鐘智麗，王子帥

(天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

0 引言

在復(fù)合材料的發(fā)展歷程中，二維編織技術(shù)有著重要作用[1]。由于這種編織技術(shù)能夠制造出整體性好、韌性高、耐壓縮、耐沖擊性強(qiáng)等性能優(yōu)異的復(fù)合材料預(yù)制件，因此，二維編織技術(shù)在復(fù)合材料方面的應(yīng)用有顯著的意義。這種技術(shù)能滿足各種各樣的復(fù)雜形狀的要求。在各種各樣的領(lǐng)域里，一些傳統(tǒng)的材料慢慢會(huì)被復(fù)合材料所代替，因此復(fù)合材料應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。而管件通?？煞譃榈冉孛婀芎妥兘孛婀埽孛嫘螤顒t可分為矩形管、圓形管和異型截面管[2]。而由復(fù)合材料制成的管件是工業(yè)工程上常常用到的結(jié)構(gòu)件。

隨著復(fù)合材料技術(shù)向前發(fā)展，這種制造復(fù)合材料管件的工藝同樣發(fā)展出很多種，用于制作管件的纖維和基體材料也幾乎涵蓋所有現(xiàn)有的種類。燕瑛提出二維波紋細(xì)觀力學(xué)模型，在考慮了實(shí)際織物結(jié)構(gòu)中存在的經(jīng)向和緯向纖維的波紋，相鄰纖維束之間的間隙，纖維束的橫截面尺寸和織物的層疊構(gòu)造狀態(tài)對(duì)編織復(fù)合材料彈性性能的影響下，給出了細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與編織復(fù)合材料彈性性能之間的變化關(guān)系[3]。張前錦等人研究用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作汽車用能量吸收管件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬制能量吸收盒。然后使用膠水粘結(jié)管，用建模軟件建立模型，分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)管的壞損主要是由膠水的破壞，因此結(jié)果不好；而混合連接的管件，碳纖維和樹脂都被破壞，結(jié)果能量吸收的很好[4]。Farely等人對(duì)復(fù)合材料管件的增強(qiáng)纖維與基體材料之間的能量吸收進(jìn)行研究，研究表明增強(qiáng)纖維和基體材料之間的組合，嚴(yán)重影響其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件的能量吸收性能[5]。增強(qiáng)體和基體的性質(zhì)對(duì)管件有著嚴(yán)重的作用，當(dāng)樹脂比增強(qiáng)體變化大，這樣的組合是比較合適的選擇。Okano，M等研究不同編織角對(duì)編織復(fù)合材料管件物能量吸收性能的影響[6]。編織的方式不僅能夠?qū)⑦B續(xù)的纖維編織形成各種形狀的管件物，而且通過(guò)改變纖維的排列方式可設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的編織物。在編織過(guò)程中可通過(guò)引入增強(qiáng)紗以增強(qiáng)管件物的軸向承載能力。

我國(guó)研究二維編織工藝還是剛剛起步，制作復(fù)雜預(yù)制件的理論尚有欠缺。隨著研究人員對(duì)于二維編織復(fù)合材料技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷提高，我國(guó)也會(huì)出現(xiàn)具有跨時(shí)代意義的復(fù)合材料的研究技術(shù)。復(fù)合材料的一個(gè)重要的力學(xué)性能就是抗沖擊性能。通過(guò)落錘對(duì)三種節(jié)距不同的管件進(jìn)行耐沖擊測(cè)試，研究編織節(jié)距等參數(shù)對(duì)耐沖擊性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

材料:T300B－3000－40B碳纖維復(fù)絲，線密度為198 tex，密度為1.76 g/cm3；所用試劑為美國(guó)郎博萬(wàn)先進(jìn)材料公司以及深圳市郎博萬(wàn)先進(jìn)材料有限公司的環(huán)氧樹脂膠黏劑，其型號(hào)為:NO.1－691－2/A，而固化劑的型號(hào):NO.1－692－2/B。 其樹脂與固化劑的混合比例為3:1；預(yù)制件的編織節(jié)距為80mm、100mm、120mm，經(jīng)4層復(fù)合制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件，參數(shù)如表1所示。

儀器:徐州恒輝編織機(jī)有限公司的24錠二維立式編織機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的儀器化落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為ZCJ9302

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝

1.2.1 管件制備

(1)導(dǎo)紗:將買來(lái)的大筒紗通過(guò)機(jī)器纏繞成管紗。(2)將管紗裝入二維編織機(jī)上，并啟動(dòng)編織機(jī)進(jìn)行編織。(3)制備蠟?zāi)?因其芯模為直徑10mm的不銹鋼圓棍，假若不在圓棍外層澆注一層蠟?zāi)＃可蠘渲蟮奶祭w維管固化后很難取下來(lái)，因此需要熔化的石蠟均勻澆注到圓棍外層，并將蠟?zāi)Ｗ匀荒獭?4)使用鋼尺測(cè)量編織物長(zhǎng)度，并每50cm剪一段，共剪取四段。(5)待蠟?zāi)Ｄ毯螅瑢⒓艉玫木幙椢锾兹胂災(zāi)Ｖ?，共套四層，并固定好兩端?6)選用合適的容器調(diào)制環(huán)氧樹脂和固化劑，根據(jù)其配比3:1，使用天平稱取環(huán)氧樹脂和固化劑的克數(shù)，并攪拌均勻。(7)根據(jù)手糊成型法，將樹脂均勻涂在預(yù)制件上，反復(fù)涂勻，盡量確保使樹脂浸入最內(nèi)層編織物中，涂抹均勻后將其豎直掛起，并使它室溫固化。(8)待其固化后，將其放入烘箱，在其下方放置一個(gè)容器，使石蠟熔化后滴入容器中，保證烘箱的干凈。因?yàn)槭灥娜埸c(diǎn)最高為63度，所以可將烘箱的溫度設(shè)置為80度，烘半個(gè)小時(shí)，待石蠟熔化后，將其取出并降至室溫，這個(gè)過(guò)程注意安全。(9)當(dāng)鋼棍降溫至室溫后，取出管件，并用切割機(jī)將兩端切割掉，注意此過(guò)程注意手的安全。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)使用切割機(jī)對(duì)三種不同節(jié)距的二維編織碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件進(jìn)行切割，切割過(guò)程中需要注意安全，每個(gè)試樣長(zhǎng)度均為150mm。

(2)按照實(shí)驗(yàn)需要的抗沖擊能量選用合適的落錘；本次試驗(yàn)選用的落錘重量為2千克。

(3)按儀器使用規(guī)則進(jìn)行校準(zhǔn)機(jī)器。

(4)將試樣放入夾持器中放好，應(yīng)讓試樣中心對(duì)應(yīng)落錘沖頭，當(dāng)放好試樣后，關(guān)好安全門。

(5)關(guān)好安全門后，在計(jì)算機(jī)上按鍵夾緊、抓錘、提錘等一系列動(dòng)作后，可以開(kāi)始試驗(yàn)，讓落錘進(jìn)行沖擊試樣，試驗(yàn)結(jié)束后記錄數(shù)據(jù)并保存。

1.2.3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《GB/T 6112－1985熱塑性塑料管材和管件耐沖擊性能的測(cè)試方法》對(duì)管件進(jìn)行耐沖擊性能測(cè)試

2 結(jié)果與分析

2.1 各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果

復(fù)合材料管件耐沖擊的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果如表2所示，復(fù)合材料管件抗沖擊的應(yīng)力—位移曲線如圖1所示。其中，在儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)上輸入沖擊高度、試樣厚度、錘頭重量及沖擊速度，而沖擊能量是指管件在規(guī)定條件下，沖擊達(dá)到中心位置時(shí)所具有的能量；然后測(cè)試得出其他參數(shù)。

表2 耐沖擊性能的各項(xiàng)參數(shù)

圖1 復(fù)合材料管件抗沖擊的應(yīng)力—位移曲線

2.2 耐沖擊結(jié)果分析

對(duì)沖擊試驗(yàn)完成后的不同編織參數(shù)二維編織碳纖維復(fù)合材料管件的照片，并觀察分析受沖擊截面的破損情況。受沖擊截面如圖2所示。

圖2 受沖擊截面(a代表節(jié)距80，b代表節(jié)距100，c代表節(jié)距120)

本次共測(cè)試了三種不同編織參數(shù)的碳纖維復(fù)合材料管的抗沖擊性能，每種節(jié)距測(cè)三個(gè)，而表2只是列舉每種的一組數(shù)據(jù)。由圖2易知，保證了每個(gè)試樣受沖擊的位置都是中心處，試驗(yàn)完成后，每個(gè)試樣都出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，這就說(shuō)明碳纖維—環(huán)氧樹脂二維編織復(fù)合材料管件表現(xiàn)出很大的脆性，這與碳纖維性能上的缺點(diǎn)息息相關(guān)，如碳纖維脆性較大、不耐彎曲和剪切、破壞前無(wú)預(yù)報(bào)等。

由圖1可知，當(dāng)落錘與試樣開(kāi)始接觸時(shí)，隨著位移逐漸增加，總體上，力是逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，管件開(kāi)始破裂，力逐漸減小。通過(guò)曲線可以看出，曲線有微小的波動(dòng)，這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)，落錘本身左右會(huì)有較小范圍的晃動(dòng)，這就引起了曲線的抖動(dòng)。但是曲線的抖動(dòng)總體上不影響對(duì)沖擊性能的判斷。由圖2和表2可知，雖然每個(gè)試樣都發(fā)生了破裂現(xiàn)象，但是不同節(jié)距破裂前所達(dá)到的最大的力是不同的，80節(jié)距的力最大，100節(jié)距次之，120節(jié)距力最小。觀察破裂面形狀可知，編織節(jié)距為80的復(fù)合材料管件不僅受沖擊時(shí)所受的壓力最大，而且破裂處的粘連物較多；而100節(jié)距破裂處粘連物適中；而120節(jié)距破裂處粘連物很少，破裂的很干脆。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)主要探究編織節(jié)距80、100、120的二維編織碳纖維復(fù)合材料管的抗沖擊性能，并對(duì)其作出了比較。得出了手糊法做出的管件，雖略有影響，但趨勢(shì)仍然存在，可知增強(qiáng)體碳纖維本身表現(xiàn)出的脆性大，使得復(fù)合后管的抗沖擊性能不強(qiáng)；節(jié)距越小，紗線交織緊密，成為有機(jī)的一個(gè)整體，并且增強(qiáng)體(碳纖維)含量較高，所以抗沖擊性能越強(qiáng)。落錘與試樣開(kāi)始接觸時(shí)，隨著位移逐漸增加，管件抗沖擊的應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到最大值時(shí)，管件開(kāi)始破裂，應(yīng)力逐漸減??；雖然每個(gè)試樣都發(fā)生了破裂現(xiàn)象，但是不同節(jié)距破裂前所達(dá)到的最大的力是不同的，隨著編織節(jié)距增大，管件抗沖擊的最大力逐漸減小。另外，落錘本身有較小范圍的晃動(dòng)，這就引起了曲線的抖動(dòng)。