陳振宏 金歡歡 田 飛

（河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018）

間隔織物是一種整體織造而成、層與層之間由紗線相連、呈中空結(jié)構(gòu)的織物。由其制備而成的復(fù)合板材是一種新型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)蜂窩、泡沫等夾層結(jié)構(gòu)材料相比，不存在面芯剝離現(xiàn)象，具有優(yōu)異的耐久性和抗沖擊性，其中間的接結(jié)紗芯柱（芯柱即接結(jié)紗在泡沫填充過程中與聚氨酯樹脂結(jié)合形成的柱狀復(fù)合材料）和填充的聚氨酯泡沫具有協(xié)同作用，在復(fù)合板材受到壓縮、剪切、彎曲、剝離及沖擊載荷時，可避免板材因發(fā)生分層而造成的整體結(jié)構(gòu)破壞，從而擁有更優(yōu)異的力學(xué)性能［1］。目前間隔織物制成的復(fù)合板材已廣泛應(yīng)用于航天航空工業(yè)；在建筑行業(yè)中，用于制造墻板、屋頂板和隔聲板等［2?3］；在造船、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中，作為車船等運(yùn)輸工具的冷藏保溫車廂體等的應(yīng)用也越來越廣泛，具有潛在的發(fā)展前景［4?5］。

低速沖擊會對復(fù)合材料造成可視和不可視的損傷，材料會通過多種形式吸收沖擊能量，同時引起失效。因此，研究復(fù)合材料的低速沖擊性能，了解材料的損傷、失效形式，對于更好地應(yīng)用復(fù)合材料具有較大的實(shí)際意義［6］。姚秀冬等對含有芯柱的復(fù)合材料夾層板建立物理模型，進(jìn)行彈性力學(xué)分析，結(jié)果顯示，芯柱的存在增加了夾層板的抗彎剛度，芯柱的材料特性和疏密程度對夾層板上芯層與面層層間的應(yīng)力分布有一定的影響［7］。FU Kunkun等用濃苯乙烯/丙烯酸酯顆?；羟性龀砹黧w，對碳纖維增強(qiáng)三明治復(fù)合板材進(jìn)行填充，并對復(fù)合板材進(jìn)行了低速沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，薄芯板材的吸收能量可提高99.3%，而厚芯板材的背面沖擊損傷可得到有效的抑制，并討論了板材的沖擊機(jī)理［8］。

本文以間隔織物作為增強(qiáng)體，再通過泡沫填充和樹脂復(fù)合，制成三維間隔增強(qiáng)復(fù)合板材，其結(jié)構(gòu)分為三部分，上下面層為織物增強(qiáng)樹脂面板，中間層為聚氨酯泡沫，上下面板之間由接結(jié)紗浸潤樹脂后形成的芯柱連接。通過沖擊測試和分析沖擊前后的側(cè)壓性能，研究接結(jié)紗芯柱分布對間隔織物增強(qiáng)復(fù)合板材低速沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

選用上海石化生產(chǎn)的高強(qiáng)低伸型滌綸工業(yè)長絲作為增強(qiáng)體材料，滌綸長絲的細(xì)度為111.1 tex，單絲數(shù)為192根，斷裂強(qiáng)度為7.9 cN/dtex，斷裂伸長率為11.2%。

所用樹脂有兩種，聚酰胺樹脂（低分子650）和環(huán)氧樹脂E?44（6101），均由宜春市卓越化工有限公司生產(chǎn)，填充所用的聚氨酯泡沫是組合聚醚和多亞甲基多苯基多異氰酸酯混合發(fā)泡而成。

根據(jù)之前的研究，織物的面層組織對板材的沖擊性能影響不顯著［9］，為了便于織造和研究，選用平紋作為上下面層的基本組織。共設(shè)計了三種接結(jié)紗密度的間隔織物［10］，上下層經(jīng)密、緯密均為80根/10 cm，接結(jié)紗高度為20 mm，間隔織物的其他工藝參數(shù)如下所示。

織物 D10 D15 D20

經(jīng)紗完全循環(huán)/根 16 24 32

緯紗完全循環(huán)/根 32 48 64

地經(jīng)與接結(jié)經(jīng)之比 14∶2 22∶2 30∶2

接結(jié)紗經(jīng)緯向隔距/mm 10 15 20

為表征清晰，本文將接結(jié)紗經(jīng)緯向隔距為10 mm，15 mm，20 mm的間隔織物簡稱為D10、D15、D20，其制成的復(fù)合板材簡稱為 P10、P15、P20。接結(jié)紗經(jīng)緯向隔距是兩根接結(jié)紗在經(jīng)紗方向或緯紗方向上的距離，在一種間隔織物中，接結(jié)紗的經(jīng)緯向隔距相同。

1.2 泡沫填充與樹脂復(fù)合

間隔織物放置在填充模具中，將組合聚醚和多亞甲基多苯基多異氰酸酯按1∶1的質(zhì)量比均勻混合，用自制攪拌器以300 r/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌10 s，將所制得的混合物迅速填充到間隔織物內(nèi)。常溫下發(fā)泡完全后測試，填充泡沫密度為0.09 g/cm3。

對機(jī)織間隔織物面層進(jìn)行樹脂復(fù)合，環(huán)氧樹脂與聚酰胺樹脂按 1∶1的比例混合［11］43，加入樹脂總質(zhì)量10%的無水乙醇作為稀釋劑，用于控制樹脂的黏度。采用手糊法進(jìn)行復(fù)合，控制復(fù)合樹脂量為750 g/m2。

1.3 沖擊試驗(yàn)

測試儀器為ZCJ9302型儀器化落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，采用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7136/D7136M—2012《纖維增強(qiáng)聚合物基體復(fù)合材料抗落錘撞擊損失測量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。沖擊試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)裁剪成100 mm×60 mm的尺寸，由于沖擊位置對板材沖擊性能有一定的影響［12］，本次試驗(yàn)沖擊位置均為四個接結(jié)點(diǎn)中間的非接結(jié)位置。

在進(jìn)行沖擊測試之前，進(jìn)行了6 J，10 J，12 J，13 J，14 J的測試，對比沖擊后的效果。參考標(biāo)準(zhǔn)GB 11548—89《硬質(zhì)塑料板材耐沖擊性能試驗(yàn)方法》中試樣的破壞判斷方法，即實(shí)驗(yàn)室正常光照條件下，能用肉眼見到落槌沖擊試樣板材所造成裂縫或裂紋［13］。最終試驗(yàn)參數(shù)沖擊能量設(shè)定為13 J，根據(jù)能量公式計算得到落錘沖擊高度為0.66 m。

1.4 側(cè)壓試驗(yàn)

復(fù)合板材在經(jīng)歷低速沖擊載荷作用后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯受損，復(fù)合板材的強(qiáng)度有一定幅度下降，為了解復(fù)合板材受損的程度，進(jìn)一步說明復(fù)合板材的抗沖擊性能，分析材料強(qiáng)度的退化情況，在完成沖擊試驗(yàn)后，又對板材進(jìn)行側(cè)壓試驗(yàn)，對板材沖擊前后側(cè)壓性能進(jìn)行測試和對比分析。側(cè)壓試樣規(guī)格為100 mm×60 mm，按照GB/T 1454—2005《夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能試驗(yàn)方法》，采用YG028A型SANS微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。設(shè)置夾持距離70 mm，最大位移8 mm，測試過程中加載速度2.0 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊試驗(yàn)

在錘頭觸碰到板材面層時，錘頭會給予板材一個縱向沖擊力，面層表面的樹脂首先遭到破壞，緊接著是織物受破壞，然后是中間泡沫受破壞，由于接結(jié)紗芯柱的存在，在沖擊過程中接結(jié)紗芯柱會起到一個縱向支撐作用，當(dāng)沖擊力達(dá)到接結(jié)紗芯柱的屈服力，接結(jié)紗芯柱會彎曲斷裂失去支撐作用，板材會受到嚴(yán)重破壞。

三種復(fù)合板材在低速沖擊作用下的破壞程度如圖1所示?？梢钥闯霭宀脑诔惺軟_擊時，P10上面板基體及纖維輕微開裂，內(nèi)部泡沫有少許凹陷，下面板完好無損；板材P15上面板基體及纖維開裂，內(nèi)部泡沫被沖碎，但下面板完好；而接結(jié)紗芯柱密度最小的板材P20上面板基體及纖維嚴(yán)重開裂，內(nèi)部泡沫全部被沖碎，下面板有明顯的裂紋。

圖1 三種板材沖擊破壞程度

不同芯柱密度的板材，在承受相同能量的沖擊時，板材吸收的沖擊能不同，沖擊載荷也不同，三種復(fù)合板材的沖擊位移?載荷（能量）曲線圖如圖2、圖3和圖4所示。

三種板材的三種破壞程度對應(yīng)其位移?載荷曲線各不相同。P10板材，錘頭接觸板材瞬間開始承受沖擊載荷，先是上面板受力，通過中間的樹脂芯柱協(xié)同承載并傳遞載荷，沖擊力值迅速增大；復(fù)合板材P15，經(jīng)緯向隔距15 mm，略大于錘頭直徑（直徑約12 mm），沖擊曲線出現(xiàn)兩個波峰，這是由于板材內(nèi)部存在泡沫空腔（板材內(nèi)部只有聚氨酯泡沫填充，沒有接結(jié)紗芯柱連接的位置），錘頭沖擊板材面板時載荷增大，上層面板被破壞，錘頭繼續(xù)下落，沖擊泡沫空腔時，周邊的樹脂芯柱承載能力降低，沖擊載荷急劇減小，隨后錘頭越過空腔沖擊下面板，載荷繼續(xù)增大；復(fù)合板材P20的樹脂芯柱隔距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錘頭直徑，沖擊過程中板材上面板承受載荷后，縱向沒有樹脂芯柱的協(xié)同承載，沖擊力值迅速增大直至下面板被破壞。沖擊試驗(yàn)中，板材對沖擊能量的吸收隨著芯柱密度的增大，吸收能量的強(qiáng)度逐漸增大，沖擊位移?能量曲線顯示，錘頭接觸試樣到錘頭與試樣分離過程中，P10板材吸收的最大沖擊能量最高，為12 J，P20板材吸收的沖擊能量最低，為10.98 J。

圖2 復(fù)合板材P10位移?載荷（能量）曲線

圖3 復(fù)合板材P15位移?載荷（能量）曲線

圖4 復(fù)合板材P20位移?載荷（能量）曲線

因此，在經(jīng)受相同的能量沖擊時，接結(jié)紗芯柱密度越大，復(fù)合板材的抗沖擊性能越好。接結(jié)紗芯柱密度越大，沖擊點(diǎn)離周圍接結(jié)紗芯柱越近，板材在經(jīng)受沖擊時，接結(jié)紗芯柱越容易承受沖擊作用，且接結(jié)紗芯柱分布密度越大其承受的力就越大，同時接結(jié)紗芯柱和填充泡沫協(xié)同作用，限制了沖擊過程中泡沫的橫向變形，這種限制越大，板材的抗沖擊性能越好，板材面板就越不容易被損壞。同時觀察可見，由于兩面板之間有接結(jié)紗芯柱連接，板材承受沖擊作用后只是沖擊位置的局部破壞，未發(fā)生面板和泡沫芯層完全分離的整體破壞。

2.2 側(cè)壓

由于復(fù)合板材具有各向異性，經(jīng)向側(cè)壓數(shù)據(jù)與緯向側(cè)壓數(shù)據(jù)有一定差別［11］44，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，均選用經(jīng)向側(cè)壓數(shù)據(jù)。試驗(yàn)觀察可知，經(jīng)受了沖擊作用的復(fù)合板材在側(cè)壓作用下仍未發(fā)生整體破壞。圖5為復(fù)合板材P20沖擊前后的側(cè)壓位移?載荷曲線。曲線顯示，承受沖擊作用后，板材所能承受的側(cè)壓載荷明顯下降。這是因?yàn)樵趥?cè)壓過程中，主要由面板和芯體承受主要載荷，面板損傷越大時應(yīng)力傳遞越困難，導(dǎo)致在面板損傷部位易形成應(yīng)力集中，使板材發(fā)生彎曲而失效。所以承受沖擊作用之后的板材達(dá)到的最大載荷值及達(dá)到最大載荷值的位移都比沖擊前的小，板材的力學(xué)性能有一定的下降，會在較小位移內(nèi)達(dá)到屈服載荷。

圖5 復(fù)合板材P20沖擊前后側(cè)壓曲線

圖6 為三種不同接結(jié)紗芯柱分布密度的復(fù)合板材承受沖擊后的側(cè)壓位移曲線。

圖6 三種復(fù)合板材沖擊后側(cè)壓曲線

由圖6可見，接結(jié)紗芯柱分布密度越大，板材所承受的最大側(cè)壓載荷越大，這是因?yàn)榘宀脑诔惺軅?cè)壓力時，由于接結(jié)紗芯柱連接正反兩面，阻止面板與泡沫分離，接結(jié)紗芯柱越多，阻力越大，板材承受載荷越大。板材經(jīng)過低速沖擊后，其面板和芯體均受到不同程度的損傷，整體協(xié)同作用下降，造成板材側(cè)壓強(qiáng)度降低，三種板材由于結(jié)構(gòu)的差異，承受沖擊后各自的受損程度不同，也導(dǎo)致了板材承受沖擊后，側(cè)壓強(qiáng)度的差異。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的公式計算三種板材沖擊前后的側(cè)壓強(qiáng)度。依據(jù)三種板材承受沖擊作用前后側(cè)壓強(qiáng)度的變化情況計算強(qiáng)度損失率。具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種復(fù)合板材沖擊前后側(cè)壓強(qiáng)度及損失率

由圖7可見，接結(jié)紗芯柱分布密度最大的板材P10側(cè)壓強(qiáng)度損失率最小，板材P15較大，而接結(jié)紗芯柱分布密度最小的板材P20側(cè)壓強(qiáng)度損失率最大，說明在承受相同能量的沖擊作用后，板材P10受損程度最小，板材P15較大，板材P20受損程度最大。這一結(jié)果與直觀觀察結(jié)果一致，進(jìn)一步說明了間隔織物復(fù)合板材的接結(jié)紗芯柱密度越大，其抗低速沖擊性能越好。

3 結(jié)論

采用滌綸長絲作為原料，設(shè)計織造了三種接結(jié)紗分布密度的機(jī)織間隔織物，對其內(nèi)部進(jìn)行泡沫填充，面層進(jìn)行樹脂復(fù)合，制成間隔復(fù)合板材。測試了三種板材抗沖擊性能和沖擊前后的側(cè)壓性能，并進(jìn)行了對比分析，結(jié)論如下:

（1）對板材進(jìn)行定能量的沖擊試驗(yàn)可知，由于板材兩面板間由接結(jié)紗芯柱連接，板材在沖擊作用下未發(fā)生整體破壞，只是局部的沖擊損傷，并且接結(jié)紗芯柱的分布密度越小，板材受沖擊后表觀損傷越明顯?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi)，接結(jié)紗芯柱分布密度越大，板材的沖擊損傷越小，板材的抗沖擊性能越好。

（2）對沖擊前后的板材進(jìn)行側(cè)壓試驗(yàn)可知，板材承受沖擊作用后側(cè)壓強(qiáng)度有明顯的下降，并且接結(jié)紗芯柱密度越大，板材承受沖擊后的側(cè)壓強(qiáng)度損失率越小。進(jìn)一步說明在一定范圍內(nèi)提高板材的接結(jié)紗芯柱的分布密度，有利于提高間隔織物復(fù)合板材的抗沖擊性能。