，，,3，

(1.生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江南大學紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122； 2.南通大學，紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019； 3.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 鹽城 224005)

1 前 言

三維淺交彎聯(lián)機織復(fù)合材料是以三維淺交彎聯(lián)機織物作為預(yù)制體，環(huán)氧樹脂及固化劑作為樹脂基體的新型三維機織復(fù)合材料[1-2]。玻璃纖維是一種耐高溫、阻燃、抗腐蝕、機械強度高的無機非金屬材料，在復(fù)合材料方面應(yīng)用廣泛。但由于玻璃纖維表面光滑、幾乎沒有活性基團的存在，在作為樹脂基復(fù)合材料增強體應(yīng)用時，與樹脂基體間的界面性能無法充分發(fā)揮，進而影響復(fù)合材料承載時的整體性及力學性能[3-7]。硅烷偶聯(lián)劑是一種常見的表面活性劑，其分子中同時擁有可與無機質(zhì)材料反應(yīng)的非水解基團和與有機質(zhì)化學結(jié)合的水解基團，硅烷偶聯(lián)劑可以改善玻璃纖維與環(huán)氧樹脂間的界面性能[8-10]。

纖維增強復(fù)合材料在交通工具應(yīng)用中常會受到碎石、冰雹及物體墜落造成的低速沖擊損傷，這些低速沖擊會造成復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，降低復(fù)合材料的力學性能，進而降低復(fù)合材料在應(yīng)用時的耐久性[11-13]。因此低速沖擊后復(fù)合材料剩余力學性能被更多的學者關(guān)注[14-15]。

本文以30wt%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液作為表面活性劑，在60℃的溫度下，以浸漬的方式對玻璃纖維預(yù)制體進行處理，并分別使用表面處理前后的預(yù)制體制備復(fù)合材料，分析不同能量低速沖擊后復(fù)合材料的剩余力學性能。并通過觀察沖擊造成的凹坑的微觀形貌，分析表面處理對復(fù)合材料界面性能的影響。

2 機織物制備

2.1 預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實驗條件，本研究設(shè)計了三層三維淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一個組織循環(huán)內(nèi)經(jīng)紗根數(shù)為4，緯紗根數(shù)為6。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為紋板圖。

圖1 三層三維淺交彎聯(lián)機織物結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of six-layer 3D curved shallow-crossing linking fabric

圖2 三層三維淺交彎聯(lián)機織物紋板圖Fig.2 Pegging plan of six-layer curved shallow-crossing linking fabric

2.2 預(yù)制體的制備

根據(jù)三維淺交彎聯(lián)機織物紋版圖，在經(jīng)過改造的SGA598型三維劍桿織樣機上進行制造；預(yù)制體經(jīng)緯紗線均使用2400tex無捻玻璃纖維粗紗；由于經(jīng)緯紗線的細度較大，本實驗使用筒子架形式送經(jīng)，每個筒子的整經(jīng)方式為“8”字型以保證經(jīng)紗張力一致；以順穿法進行傳綜；鋼筘筘號選用30#，以一筘一傳的形式防止經(jīng)紗在制造過程中產(chǎn)生過多的摩擦?？椩旃に嚰爸苽涑龅念A(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 三維淺交彎聯(lián)機織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 預(yù)制體表面處理

使用硅烷偶聯(lián)劑KH-570作為表面活性劑，配制其30wt%的水溶液作為處理液，將預(yù)制體浸泡在與其質(zhì)量相同的上述處理液中，放入60℃的恒溫干燥箱內(nèi)處理1h。處理結(jié)束后將預(yù)制體取出，在60℃下烘干。

3 復(fù)合材料制備

2.1 樹脂基體

采用鳳凰牌E-51型環(huán)氧樹脂，聚醚胺WHR-H023作為固化劑，以質(zhì)量比為3∶1均勻混合，配制成樹脂基體。

2.2 復(fù)合成型

實驗使用真空灌注成型工藝制備復(fù)合材料，對放入真空桶中的樹脂基體進行30min的真空脫泡處理。依次將真空袋、導流網(wǎng)、隔離氈、脫模布鋪設(shè)在預(yù)制體上、下表面，導流管、螺旋管平鋪在預(yù)制體兩端，并用密封膠條將真空袋密封，形成真空灌注環(huán)境。將一端的導流管插入樹脂基體中，另一端的導流管與真空泵連接，在-75KPa的真空度下，進行真空灌注成型。將灌注完成的織物連同模具一同放入溫度為70℃的烘箱中，經(jīng)過3h的固化后，取出復(fù)合材料。

4 低速沖擊實驗與性能測試

4.1 低速沖擊

使用江南大學自主開發(fā)的落錘式低速沖擊儀以不同的沖擊能量對復(fù)合材料進行低速沖擊，落錘式低速沖擊儀如圖3所示。沖擊儀沖頭形狀為楔形，沖頭質(zhì)量為3.4kg，最大沖程為1.25m，最大沖擊能量為41.65J，根據(jù)不同沖程計算出不同的沖擊能量。

圖3 落錘式低速沖擊儀Fig.3 Drop hammer type apparatus for impacting at low-speed

4.2 沖擊后剩余彎曲性能

使用Instron3385H型萬能材料試驗機對預(yù)制體表面處理前后及不同沖擊能量作用后復(fù)合材料剩余彎曲性能進行測定，分析表面處理前后對復(fù)合材料沖擊后剩余彎曲性能的影響。

4.3 破壞形貌

使用SU1510型掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料低速沖擊破壞凹坑進行微觀表征，分析復(fù)合材料破壞情況及其機理。

5 結(jié)果與分析

5.1 沖擊后剩余彎曲強度

將受到不同能量低速沖擊后的復(fù)合材料按國標GB/T 1449-2005(纖維增強塑料彎曲性能試驗方法)[16]裁切成60×15×2.95mm的彎曲測試樣條，在三點彎曲測試時，沖擊形成的凹坑與上壓頭位置保持重合。經(jīng)過多次沖擊及彎曲測試得到復(fù)合材料低速沖擊后的剩余彎曲強度，如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料沖擊后剩余彎曲強度Fig.4 Bending residual strength of 3D composites after impact

圖4顯示，在不同沖擊能量作用下，經(jīng)過表面處理后預(yù)制體制備的復(fù)合材料剩余彎曲強度均大于未表面處理的復(fù)合材料。且隨著沖擊能量的增加，復(fù)合材料剩余彎曲強度逐漸降低。

由圖4可知，未經(jīng)表面處理的預(yù)制體制備出的復(fù)合材料彎曲強度為194.5MPa，經(jīng)過表面處理的預(yù)制體制備出的復(fù)合材料彎曲強度為235MPa，比未經(jīng)表面處理的預(yù)制體強度提高20.82%。這是由于硅烷偶聯(lián)劑作用于纖維與樹脂的界面上，通過硅烷偶聯(lián)劑兩端的水解基團及非水解基團增強了纖維與樹脂間的結(jié)合，改善了界面性能。在受到彎曲載荷作用時，纖維增強體與樹脂基體能發(fā)揮更好的協(xié)同作用，因此復(fù)合材料的彎曲強度增加。

在低速沖擊作用下，復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞，且沖擊能量越大復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到的損傷越嚴重，沖擊后復(fù)合材料的剩余彎曲強度由未受破壞的部分提供。隨著沖擊能量的增加，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)未破壞的部分逐漸減少，復(fù)合材料剩余彎曲強度隨之逐漸降低。

以在26.656J沖擊能量的作用下，材料彎曲剩余強度為例，表面處理前后兩者應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料沖擊后剩余彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線(沖擊能量為26.656J)Fig.5 Bending residual stress-strain curve of 3D composites after impact

5.2 沖擊凹坑微觀形貌

借助掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料在低速沖擊作用下形成凹坑的微觀形貌進行觀察，結(jié)果如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料沖擊凹坑微觀形貌照片 (a)、(c)： 預(yù)制體未經(jīng)表面處理; (b)、(d)： 預(yù)制體經(jīng)過表面處理Fig.6 Microstructure images of impact pit of 3D composites

其中，圖6(a)、(c)為未經(jīng)表面處理預(yù)制體制備的復(fù)合材料；(b)、(d)為經(jīng)過表面處理預(yù)制體制備的復(fù)合材料。分析圖6(a)、(c)可知，在楔形落錘作用下未經(jīng)表面處理預(yù)制體制備的復(fù)合材料中纖維被拉斷，有纖維在樹脂基體中被拔出的現(xiàn)象，纖維斷裂的位置差異較明顯。這說明在受到?jīng)_擊作用時復(fù)合材料由于界面結(jié)合性能較差，纖維并未與樹脂基體較好地粘接為一個整體，在沖頭作用下復(fù)合材料受力整體性較差，纖維作為主要承載體發(fā)生逐根斷裂，這使得更多的纖維發(fā)生了斷裂，復(fù)合材料中能夠提供剩余強度的部分較少。分析圖6(b)、(d)可知，經(jīng)過表面處理的預(yù)制體制備的復(fù)合材料未明顯發(fā)生纖維從樹脂中拔出的現(xiàn)象，且復(fù)合材料破壞表面較平整，纖維斷裂的位置統(tǒng)一。這說明在受到?jīng)_擊作用時復(fù)合材料中纖維與樹脂的界面結(jié)合性能良好，復(fù)合材料能夠作為一個良好的受力整體來承受載荷作用。良好的界面性能使復(fù)合材料剩余彎曲強度增大。

6 結(jié) 論

1.硅烷偶聯(lián)劑能夠改善玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，并提高其力學性能。

2.經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的預(yù)制體制備出的復(fù)合材料沖擊凹坑微觀形貌更加平整。

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