馬亞運(yùn) 高曉平

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080

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三維正交機(jī)織物織造及復(fù)合材料成型工藝研究

馬亞運(yùn) 高曉平

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080

詳細(xì)闡述三維正交機(jī)織物的結(jié)構(gòu)特征、織造原理及織造工藝，以三維正交機(jī)織物為增強(qiáng)體、環(huán)氧樹(shù)脂為基體，采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝成型，制成復(fù)合材料，并分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：由普通織機(jī)改造的多綜眼多劍桿織機(jī)可以織造三維正交機(jī)織物，成型后復(fù)合材料內(nèi)的紗線形狀和位置未發(fā)生明顯變化，樹(shù)脂較好地滲透到織物內(nèi)部，復(fù)合材料具有較高的纖維體積分?jǐn)?shù)。研究結(jié)果為進(jìn)一步研究三維正交機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

三維正交機(jī)織物，復(fù)合材料，VARTM，纖維體積分?jǐn)?shù)

傳統(tǒng)二維織物復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)已十分普遍，但由于其厚度方向的強(qiáng)度低，層壓板易于產(chǎn)生分層失效，制約了進(jìn)一步的應(yīng)用。三維正交機(jī)織復(fù)合材料是一種性能優(yōu)良的新型結(jié)構(gòu)材料，由于在增強(qiáng)體織物的厚度方向引入了Z紗，增強(qiáng)了材料的整體穩(wěn)定性、彎曲疲勞、層間剪切強(qiáng)度及抗沖擊等性能，顯著減少了材料的分層失效的發(fā)生。同時(shí)，材料本身具有比模量和比強(qiáng)度大及耐高溫、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸受到重視，并在眾多的高科技領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

織造三維正交機(jī)織物的主要設(shè)備有傳統(tǒng)織機(jī)、改進(jìn)織機(jī)和三維立體織機(jī)。傳統(tǒng)織機(jī)和改進(jìn)織機(jī)的投入成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣泛。同時(shí)，隨著復(fù)合材料需求量的不斷增加，從復(fù)合材料的用途、成本及性能等方面考慮，開(kāi)發(fā)了多種成型工藝，并日臻完善[3]。常見(jiàn)的成型工藝包括手糊成型、纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、VARTM成型等。

本文采用由普通織機(jī)改造的多綜眼多劍桿織機(jī)試織玻璃纖維三維正交機(jī)織物，應(yīng)用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)寫(xiě)VARTM)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料成型，測(cè)定成型后復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)。

1 三維正交機(jī)織物織造工藝

1.1 三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)

作為一種特殊結(jié)構(gòu)的三維織物，三維正交機(jī)織物的經(jīng)紗、緯紗和Z紗三組紗線兩兩相互垂直。與普通二維機(jī)織物相比，三維正交機(jī)織物的經(jīng)紗和緯紗沒(méi)有交織現(xiàn)象，具有較高的面內(nèi)強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，Z紗貫穿于織物的厚度方向，賦予織物穩(wěn)定性和整體性，增強(qiáng)了織物抵抗分層失效的能力。三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)示意

1.2 三維正交機(jī)織物織造原理

多綜眼多劍桿織機(jī)由多劍桿和多眼綜絲配合來(lái)完成織造過(guò)程。在三維正交機(jī)織物的織造過(guò)程中，從筒子架上引出多層平行排列的經(jīng)紗和Z紗，分別穿過(guò)綜框和鋼筘，最終平行排列固定在織軸上，通過(guò)行程氣缸和回綜彈簧控制綜框升降，使Z紗做上下交叉運(yùn)動(dòng)。緯紗由筒子上退繞下來(lái)后穿過(guò)多劍桿的引緯夾具。經(jīng)紗和緯紗層數(shù)分別由經(jīng)紗鋪設(shè)層數(shù)和引緯劍桿數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。引緯劍在梭口形成后引入多根緯紗，并在梭口最前方停留，等待邊經(jīng)紗引入。邊經(jīng)紗由下向上插入梭口外側(cè)緯紗形成的紗圈內(nèi)，引緯劍將緯紗送出梭口，鋼筘將緯紗推向織口并打緯，綜框交替運(yùn)動(dòng)，卷取機(jī)構(gòu)卷取織物，至此一個(gè)引緯循環(huán)結(jié)束[4-5]?？椩煸砣鐖D2所示。

圖2 織造原理示意

由普通織機(jī)改造的多綜眼多劍桿織機(jī)僅需要2片綜框帶動(dòng)經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)，顯著降低了所需的綜框數(shù)量。同時(shí)，通過(guò)控制經(jīng)紗和緯紗在綜絲眼和引緯劍中的數(shù)量，可以織造出多種不同組織結(jié)構(gòu)和不同截面形狀的三維機(jī)織物。

1.3 三維正交機(jī)織物制備

本試驗(yàn)試織的三維正交機(jī)織物由4層經(jīng)紗、5層緯紗及Z向捆綁紗構(gòu)成。三維正交機(jī)織物及纖維束規(guī)格如表1所示。

表1 三維正交機(jī)織物及纖維束規(guī)格

三維正交機(jī)織物織造僅需2片綜框，通過(guò)其上下運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)Z紗運(yùn)動(dòng)，由于綜框數(shù)量較少，紋板圖參照二維平紋織物的紋板圖設(shè)計(jì)。在織造過(guò)程中，經(jīng)、緯紗處于平直狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)二維織物織造過(guò)程中產(chǎn)生的經(jīng)緯線屈曲現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)縫編三維織物織造過(guò)程中發(fā)生的紗線間穿刺情況。但紗線與織機(jī)器件之間仍會(huì)產(chǎn)生摩擦，因此三維正交機(jī)織物中紗線受到磨損，力學(xué)性能(如彈性模量、斷裂強(qiáng)力等)降低。因而，調(diào)整紗線張力，保證梭口清晰、紗線伸直，減少或盡量避免摩擦，是改善織物力學(xué)性能的關(guān)鍵。織造出來(lái)的三維正交機(jī)織物的整體和布邊，以及正面和截面照片分別如圖3和圖4所示。

圖3 三維正交機(jī)織物整體和布邊照片

(a) 正面 (b) 經(jīng)向截面 (c) 緯向截面

由圖3和圖4可知，采用由普通織機(jī)改造的多綜眼多劍桿織機(jī)織造三維正交機(jī)織物是可行的，織成的三維正交機(jī)織物內(nèi)部的經(jīng)、緯紗呈伸直狀態(tài)，它們?cè)诳椢锢爝^(guò)程中將承載主要負(fù)荷，且對(duì)拉伸性能的貢獻(xiàn)較大，所以三維正交機(jī)織物具有較好的拉伸性能。同時(shí)，Z紗貫穿織物的厚度方向，使得經(jīng)、緯紗接觸緊密，因此織物具有較好的整體性，改善了織物抵抗分層失效的能力。

2 VARTM成型工藝

2.1 原材料制備

本試驗(yàn)以環(huán)氧樹(shù)脂E-2511作為基體，將試織的三維正交機(jī)織物作為增強(qiáng)體，并采用VARTM工藝成型，制成復(fù)合材料。環(huán)氧樹(shù)脂主劑2511-1A與固化劑2511-1BT以100∶30的質(zhì)量比混合，作為膠液。環(huán)氧樹(shù)脂主劑、固化劑的物理性能見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧樹(shù)脂主劑、固化劑的物理性能

2.2 復(fù)合材料成型

VARTM工藝常用于制造大尺寸復(fù)合材料零件，是一種污染小、制作成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良的新型成型技術(shù)。VARTM成型原理是在成型模具上鋪設(shè)增強(qiáng)體，用真空薄膜封閉后，將其內(nèi)部抽成真空環(huán)境，由負(fù)壓原理吸入樹(shù)脂并使樹(shù)脂完全浸入增強(qiáng)體各處而將其硬(固)化。VARTM成型工藝流程如圖5所示。

在成型過(guò)程中嚴(yán)格按照工藝流程操作，鋪層順序由下到上依次是三維正交機(jī)織物、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)及真空袋。應(yīng)特別注意氣密性，氣密性差將導(dǎo)致成型后復(fù)合材料內(nèi)氣泡含量增加，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。樹(shù)脂注入完成后密封注膠管和抽氣管，并設(shè)定加熱毯溫度為80 ℃，進(jìn)行8 h固化。材料鋪層和樹(shù)脂流動(dòng)分別如圖6和圖7所示。

圖5 VARTM成型工藝流程

圖6 材料鋪層

圖7 樹(shù)脂流動(dòng)

2.3 三維正交機(jī)織復(fù)合材料特征

成型后三維正交機(jī)織復(fù)合材料呈半透明狀態(tài)，正面光滑，有類似平紋紋路，如圖8所示。從其經(jīng)、緯向截面圖上可以清晰看到經(jīng)、緯紗在復(fù)合材料中呈直線狀排列，Z紗則呈現(xiàn)有規(guī)律的曲線和直線組合形態(tài)。與成型前的三維正交機(jī)織物的截面對(duì)比，成型后復(fù)合材料內(nèi)部的紗線形狀和位置未發(fā)生明顯變化，而且樹(shù)脂滲透至織物內(nèi)部較完全。在復(fù)合材料的切割過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)單纖維脫離現(xiàn)象，表明纖維與樹(shù)脂基體結(jié)合完全，具有較好的界面效應(yīng)。同時(shí)，三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)致密，加上VARTM工藝?yán)谜婵瘴霕?shù)脂，將樹(shù)脂和織物內(nèi)部的大部分氣體排出，使得復(fù)合材料內(nèi)氣泡和空隙較少，且樹(shù)脂含量明顯低于手糊成型工藝，因此復(fù)合材料具有較高的纖維體積分?jǐn)?shù)。可見(jiàn)，VARTM工藝對(duì)結(jié)構(gòu)緊密的三維織物有較好的成型效果。

(a) 正面 (b) 經(jīng)向截面 (c) 緯向截面

3 纖維體積分?jǐn)?shù)計(jì)算

纖維體積分?jǐn)?shù)影響復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量及泊松比等指標(biāo)，是對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行理論分析的重要指標(biāo)之一。通常，樹(shù)脂的力學(xué)性能遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)體。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，大部分載荷由基體承擔(dān)，增強(qiáng)體不能充分發(fā)揮作用；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，纖維之間缺少基體對(duì)載荷進(jìn)行傳遞，復(fù)合材料整體的力學(xué)性能降低。因此，纖維體積分?jǐn)?shù)是復(fù)合材料設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。

本文參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》和GB/T 1463—2005《纖維增強(qiáng)塑料密度和相對(duì)密度試驗(yàn)方法》來(lái)測(cè)定三維正交機(jī)織復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)。樹(shù)脂含量

(1)

式中：Mr為樹(shù)脂含量；m1、m2、m3分別為坩堝質(zhì)量、坩堝和試樣總質(zhì)量、灼燒后坩堝和殘余物總質(zhì)量。

纖維體積分?jǐn)?shù)

(2)

式中：Vg為纖維體積分?jǐn)?shù)；ρr為樹(shù)脂密度；V總為復(fù)合材料體積。

通過(guò)計(jì)算，得到三維正交機(jī)織復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)為58.74%。若采用手糊工藝成型，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)大約可以達(dá)到30%～40%。由此可見(jiàn)，采用VARTM工藝成型，所得三維正交機(jī)織復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于手糊工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

三維正交機(jī)織復(fù)合材料由于在增強(qiáng)體的厚度方向引入了Z紗，增強(qiáng)了材料整體的穩(wěn)定性，減少了分層現(xiàn)象，提高了力學(xué)性能，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，將成為紡織復(fù)合材料研究的一個(gè)重要分支。

在增強(qiáng)體的織造過(guò)程中，應(yīng)盡量減少或避免玻璃纖維與織機(jī)的摩擦，降低纖維磨損程度；同時(shí)，在成型過(guò)程中，應(yīng)保證氣密性，盡量降低孔隙率，復(fù)合材料內(nèi)樹(shù)脂滲透至織物內(nèi)部較完全；與常用的手糊工藝相比，采用VARTM工藝成型可獲得較高纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。

[1] 易洪雷,丁辛.三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2001,31(2):161-171.

[2] 黃曉梅.三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與織造[J].南通工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,3(1):49-50.

[3] 何亞飛,矯維成,楊帆,等.樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展[J].纖維復(fù)合材料,2011(2):7-13.

[4] 劉健,黃故.多劍桿織機(jī)三維織造研究[J].上海紡織科技,2005,33(2):8-10.

[5] 薛進(jìn).多綜眼多劍桿織機(jī)的特性及織造模擬[D].上海:東華大學(xué),2013.

Research on production of 3D orthogonal woven fabrics and forming process of composite materials

MaYayun，GaoXiaoping

College of Textiles and Light Industries,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080,China

Structure characteristic,weaving principle and process of 3D orthogonal woven fabrics were introduced in detail.By means of the vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) process,the composite material was manufactured with 3D orthogonal woven fabric as reinforcement and epoxy resin as matix.The inner structure of the composite material was analyzed.The results showed that 3D orthogonal woven fabric could be produced by a multi-heard and multi-projectile loom reformed from a normal loom.The shape and location of yarn in the composite material did not changed,and the resin penetrated well into the fabric.The composite material had a higher fiber volume fraction.These results had put a foundation for further investigation on mechanical performance and application of 3D orthogonal woven fabric composite.

3D orthogonal woven fabric,composite material,vacuum assisted resin transfer molding,fiber volume fraction

2016-03-21

馬亞運(yùn)，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料的力學(xué)性能

高曉平，E-mail:gaoxp@imut.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)08-0026-05