吳利偉, 王 偉， 林佳弘,3,4， 姜 茜

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 教育部與天津市共建先進復合材料重點實驗室， 天津 300387； 3. 閩江學院 海洋學院， 福建 福州 350108；4. 臺灣逢甲大學 纖維與復合材料學系， 臺灣 40724)

夾芯板結構以其優(yōu)異的輕質量和高強度成為現(xiàn)代材料科學研究的重點。聚氨酯夾芯板的增強面板材料通常是由纖維織物或金屬薄板制成，芯材則為聚氨酯基聚合物(聚氨基甲酸酯簡稱聚氨酯)。聚氨酯密度大小及軟硬程度均可通過調(diào)整原料及配方而改變，其中聚氨酯基聚合物包括聚氨酯泡沫和聚氨酯彈性體2種類型[1]。聚氨酯芯材設計對夾芯復合材料性能有一定影響。Mohamed等[2]設計了3種不同形狀的芯材并對其剛度、承載能力和抗壓強度進行了評價。方路平等[3]制備了帽型、泡型、工字型3種夾芯結構復合材料，研究了3種夾芯結構在彎曲載荷下的響應行為。Tuwair等[4]利用玻璃纖維織物作面板，與3種不同聚氨酯芯層結構制成三明治結構，得到了強度和剛度最大的一種三明治結構，并分析相應的模型。

與芯材的結構相比，增強面板類型對復合材料整體力學性能的影響更為顯著[5-6]。以往的研究采用鋼板、高性能纖維增強塑料作為面板材料制作聚氨酯夾芯復合材料，通過實驗和數(shù)值計算的方法，表征復合材料的力學響應[7-9]。薛啟超等[10]以聚氨酯彈性體鋼夾層板為研究對象，對黏彈性夾芯夾層結構三點彎曲實驗卸載后裂紋沿層間方向繼續(xù)擴展這一現(xiàn)象進行研究。武曉東等[11]采用玻璃纖維、碳纖維、混雜碳/芳綸和芳綸纖維織物為面層，自制閉孔硬質聚氨酯泡沫芯材，通過碳纖維樹脂傳遞模塑成型工藝制備了泡沫夾芯復合材料，以泡沫夾芯結構的平均損傷角度、穿透深度和最大開裂寬度作為表征試樣損傷程度的參數(shù)，分析了25 J能量下的沖擊損傷情況。

本文研究中使用的夾芯復合材料的芯層由聚氨酯發(fā)泡而成，增強面板采由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)與芳綸2種高性能纖維織成的平紋織物，將增強面板結合軟式聚氨酯芯材制成具有優(yōu)良彈性恢復及緩沖性能的柔性復合材料，分析了這種復合材料的力學性能，并與錦綸非織造布夾芯復合材料和玄武巖平紋布夾芯復合材料作對比，為工程化生產(chǎn)提供參考。

1 實驗部分

1.1 增強面板

將芳綸短纖紗作為經(jīng)紗，超高分子量聚乙烯長絲作緯紗，旨在利用超高分子量聚乙烯優(yōu)異的力學性能和芳綸短纖紗粗糙的表面，在平紋交織位置增大摩擦，有利于面板力學性能的提升。同時，該混雜結構有利于在減輕質量的同時提升織物的抗沖擊性能。

平紋結構織物作為增強面板，具體織造參數(shù)見表1、2。選用面密度接近的錦綸非織造布作為對比用增強面板，以便獲得同等面密度下二者的力學性能差異，同時選用玄武巖平紋織物作對比，獲得相同結構下不同材料的力學性能對比。錦綸非織造布為針刺結構，生產(chǎn)廠家為臺灣信織實業(yè)股份有限公司，玄武巖平紋織物生產(chǎn)廠家為宜興中碳科技有限公司。

表1 紗線基本參數(shù)

Tab.1 Yarn parameters

材料生產(chǎn)廠家線密度/tex拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa斷裂伸長率/%芳綸短纖紗儀征化纖有限責任公司581 020652.4超高分子量聚乙烯纖維連云港神特新材料有限公司632 000803.1

表2 織物基本參數(shù)

Tab.2 Fabric parameters

材料密度/(根·(10 cm)-1)斷裂強力/N經(jīng)密緯密經(jīng)向緯向面密度/(g·m-2)厚度/mm芳綸/UHM-WPE平紋織物120110657.3577.11760.4玄武巖平紋織物100100876.0907.03300.4錦綸非織造布——96.643.31801.5

1.2 芯 材

軟質聚氨酯由A劑和B劑合成。其中：A劑為聚醚多元醇CST-1076 A，密度為1.05 g/cm3，顏色為乳白色；B劑為異氰酸酯CST-1076B，密度為1.25 g/cm3，顏色為黑褐色。生產(chǎn)廠家均為深圳科晟達貿(mào)易有限公司。

1.3 聚氨酯夾芯復合材料制備

在室溫條件下將聚醚多元醇A劑與異氰酸酯B劑按照質量比為3∶1的比例攪拌混合，攪拌速度為1 000 r/min，時間為10 s，之后快速將混合料注入上下兩側鋪有增強面板的模具中進行一體發(fā)泡成型。待1 h固化后脫模，得到聚氨酯夾芯復合材料，模具尺寸為35 cm×33 cm×10 mm(長×寬×高)。最終制備出上面板為芳綸/UHMWPE平紋織物、下面板為錦綸非織造布的芳綸/UHMWPE增強聚氨酯夾芯復合材料，以同樣方式也制作出上面板為玄武巖平紋織物、下面板為錦綸非織造布的玄武巖增強聚氨酯夾芯復合材料以及用作對比的上下2個面板均為錦綸非織造布的錦綸非織造布增強聚氨酯夾芯復合材料。

1.4 性能測試

拉伸和壓縮性能實驗所用儀器為HT-2402型萬能強力儀(臺灣弘達儀器股份有限公司)，沖擊測試采用INSTRON 925HV型沖擊試驗機(美國英斯特朗公司)。拉伸性能測試參照GB/T 6344—2008《軟質泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定》進行，在常溫常濕條件下，夾具加持試樣在100 mm/min速度下進行拉伸，試樣尺寸為180 mm×25 mm×10 mm。壓縮性能測試參照GB/T 6669—2008《軟質泡沫聚合材料壓縮永久變形的測定》進行，在常溫常濕條件下以相同速度進行壓縮測試，試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm。落重沖擊測試采用GB/T 6670—2008《軟質泡沫聚合材料落球法回彈性能的測定》進行，試樣在常溫常濕條件下以半球形錘頭進行低速落重沖擊，試樣尺寸為150 mm×100 mm×10 mm，錘頭直徑為12.7 mm，質量為6.5 kg。

2 結果討論

2.1 拉伸性能分析

圖1示出3類織物增強聚氨酯夾芯復合材料拉伸斷裂結果?？梢钥吹剑哄\綸非織造布夾芯復合材料的拉伸斷裂截面較為整齊；而芳綸/UHMWPE夾芯復合材料的拉伸斷裂面呈現(xiàn)為斜面，紗線有抽拔斷裂現(xiàn)象；玄武巖夾芯復合材料具有類似的現(xiàn)象。這是因為芳綸/UHMWPE和玄武巖夾芯復合材料試樣兩面所用面板材質不同，織物面的斷裂強力大，承受的力更多，且模量高，不易發(fā)生拉伸變形。

注：1#為正視圖；2#為側視圖。 圖1 3類織物增強聚氨酯夾芯復合材料試樣 拉伸斷裂正視圖與側視圖

Fig.1 Front and lateral fracture images of three fabric reinforced polyurethane sandwich composites after tensile loading.(a) Nylon nonwoven sandwich composite；(b) Aramid/UHMWPE sandwich composite； (c) Basalt sandwich composite

圖2示出3類織物增強聚氨酯夾芯復合材料載荷-位移曲線。由圖可知，沿織物縱向與橫向對錦綸非織造布夾芯復合材料分別進行拉伸，曲線具有相同的變化趨勢。初始階段為彈性階段，而后出現(xiàn)拐點，表明材料進入屈服區(qū)，此時試樣的載荷與位移仍呈現(xiàn)線性關系，但斜率較之前的彈性區(qū)已經(jīng)下降了很多；當載荷達到一定范圍之后，曲線急劇下降，此時的載荷值為失效強力，表明試樣已斷裂。最終錦綸非織造布夾芯復合材料縱向拉伸斷裂強力為457.2 N，斷裂伸長率為34.7%；橫向拉伸斷裂強力為220.0 N，斷裂伸長率為43%。

圖2 3類織物增強聚氨酯夾芯復合材料 試樣拉伸載荷-位移曲線

Fig.2 Load-displacement curves of three fabric reinforced polyurethane sandwich composites. (a)Nylon nonwoven sandwich composite； (b)Aramid/UHMWPE sandwich composite； (c)Basalt sandwich composite

由圖2(b)可知：沿織物縱向與橫向分別進行拉伸，2個方向上芳綸/UHMWPE夾芯復合材料拉伸曲線在加載初始階段呈線性狀態(tài)；當載荷達到峰值時，材料發(fā)生破壞，載荷下降，但與錦綸非織造布夾芯復合材料不同，曲線在下降過程中會出現(xiàn)載荷逐漸降低直至載荷為零。同樣，對于玄武巖夾芯復合材料也可觀察到此現(xiàn)象，如圖2(c)所示。這是由于在拉伸過程中，平紋織物的斷裂伸長率要遠小于錦綸非織造布，所以織物面會首先承受較大的拉力，當織物被拉斷后，載荷迅速轉移至芯材聚氨酯上，此時載荷下降，由于聚氨酯當中存在較多的泡孔，會由于泡孔失效導致載荷逐漸降低。由于3種復合材料控制聚氨酯發(fā)泡采用相同模具、發(fā)泡時間、相同配比，獲得的泡孔尺寸相似，泡孔平均尺寸為178.45 μm，如圖3所示。最終芳綸/UHMWPE夾芯復合材料縱向拉伸斷裂強力為1 930 N，斷裂伸長率為5.8%；橫向拉伸斷裂強力為1 744 N，斷裂伸長率為6.5%。與錦綸非織造布夾芯復合材料相比，縱向斷裂強力前者是后者的4.2倍，橫向斷裂強力是后者的7.9倍。玄武巖夾芯復合材料的縱橫向強力值比較接近，其中：縱向斷裂強力為1 953 N,橫向斷裂強力為1 890 N；縱向斷裂伸長率為14.9%，橫向斷裂伸長率為18.5%。

圖3 夾芯復合材料中聚氨酯內(nèi)部 形貌及孔徑分布情況

Fig.3 Morphology and diameter distribution of PU pores of sandwich composites. (a) SEM image of PU pores；(b) Diameter distribution of PU pores

2.2 壓縮性能分析

圖4示出3類織物增強聚氨酯夾芯復合材料壓縮載荷-位移曲線。可以看出，夾芯復合材料的載荷-位移曲線的趨勢大致相同，曲線表現(xiàn)為3個不同階段。第1階段發(fā)生在0～1 mm區(qū)域，屬于材料的壓縮接觸區(qū)，表現(xiàn)出線彈性特征，該階段2種夾芯復合材料的壓縮模量均為0.01 MPa。第2階段發(fā)生在1～6 mm區(qū)域，屬于材料的屈服區(qū)，曲線會出現(xiàn)1個平臺，該階段為壓縮變形主要區(qū)域，同時該階段越長也會對材料緩沖起到重要作用。第3階段發(fā)生在6～8 mm，屬于材料的壓實階段，其中：錦綸非織造布夾芯復合材料在6.5 mm處進入壓實階段，壓縮形變?yōu)?0%；芳綸/UHMWPE夾芯復合材料壓縮在7.5 mm處進入壓實階段，壓縮形變?yōu)?3%。玄武巖夾芯復合材料在7.5 mm處進入壓實階段，與芳綸/UHMWPE相同，壓縮變形為83%。3種材料在壓縮過程的壓縮接觸區(qū)和屈服區(qū)差異不大，此階段大變形主要發(fā)生在芯材聚氨酯部分，由于聚氨酯內(nèi)部存在大量空氣泡孔，在壓縮過程中，泡孔首先被擠壓并產(chǎn)生變形。在壓實階段，隨著聚氨酯泡沫中泡孔不斷被壓縮，泡孔壁之間相互作用，泡孔腔被逐步填實。此外，由于錦綸非織造布結構松散，相對于平紋織物纖維在受壓時更易產(chǎn)生移動，故其在屈服區(qū)就已經(jīng)處于緊密階段；而平紋織物結構緊密，不易被壓縮，在壓縮力逐漸增大時，會有一部分紗線嵌入聚氨酯中，因而產(chǎn)生更大變形量。

圖4 3類織物增強聚氨酯夾芯復合 材料壓縮載荷-位移曲線

Fig.4 Load-displacement curves of fabric reinforced polyurethane sandwich composites under compression loading

2.3 抗沖擊性能分析

圖5示出2種夾芯復合材料在6 J能量沖擊下的破壞示意圖?？梢钥闯觯\綸非織造布夾芯復合材料試樣表面遭到破壞，試樣被沖擊頭穿破，形成一個直徑為10 mm的孔洞。與之相對，芳綸/UHMWPE夾芯復合材料試樣在沖擊后沒有產(chǎn)生破壞。這是由于2種夾芯復合材料上面板增強層強度差所造成的，錦綸非織造布的強度主要是由纖維間纏繞形成的摩擦力提供，而芳綸/UHMWPE平紋織物，紗線排列整齊，結構緊密，由于纖維本身具有較好強度，故其強度會大于錦綸非織造布。

圖5 錦綸非織造布夾芯復合材料與芳綸/UHMWPE 夾芯復合材料沖擊后破壞結果

Fig.5 Fracture morphologies of nylon nonwoven composite (a) and aramid/UHMWPE sandwich composite (b)

圖6示出沖擊能量為6 J時錦綸非織造布夾芯復合材料與芳綸/UHMWPE夾芯復合材料沖擊載荷-位移曲線。可以看出，芳綸/UHMWPE夾芯復合材料沖擊載荷曲線很光滑，沖擊強力為530 N，整個過程吸收能量接近6.0 J。而錦綸非織造布夾芯復合材料曲線沖擊載荷曲線后半部急劇下降，直至降到0，沖擊破壞強力為640 N，整個過程吸收5.4 J能量。原因是由于芳綸/UHMWPE夾芯復合材料中平紋織物首先與沖擊頭接觸，為整個夾芯復合材料承受沖擊，并且未被沖擊破壞，同時平紋織物存在較多的經(jīng)緯紗交織點，有助于集中力的分散，更好地將沖擊力分散傳遞到芯材聚氨酯上；而錦綸非織造布夾芯復合材料所受沖擊力超過面板增強層強度，產(chǎn)生破壞，沖擊頭直接深入到聚氨酯芯材內(nèi)部，所以造成二者曲線差異，并且芳綸/UHMWPE夾芯復合材料的最大沖擊力小于錦綸非織造布夾芯復合材料的沖擊破壞強力。

圖6 錦綸非織造布夾芯復合材料與芳綸/UHMWPE 夾芯復合材料沖擊載荷-位移曲線

Fig.6 Load-displacement curves of nylon nonwoven and aramid/UHMWPE sandwich composites

為進一步分析芳綸/UHMWPE夾芯復合材料的抗沖擊性能，將沖擊能量提升到20 J，并進一步對芳綸/UHMWPE夾芯復合材料試樣進行沖擊實驗，結果如圖7所示。從芳綸/UHMWPE夾芯復合材料破壞示意圖可以看出，試樣表面的織物被穿破，沿橫向形成一個20 mm的缺口，這是因為芳綸紗線的強度小于UHMWPE紗線，破壞主要發(fā)生在芳綸短纖紗部分，而玄武巖夾芯復合材料沿織物縱向有部分紗線斷裂。

圖7 芳綸/UHMWPE夾芯復合材料與玄武巖夾芯 復合材料試樣破壞結果

Fig.7 Fracture morphology of aramid/UHMWPE composite (a) and basalt sandwich composite (b)

圖8示出沖擊能量為20 J時芳綸/UHMWPE夾芯復合材料與玄武巖夾芯復合材料沖擊載荷-位移曲線?？梢钥闯?，芳綸/UHMWPE夾芯復合材料的沖擊破壞強力為1 260 N，吸收的總能量為13.4 J。沖擊過程中首先夾芯復合材料隨著沖擊作用產(chǎn)生一定的形變，當形變繼續(xù)增大時，由于芳綸/UHMWPE織物的斷裂伸長率小于聚氨酯，這時織物為主要受力部分，二者之間產(chǎn)生協(xié)同作用，直至織物被穿破，聚氨酯繼續(xù)承受載荷，曲線表現(xiàn)為一小段波動，由于聚氨酯斷裂強力較低，很快被穿破，因此載荷急劇下降。在這個過程中總能量包含材料彈性應變能和材料破壞能2部分。其中：材料彈性應變能沒有被吸收，轉化為彈性變形，在外力移除后，材料形狀恢復并釋放出彈性應變能；而材料破壞能是由纖維的斷裂和抽拔，聚氨酯的撕裂等形式構成。因此，對比2類夾芯復合材料，芳綸/UHMWPE夾芯復合材料破壞能所需能量更大，在未破壞前提下，可吸收的沖擊能量遠高于錦綸非織造布夾芯復合材料，是后者的2.5倍。

圖8 芳綸/UHMWPE夾芯復合材料與玄武巖 夾芯復合材料載荷-位移曲線

Fig.8 Load-displacement curves of aramid/UHMWPE and basalt sandwich composites

從玄武巖夾芯復合材料的沖擊載荷-位移曲線看出，其沖擊載荷達到1 480 N，整個過程吸收能量為18 J，為錦綸非織造布夾芯復合材料的3.3倍，但由于玄武巖平紋織物的面密度遠大于芳綸/UHMWPE平紋織物，因此采用了能量吸收密度的概念(表示單位質量吸收的能量)對二者的性能進行進一步比較，二者能量吸收密度分別為4.95、2.64 J/g。芳綸/UHMWPE夾芯復合材料的能量密度為玄武巖夾芯復合材料1.875倍。說明芳綸/UHMWPE夾芯復合材料在保證質輕的基礎上，具有良好的能量吸收效果。

3 結 論

本文利用UHMWPE與芳綸這2種高性能纖維以及軟式聚氨酯可大變形的特點，開發(fā)出一款具有優(yōu)良力學性能的柔性緩沖用復合材料，并通過拉伸、壓縮和沖擊實驗對其與錦綸非織造布夾芯復合材料和玄武巖夾芯復合材料進行性能比較。結果顯示，芳綸/UHMWPE夾芯復合材料和玄武巖夾芯復合材料均具有優(yōu)良的力學性能，除壓縮性能受聚氨酯影響造成2種夾芯復合材料性能接近外，拉伸以及緩沖性能均遠高于錦綸非織造布夾芯復合材料，但玄武巖平紋布的面密度較大，不利于輕量化的發(fā)展趨勢，因此芳綸/UHMWP夾芯復合材料可廣泛應用于人體防護、汽車及建筑內(nèi)飾等工程領域。