用.

（2）CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲破壞形式主要為聚乙烯樹(shù)脂遭受擠壓或出現(xiàn)裂紋時(shí)，在試樣上表面產(chǎn)生白斑和拱起，下表面產(chǎn)生白斑和裂紋，部分纖維因壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力而斷裂；白斑和裂紋貫穿整個(gè)試樣寬度方向，并與試樣邊緣垂直；而45°斜向試樣下表面有不規(guī)則裂紋，邊緣有明顯的分層裂紋.

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Bending Properties of Co-woven-knitted Structure Reinforced Composites

YUANXin-lin，XUYan-hua

（School of Arts ＆Garments Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China）

The co-woven-knitted （CWK）fabric was produced using glass filaments as warp and weft inserted yarns and high tenacity polyester as stitch yarn.Then the CWK fabric was used as reinforcing to produce the CWK reinforced composites by vacuum assisted resin transfer molding process.The width

wise，longitudinal，and diagonal bending of the CWK reinforced composites was tested.The bending properties of the composites were investigated by analyzing the load-deflection curves and breaking modes.The strength comparison was made between the warp and weft of the composites.The results revealed that the bending strength in the axial direction was relatively higher，and the bending strength in weft and warp directions was better than that in diagonal direction.Plastic fracture breaking was observed and bending energy absorbing in the weft direction was less than those in other directions.

co-woven-knitted fabric；reinforced composites；bending properties；damage mode

TS 181.8；TB 332

A

2012-02-05

袁新林（1971—），男，江蘇姜堰人，副教授，碩士，研究方向?yàn)獒樋椥陆Y(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料性能.E-mail：xingling-1971＠163.com

1671-0444（2013）02-0181-04