汪 浩，徐珍珍，阮芳濤，王孝鋒

(安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料自20世紀(jì)末發(fā)展以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、建筑、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域?，F(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與人類的生活密切相關(guān)，對(duì)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展將產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用[1]。在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，纖維是承載體，基體起固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用[2]。通過(guò)選用不同的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)可以調(diào)控復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此研究不同結(jié)構(gòu)織物的對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響很有意義[3]。紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、重量輕、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性的特點(diǎn)[4]。目前，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能研究比較多，主要是集中在平板形狀的復(fù)合材料研究，對(duì)于曲面的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究較少。但是應(yīng)用于不同物體的各類結(jié)構(gòu)部件要求形狀各異，并且在很多場(chǎng)合下需要用到曲面部件。本文通過(guò)自制的模具制備了曲面復(fù)合材料，并測(cè)試了曲面玄武巖復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲性能、沖擊性能以及頂破性能，探討了不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為提高曲面復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

玄武巖纖維布，平紋、斜紋、緞紋、無(wú)緯布，浙江石金玄武巖纖維股份有限公司；

環(huán)氧樹(shù)脂，JL-235，常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司；

固化劑，JH-242，常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW-20，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；

數(shù)顯簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司；

曲面復(fù)合材料成型模具，自制，模具示意圖如圖1所示。

圖1 模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mold

1.3 樣品制備

裁取10 cm×10 cm大小的玄武巖纖維織物，詳見(jiàn)表1，室溫下配制質(zhì)量比100∶27的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合溶液，將裁好的玄武巖布浸入樹(shù)脂，并在模具中復(fù)合成型(模具如圖1)。然后再將復(fù)合成型的復(fù)材切割成長(zhǎng)寬高為5 cm×1 cm×1 cm的曲率半徑50 mm(模具的曲率為50 mm，進(jìn)而制得的復(fù)材試樣曲率為50 mm)的曲面復(fù)合材料，用作三點(diǎn)彎曲和沖擊測(cè)試試樣；頂破測(cè)試試樣為整塊曲面復(fù)合材料，制樣流程圖如圖2所示。其中無(wú)緯玄武巖曲面復(fù)合材料根據(jù)切割方向分為2種試樣，一是沿著纖維鋪層方向切割，即無(wú)緯玄武巖曲面復(fù)合材料-90 °，二是垂直于纖維鋪層方向切割，即無(wú)緯玄武巖曲面復(fù)合材料-0(°)。

表1 試樣規(guī)格及相應(yīng)的名稱簡(jiǎn)寫(xiě)Tab.1 Sample specifications and corresponding names abbreviated

圖2 制樣流程圖Fig.2 Schematic diagram of the process for composite sample preparation

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

三點(diǎn)彎曲性能參照GB/T 3356—2014進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速度設(shè)置為5 mm/min；

沖擊性能參照GB/T 1043—2008進(jìn)行測(cè)試，試樣長(zhǎng)度為50 mm，寬度為10 mm，支撐線間距離為40 mm，沖擊速度為3.8 m/s；

頂破強(qiáng)力測(cè)試：壓頭為直徑8 mm，長(zhǎng)度26 mm的圓柱體，頂破過(guò)程如圖3所示，頂破速度為50 mm/min。

圖3 頂破過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the topping process

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲性能分析

圖4為試樣的3點(diǎn)彎曲測(cè)試載荷-撓度曲線，可以看出，不同紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的曲線斜率也不相同，其中

1—WBC-0 ° 2—WBC-90 ° 3—PBC 4—TBC 5—SBC圖4 3點(diǎn)彎曲測(cè)試載荷-撓度曲線Fig.4 Three-point bending test load-deflection curves

PBC的曲線最陡，抵抗變形能力最高的，即模量最大，接著依次是SBC、TBC、WBC-90 °和WBC-0(°)。從表2中的數(shù)據(jù)得到，PBC的彎曲強(qiáng)度為189 MPa，SBC為143 MPa，TBC為112.1 MPa，WBC-0 °為28.6 MPa，WBC-90 °為142 MPa，其強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和模量是一致的，其中，PBC的彎曲強(qiáng)度是最大的，SBC比WBC-90 °彎曲強(qiáng)度略高，WBC-0 °最小，TBC低于SBC。從增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，平紋的組織點(diǎn)多，纖維多是屈曲狀態(tài)不易移動(dòng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，因此，PBC的彎曲強(qiáng)度高。緞紋結(jié)構(gòu)雖然組織點(diǎn)較少，但纖維處于伸直狀態(tài)，在3點(diǎn)彎曲測(cè)試中，纖維有由伸直狀態(tài)到屈曲狀態(tài)的變化過(guò)程，因此，SBC彎曲強(qiáng)度也較大。和緞紋類似，雖然無(wú)緯結(jié)構(gòu)沒(méi)有很多的交織點(diǎn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不強(qiáng)，但是無(wú)緯結(jié)構(gòu)的纖維沒(méi)有屈曲結(jié)構(gòu)，纖維排列規(guī)律，取向程度高，所以WBC-90 °彎曲強(qiáng)度高。無(wú)緯結(jié)構(gòu)是一種單向鋪層纖維布，其結(jié)構(gòu)中纖維分布取向變化較小，其裂紋的擴(kuò)展主要是沿著垂直纖維分布方向[5]，因此，導(dǎo)致了無(wú)緯90 °結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量增加，相應(yīng)的無(wú)緯0 °結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量很小。

撓度與材料的受力變形相關(guān)，從而影響到材料的使用性能。從表2中可以看出，SBC的撓度最大，為9.7 mm，這是因?yàn)榫劶y結(jié)構(gòu)的組織點(diǎn)少，容易產(chǎn)生滑移，同時(shí)玄武巖纖維紗線屈曲狀態(tài)少，所以緞紋結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在承受載荷時(shí)，首先通過(guò)組織點(diǎn)滑移和纖維的屈曲，最后達(dá)到材料的完全斷裂；平紋結(jié)構(gòu)組織點(diǎn)較多，紗線和紗線間相互作用，不易產(chǎn)生滑移，因此PBC撓度較小。

表2 不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響Tab.2 Effect of different fabric structure on the bending properties of composite materials

2.2 沖擊性能分析

圖5為不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)曲面復(fù)合材料沖擊吸收能量值，可以看出WBC-90 °和SBC的沖擊吸收能量要高于其他幾種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料?？椢锝Y(jié)構(gòu)直接影響到復(fù)合材料的能量吸收、損傷程度和破壞模式，試樣的損傷形式包括基體開(kāi)裂、纖維斷裂、分層和表面變形，而且這些損傷形式相互影響共同存在[6]。從結(jié)構(gòu)上看，紡織結(jié)構(gòu)分為交織區(qū)和周?chē)鷧^(qū)，交織區(qū)內(nèi)的纖維呈現(xiàn)非直線狀態(tài)，面內(nèi)剛度較低；周?chē)鷧^(qū)是直纖維區(qū)，能夠承受更多載荷[[7-8]。緞紋的組織點(diǎn)少，易于產(chǎn)生面內(nèi)滑移，纖維紗線屈曲狀態(tài)少[9]，所以組織結(jié)構(gòu)為緞紋的復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時(shí)，增強(qiáng)體承受載荷時(shí)，會(huì)發(fā)生組織點(diǎn)滑移，原本伸直的纖維也會(huì)發(fā)生屈曲，因此吸收的能量增多；平紋的組織點(diǎn)密集，纖維不易發(fā)生滑移，而且纖維一直處于屈曲狀態(tài)，因此，PBC承受沖擊時(shí)所能吸收的能量較低。斜紋組織的結(jié)構(gòu)介于平紋和緞紋之間，所以TBC的吸收能量數(shù)值也介于兩者之間。因?yàn)闊o(wú)緯結(jié)構(gòu)的玄武巖纖維布是鋪層的結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有實(shí)際意義上的組織點(diǎn)存在，只是纖維與紗線的交織，WBC-0 °相當(dāng)于是切割了纖維，纖維對(duì)載荷的傳遞起到較小的作用，沖擊吸收能量很低；而WBC-90 °吸收能量數(shù)值偏大，這是因?yàn)閃BC-90 °為沿著纖維鋪層方向切割，纖維并沒(méi)有發(fā)生斷裂。

圖5 不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料沖擊吸收能量柱狀圖Fig.5 Histogram of energy absorption energy of different fabric structures

圖6 WBC-90 °厚度對(duì)吸收能量影響Fig.6 Effect of WBC-90 ° thickness on impact strength

本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證了WBC-90 °試樣厚度對(duì)沖擊吸收能量數(shù)值的影響，如圖6所示，8～10層的增長(zhǎng)幅度是72.8 %，明顯大于2～4層的32 %，4～6層的48.2 %以及6～8層的20.7 %，很明顯隨著厚度的增加，沖擊吸收能量增幅變大，所以就無(wú)緯結(jié)構(gòu)的玄武巖曲面復(fù)合材料而言，厚度對(duì)其沖擊吸收能量起更大作用，這也就解釋了WBC-90 °沖擊吸收能量較大的原因[10]。

2.3 頂破性能分析

目前，復(fù)合材料很多使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常受到外界物體的低速頂破破壞，如尖銳砂礫的頂破破壞[11]。圖7為不同織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力，從圖中可以看出，TBC頂破強(qiáng)力最高，SBC次之，PBC最低，無(wú)緯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的頂破強(qiáng)度與前面3種結(jié)構(gòu)相差數(shù)值較小。平紋結(jié)構(gòu)組織點(diǎn)多，在承受載荷時(shí)，纖維不易發(fā)生滑移，并且經(jīng)緯方向的紗線都承受同等大小的力，試樣呈現(xiàn)十字形破壞，強(qiáng)力相對(duì)較低；緞紋結(jié)構(gòu)組織點(diǎn)少，在承受載荷時(shí)，纖維容易發(fā)生滑移，頂破強(qiáng)力較大。因?yàn)轫斊扑俣纫h(yuǎn)小于沖擊速度，而且頂破的試樣與三點(diǎn)彎曲和沖擊的不同，在受力交結(jié)點(diǎn)處對(duì)于載荷的反應(yīng)也有所不同，因此，TBC的受力面出現(xiàn)了十字?jǐn)嗔芽?，破壞?yán)重，TBC的頂破強(qiáng)力最大，而PBC 和SBC受力面只是出現(xiàn)了十字?jǐn)嗔鸭y?？椢镌陧斊茣r(shí)的破壞斷裂形貌，存在十字形和一字形破壞。當(dāng)織物作為增強(qiáng)體時(shí)，其曲面復(fù)合材料的破壞形式也是這2種破壞形式。

圖7 不同織物結(jié)構(gòu)頂破強(qiáng)力Fig.7 Breaking strength histogram of different fabric structures

(a)SBC (b)PBC (c)WBC (d)TBC圖8 頂破試樣斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the broken samples

如圖8所示，SBC、TBC以及PBC的頂破破壞形貌滿足了十字形破壞；WBC的破壞是出現(xiàn)一字形斷裂口。TBC的頂破破壞情況比較嚴(yán)重，出現(xiàn)十字形斷裂口，即表面出現(xiàn)了分層斷裂，樹(shù)脂與增強(qiáng)體分離，出現(xiàn)了分層斷裂。PBC和SBC只是出現(xiàn)了十字形斷裂紋，SBC的裂紋面積比PBC的大，PBC裂紋出現(xiàn)輕微的分層斷裂；其中PBC和SBC斷口處相對(duì)齊整，而TBC斷口處纖維抽插雜亂，樹(shù)脂與增強(qiáng)體分撥脫離。因?yàn)樵鰪?qiáng)體結(jié)構(gòu)經(jīng)緯紗能承受相近的載荷，所以出現(xiàn)十字形破壞；而無(wú)緯結(jié)構(gòu)的玄武巖曲面復(fù)合材料則會(huì)出現(xiàn)一字形破壞，WBC斷口處是樹(shù)脂與基體發(fā)生斷裂破壞，發(fā)生脫離，是因?yàn)樗慕?jīng)緯方向所能承受的載荷差異很大，在緯度方向上基本沒(méi)有承載能力[12]。WBC斷裂口附近出現(xiàn)基體脫落，而增強(qiáng)體未發(fā)生斷裂破壞。

3 結(jié)論

(1)相對(duì)于平紋、緞紋、斜紋及無(wú)緯結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料，平紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體的曲面復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量在幾種織物組織結(jié)構(gòu)中是最大的，而緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料撓度最大；

(2)緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料的沖擊性能最好；玄武巖鋪層數(shù)目對(duì)無(wú)緯結(jié)構(gòu)玄武巖曲面復(fù)合材料的沖擊性能影響比較大；

(3)斜紋結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料頂破強(qiáng)力最高；增強(qiáng)體為織物結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料頂破破壞形式有十字形和一字形；

(4)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果綜合分析可知：增強(qiáng)體是緞紋結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良。