李曉英， 馬丕波， 聶小林， 蔣高明

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122; 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 廣東 廣州 510090)

三維橫編間隔織物復(fù)合材料是一種新型的三維復(fù)合材料，其增強(qiáng)體為橫編間隔結(jié)構(gòu)。在外形上間隔織物的獨(dú)特之處就是結(jié)構(gòu)整體性好，硬度高，質(zhì)量輕，中空一體化的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固，間隔層具有較好的耐熱、隔音、耐沖擊等優(yōu)異性能[1]。這種特殊結(jié)構(gòu)的織物在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍很廣，其復(fù)合材料的抗沖擊性能強(qiáng)，在橋梁、汽車、航空航天等工業(yè)制造領(lǐng)域中也有較好的發(fā)展前景。

Unal等[2-3]研究了紗線連接和織物連接的緯編間隔織物編織方法及結(jié)構(gòu)；Abounaim等[1，4-5]研發(fā)了一種新型橫編織物層連接間隔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而編織出各種曲率的間隔織物；繆旭紅等[6-7]對經(jīng)編間隔織物受壓變形進(jìn)行了分析；曹海建等[8-9]對機(jī)織中空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；張明星等[10-11]對雙軸向間隔緯編復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊彎曲性能進(jìn)行了研究。目前，對于曲面橫編間隔織物復(fù)合材料的研究較少，在不同曲率復(fù)合材料的低速沖擊及壓縮等力學(xué)性能方面的研究尚顯不足。

本文應(yīng)用芳綸紗線開發(fā)新型織物連接間隔結(jié)構(gòu)，編織了平面間隔織物及曲面間隔織物[12]；然后分別制成2組不同曲率的復(fù)合材料；利用電子萬能材料試驗機(jī)測試其壓縮性能，并分組比較其載荷與位移的曲線關(guān)系，以期為后續(xù)關(guān)于曲面三維橫編間隔織物復(fù)合材料力學(xué)性能的研究提供數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗部分

1.1 原材料

采用440 dtex/100 f芳綸(熔點(diǎn)為480～570 ℃)3根合股。實(shí)驗在STOLL電腦橫機(jī)上編織，機(jī)器型號為CMS530，機(jī)號為3.5.2，由德國STOLL公司生產(chǎn)制造。

樹脂體系：樹脂采用亞什蘭194酚醛樹脂，固化劑采用阿克蘇V388。樹脂基體配方為m(酚醛樹脂)：m(固化劑)=100∶1.5。

1.2 間隔織物結(jié)構(gòu)

試樣為織物連接間隔結(jié)構(gòu)。為提高織物的力學(xué)性能，將增強(qiáng)紗緯向襯入織物表層。圖1示出平面間隔織物編織工藝步驟。

圖1 編織工藝步驟Fig.1 Knitting flow chart of flat-knitted 3-D spacer fabrics. (a) Step 1; (b) Step 2; (c) Step 3; (d) Step 4; (e) Step 5

步驟1：平針組織在前后針床輪流編織，見圖1(a)。

步驟2：將浮線襯入織物表層，可選擇在織針上間隔做集圈以避免浮線過長，見圖1(b)。輪流編織步驟1、2至達(dá)到要求高度。

步驟3：平針組織在前后針床輪流編織，通過一隔一選針編織達(dá)到間隔層高度的二分之一，見圖1(c)。

步驟4：羅紋組織將2個中間層連接，見圖1(d)。

步驟5：同步驟3，見圖1(e)。

通過調(diào)整編織程序，在織物密度、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，使2個表層的編織長度不同，進(jìn)而開發(fā)出不同曲率的間隔織物，如圖2所示。

圖2 曲面3-D間隔織物編織示意圖Fig.2 Diagram of flat-knitted 3-D curvilinrear spacer fabrics

1.3 復(fù)合材料制備

本文采用真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)(VARTM技術(shù))將增強(qiáng)體與樹脂復(fù)合，通過模具(曲率半徑r分別為120、160、300 mm)將平面織物和曲面織物制成不同曲率的橫編三維間隔織物增強(qiáng)復(fù)合材料，見圖3?？椢飿悠叽鐬?40 mm×140 mm，厚度為15 mm。

圖3 不同曲率復(fù)合材料Fig.3 Composites with different curvature angles. (a) Small and medium curvature; (b) Maximum curvature

1.4 壓縮性能測試

在英斯特朗3385H型電子萬能非金屬材料試驗機(jī)上測試復(fù)合材料的壓縮性能。通過支承夾具固定試樣兩端，在橫、縱2個方向進(jìn)行壓縮實(shí)驗，如圖4所示。支承夾具直徑為140 mm，壓縮速度為0.000 1 m/s。實(shí)驗環(huán)境溫度為25 ℃，濕度為50%。

圖4 樣品壓縮實(shí)驗Fig.4 Sample compression test

2 結(jié)果與討論

2.1 不同曲率復(fù)合材料的壓縮性能分析

2.1.1平面間隔織物復(fù)合材料

圖5 平面間隔織物復(fù)合材料壓縮載荷-位移曲線Fig.5 Compression load-displacement curves for composites with flat-knitted spacer fabric.(a)Coursewise; (b)Waleswise

圖6 曲面間隔織物復(fù)合材料壓縮載荷-位移曲線Fig.6 Compression load-displacement curves for composites with curvilinear spacer fabrics.(a)Coursewise; (b)Waleswise

圖5示出平面間隔織物復(fù)合材料的壓縮載荷-位移曲線。從圖5(a)橫向壓縮曲線可以看出：初始階段載荷隨著位移的增大呈近似線性變化；隨著壓縮載荷的持續(xù)增加，織物樣片彎曲且表面出現(xiàn)裂紋，樹脂基體開裂；當(dāng)載荷繼續(xù)增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

從圖5(b)縱向壓縮曲線可以看出：初始階段載荷隨著位移的增大基本重合并呈線性變化；隨著壓縮載荷持續(xù)增加，差異逐漸增大。第1個壓縮載荷峰值出現(xiàn)是因為樣片彎曲部位的中空結(jié)構(gòu)首先承受載荷；第2個載荷峰值出現(xiàn)是因為首先承受載荷的中空結(jié)構(gòu)完全破壞，隨著壓縮位移不斷增加，材料凸面張力不斷增大達(dá)到峰值；當(dāng)載荷繼續(xù)增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

2.1.2曲面間隔織物復(fù)合材料

圖6示出曲面間隔織物復(fù)合材料的壓縮載荷-位移曲線。從圖6(a)橫向壓縮曲線可以看出：隨著織物樣片曲率的增大，壓縮載荷峰值也明顯增大；初始階段載荷隨著位移的增大呈近似線性變化；隨著壓縮載荷繼續(xù)增加，樣片壓彎形變，樹脂基體開裂；當(dāng)載荷持續(xù)增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

圖6(b)縱向壓縮曲線可以看出：隨著復(fù)合材料曲率的增大，壓縮載荷峰值明顯增大；當(dāng)載荷持續(xù)增加至一定程度(峰值)時，材料屈服，載荷急劇下降。

2.2 相同曲率復(fù)合材料的壓縮性能分析

表1示出曲率對壓縮載荷的影響。對比最小曲率復(fù)合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可知：曲面織物復(fù)合材料的橫向壓縮載荷峰值小于平面織物復(fù)合材料；而其縱向壓縮載荷峰值大于平面織物復(fù)合材料。

表1曲率對壓縮載荷的影響
Tab.1Influenceofcurvatureoncompressionload

曲率半徑/mm壓縮載荷/kN平面織物復(fù)合材料曲面織物復(fù)合材料橫向縱向橫向縱向30011.350.5710.680.6116015.350.6316.810.7112016.390.6322.570.84

對比中等曲率復(fù)合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可得出：曲面織物復(fù)合材料的橫向壓縮載荷峰值略大于平面織物復(fù)合材料，其縱向壓縮載荷峰值亦大于平面織物復(fù)合材料。

對比最大曲率復(fù)合材料在橫、縱向的壓縮載荷峰值可得出：曲面織物復(fù)合材料的橫向壓縮載荷峰值明顯大于平面織物復(fù)合材料，其縱向壓縮載荷峰值亦明顯大于平面織物復(fù)合材料。

3 結(jié) 論

1)對比分析不同曲率間隔織物復(fù)合材料的壓縮性能發(fā)現(xiàn)：隨著復(fù)合材料樣片曲率的增大，壓縮載荷峰值也逐漸增大；橫向壓縮峰值均明顯高于縱向；平面織物復(fù)合材料的縱向壓縮出現(xiàn)2個壓縮載荷峰值；曲面織物復(fù)合材料的橫向壓縮載荷峰值差距明顯。

2)對比分析相同曲率間隔織物復(fù)合材料的壓縮性能發(fā)現(xiàn)：隨著曲率的增大，曲面織物復(fù)合材料的橫向壓縮載荷優(yōu)勢逐漸明顯；曲面織物復(fù)合材料的縱向壓縮載荷始終高于同曲率平面織物復(fù)合材料，且隨著曲率的增大，曲面織物復(fù)合材料的縱向壓縮載荷優(yōu)勢逐漸增大。

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