王黎黎，徐安長，張尚勇

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三維管狀復合材料的拉伸性能研究

王黎黎，徐安長，張尚勇*

（武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200）

以經(jīng)角連鎖為織物的基本組織結(jié)構(gòu)，將1500D芳綸長絲織造一體成型的四層管狀織物，同時使用環(huán)氧樹脂、稀釋劑、三乙烯四胺及丙酮作為增強相，采用真空輔助成型工藝（VARI）對其進行復合。在相同的層數(shù)的條件下，通過拉伸測試表明所制備的復合管狀材料與平紋織物卷繞成管狀的管狀復合材料作對比，其力學性能明顯提高。

三維；管狀織物；復合材料；力學性能

管狀復合材料是一種受力形式合理的結(jié)構(gòu)元件，封閉的管狀試件能避免板狀試件自由邊緣應力分布不均的問題，其被廣泛的運用于航空和航天飛行器、船舶等領(lǐng)域中，管狀復合材料設(shè)計織造及力學測試評價在它的開發(fā)與應用中發(fā)揮著及其重要的作用，尤其是在材料的設(shè)計中[1]。

1 三維管狀織物的織造

1.1 設(shè)計原理

利用四層角經(jīng)連鎖結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)織造原理相結(jié)合，以1500D芳綸長絲為原料，織造出四層管狀織物。

1.2 三維角聯(lián)鎖織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文初期預先設(shè)計了四層貫穿角聯(lián)鎖織物為表組織，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

n=4；Rj=n+1=5；Rw=Rj×n=n(n+1)=20；Sj=n=4；最大經(jīng)浮長Fm=2n-1=7

其中：n—織物層數(shù)；Rj—組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)；Rw—組織循環(huán)緯紗數(shù)；Sj—經(jīng)向飛數(shù)；Fm—組織最大浮長數(shù)。

四層經(jīng)角度聯(lián)鎖經(jīng)向剖面圖如圖1所示。

圖1 四層經(jīng)角度聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)經(jīng)向剖面圖

1.3 三維管狀織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了使管狀織物表層和里層的相連處組織連續(xù)，總經(jīng)紗根數(shù)必須是基礎(chǔ)組織的組織循環(huán)數(shù)的倍數(shù)?？偨?jīng)紗數(shù)為10n根（表組織5n根，里組織5n根）。將1、3、5、7、9框作為表組織織造系統(tǒng)，將2、4、6、8、10框作為里組織織造系統(tǒng)，由一根緯紗連接。穿綜采用順穿法，穿扣采用一扣一入。

其文版圖設(shè)計如下：

圖2 文版圖設(shè)計

圖2（a）中，奇數(shù)行（從下往上數(shù)）為表組織的文版圖，偶數(shù)行為里組織的文版圖，為使里組織織造時表組織的經(jīng)紗不干擾里組織，所以表組織的1、3、5、7、9頁棕框都要提起，如圖2（b）如所示。

織造樣品如圖3：

圖3 四層經(jīng)角連鎖管狀織物實物圖

2 復合工藝

2.1 復合原料、試劑

實驗原料和試劑見表1：

表1 實驗原料、試劑規(guī)格及廠家

2.2 復合成型方法

復合材料的成型有很多方法，可選擇的余地較大，所以成型過程有很大的靈活性，可根據(jù)不同的復合材料選擇不同的復合工藝。在成型方法的選擇上可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、用途、產(chǎn)量以及成本等因素來綜合考慮，從而選擇最合適的成型工藝[4]。

用于復合材料的成型方法有：手糊成型，模壓成型，真空輔助成型，纏繞、拉擠成型，注射成型，樹脂傳遞成型等。

本文采用真空輔助成型工藝即VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)復合工藝。真空輔增強體中助成型工藝是一種新型的低成本的復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，并在一定溫度下進行固化，形成一定樹脂/纖維比例的工藝方法。

其裝置設(shè)計圖如圖4：

圖4 管狀織物復合工藝裝置設(shè)計圖

2.3 脫模

復合過程中，中間模具鋼管表面覆蓋一層塑料膜以避免樹脂將織物與鋼管粘合在一起，但是，在樹脂固化過程中，熱固性E-51環(huán)氧樹脂在固化劑三乙烯四胺的作用下，由小分子結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生化學反應形成網(wǎng)狀的大分子鏈結(jié)構(gòu)，導致織物復合材料會整體收縮，使得復合管材緊緊地包裹住模具鋼管，不易脫模。

在本實驗操作中，將覆蓋模具鋼管的塑料膜與鋼管之間增加紙質(zhì)材料，其具有一定強度，不易變形，且與鋼管之間的摩擦系數(shù)小，易于脫模。待復合成型后，復合管材聯(lián)通紙質(zhì)材料一起從模具褪下，再管材內(nèi)部褪下紙質(zhì)材料及塑料膜，即可獲得三維管狀復合材料樣品。

2.4 對比樣品的復合

對比樣品采用相同原料即1500D芳綸長絲織造成普通平紋芳綸布，在管狀模具上卷繞四層，然后采取相同復合工藝復合成型。

3 拉伸性能測試及分析

拉伸性能是復合材料性能試驗中較為重要的一種，其過程是一個漸變的過程：當拉伸應力被施加在材料的兩端后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)沒有明顯的變化，也就是紗線和樹脂之間沒有相對滑移等破壞現(xiàn)象。材料整體開始受力時，材料還未產(chǎn)生變形，在經(jīng)過一定時間后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也就是紗線和樹脂之間發(fā)生了應力集中，產(chǎn)生了相對滑移，所以紗線與樹脂的界面上發(fā)生了脫黏。隨著材料的變形量增大，所需的應力也增加，當材料在無法承受更多載荷時，紗線斷裂。

3.1 實驗儀器及設(shè)備

管狀復合材料的拉伸強度測定是測試其在一定條件下受軸向力或能量作用時所表現(xiàn)出的特性，其強度的測定與該管的設(shè)計計算、材料選擇、工藝評價、材質(zhì)的檢驗等密切相關(guān)，測試的機械性能數(shù)據(jù)不僅取決于材料本身，還與試驗環(huán)境有關(guān)。例如取樣的部分和方向，測試的形狀和尺寸，試驗時的加載特點，還包括加載速度、環(huán)境介質(zhì)的成分和溫度等[2]。

本實驗的具體實驗儀器如表2所示：

表2 拉伸測試儀器設(shè)備

目前，大多數(shù)萬能試驗機配置的夾頭為平行夾頭或V型夾頭，平型夾頭適用于板條狀的試樣拉伸，V型夾頭適用于圓形試樣的拉伸，對于實心的棒狀試樣，v型夾頭的效果較好，可滿足實驗的要求，但對于管狀復合材料，則需要對夾頭進行設(shè)計加工。本實驗中，為滿足管狀復合材料的拉伸測試需求，采取自行設(shè)計的夾頭進行實驗[3]。

夾頭器具圖5所示。其中，夾具總長90mm，與管狀復合材料咬合處螺紋長25mm，直徑20mm，為防止螺紋對纖維破壞而影響測試，在螺紋咬合部分，對內(nèi)管壁用芳綸布進行加厚處理，管外壁用剛扣進行加固。

3.2 試樣尺寸設(shè)計

拉伸試樣尺寸如表3所示：

表3 拉伸試樣的尺寸

3.3 測試過程及結(jié)果

圖5 管狀復合材料夾頭

圖6 拉伸測試

采用電子萬能材料試驗機，對樣品進行拉伸測試（見圖6），測試過程中，有輕微的纖維斷裂的聲音，應力不斷增大，最后隨著一聲輕微的破裂聲，應力曲線陡然下降，實驗停止，樣品斷裂。其應力應變曲線圖，見圖7、圖8。

圖7 平紋管應力-應變曲線

圖8 三維管應力-應變曲線

圖7顯示，在應變達到2.5%時，由于在拉伸過程中，簡單粘合的層間出現(xiàn)分離，產(chǎn)生應力屈服，而圖8中，由于三維管的一體結(jié)構(gòu)，使得整個曲線趨于平滑；在應變方面，三維管由于其經(jīng)紗的交織彎曲復雜，在緯向的延伸較多，所以其應變大于平紋管；應力方面，三維管最大應力達到410Mpa，高于平紋管的196Mpa?？傮w而言，在拉伸強度方面，復雜三維管狀織物復合材料的性能優(yōu)于平紋織物復合材料的簡單卷繞疊加。

4 結(jié)語及展望

本文介紹了四層經(jīng)角連鎖管狀織物的織造及復合工藝，通過設(shè)計專用夾頭，對芳綸管狀復合材料采用了整體拉伸法，較準確的測出了其拉伸強度，通過對平紋卷繞管拉伸性能測試的對比分析，表明三維一體的立體結(jié)構(gòu)管狀織物，其拉伸強度高于平紋織物復合材料的簡單緯向疊加。

同時，在實際情況下，管狀復合材料通常都是在復雜受力狀況下工作，即承受組合變形，如彎曲了扭轉(zhuǎn)組合變形，拉伸（壓縮）和彎曲組合變形等，在此組合變形下測得的機械性將更具有工程意義，而不同的織物結(jié)構(gòu)也會在不同的受力情況下體現(xiàn)出不同的力學性能，所以，研制適當?shù)臏y試儀器及夾具和試織其它不同結(jié)構(gòu)的三維織物在組合變形下的機械性能更具有重要意義。

[1] 冼杏娟，蔣燦興．高模玻璃纖維圓管力學性能及破壞分析[J]．機械工程材料，1982，(1)：48-51．

[2] 王瑞，楊連賀，王建坤．復合材料力學性能的試驗評價方法及其標準化動向[J]．玻璃鋼＆復合材料，2000，(4)：39-42．

[3] 單鴻波，徐方，孫志宏．碳纖維管狀復合材料拉伸強度測試方法研究[J]．上海紡織科技，2013，41(7)：1-4．

[4] 彭璇．三維織物的成型加工及其納米復合材料的性能研究[D]．武漢：武漢紡織大學，2015．10．

Study on Tensile Mechanical Properties of Three-dimensional Tubular Composites

WANG Li-li, XU An-chang, ZHANG Shang-yong

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

1500D aramid fiber filament has been woven into four-layer angular interlock tubular fabric. Four-layer angular interlock tubular fabric woven with 1500D aramid fiber filament has been composited into a reinforcing material treated with a mixed system including epoxy resin, thinner, triethylenetetramine and acetone via VARI. It is observed that the tensile mechanical property of composited tubular fabric gets increased obviously compared with composited plain fabric which owns four layers.

3D; tubular fabrics; composite materials; mechanical properties

TS105.6

A

2095－414X(2017)03－0012－05

張尚勇（1967-），男，教授，研究方向：新型紡紗技術(shù).