張宏偉 高曉平

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010080

紡織復(fù)合材料是以紡織材料為增強體, 其他材料為基體復(fù)合而成的一種重要的基礎(chǔ)材料，是現(xiàn)代紡織材料與復(fù)合技術(shù)的集成與創(chuàng)新。紡織復(fù)合材料不僅有顯著的抗應(yīng)力集中、耐沖擊和抗裂紋擴展的能力，還可以通過選擇不同的鋪層方式提升其力學(xué)性能，從而在航空航天、能源環(huán)境、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[1-3]。

紡織材料增強體作為復(fù)合材料的主要承力載體，對復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要影響。相對于其他紡織基增強體，緯編針織物線圈中的紗線具有特定的取向性和黏聚力[4]，能減少纖維間的滑移，從而增加纖維在特定方向上的穩(wěn)定性，也能避免纖維與復(fù)合材料中樹脂間脫黏現(xiàn)象的發(fā)生[5-6]。因此，以緯編針織物為增強體的復(fù)合材料，即緯編針織復(fù)合材料一般具有較好的成型性、延伸性、能量吸收性、耐疲勞性等特性[7-9]。目前，眾多學(xué)者對緯編針織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究大多集中在材料的拉伸、壓縮和彎曲性能的測試與分析[10-14]方面。

本文首先將芳綸與維綸共混制備混紡紗，采用電腦針織橫機制備線圈結(jié)構(gòu)為滿針羅紋、雙反面和緯平針的3種針織物，再經(jīng)退維工藝去除維綸后得3種純芳綸針織物。然后分別以這3種不同線圈結(jié)構(gòu)的純芳綸針織物為芯層，以單軸玻璃纖維經(jīng)編織物為上、下表層，鋪層疊加后得到三層增強織物。最后以環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，基于真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡稱“VARTM”)制備出三層結(jié)構(gòu)的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣。通過測試各試樣縱向和橫向的彎曲性能，分析芯層織物線圈結(jié)構(gòu)對玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣彎曲性能的影響，探討各試樣的結(jié)構(gòu)與其彎曲性能間的關(guān)系，為今后提升夾芯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 材料和設(shè)備

玻璃纖維和碳纖維(E-玻纖，東山泰山玻纖股份有限公司)，F(xiàn)-12型芳綸紗和維綸紗(重慶奧億制線廠化妝品有限公司)，NO.1-692-2A型環(huán)氧樹脂和NO.1-692-2B型固化劑(深圳郎博萬先進材料有限公司)。龍星 LXC-252S型電腦針織橫機。

1.2 試樣制備

1.2.1 純芳綸緯編針織物

將繞有芳綸和維綸的兩個紗筒固定于電腦針織橫機臺上，將紗線穿過并喂入導(dǎo)紗瓷眼，維綸紗纏繞在芳綸紗的表面，維綸、芳綸混紡紗有相同的捻度和張力?；旒徏喛稍黾蛹喚€與織針的摩擦力，便于成圈和編織過程的順利進行。本試驗以滿針羅紋、雙反面和緯平針3種線圈結(jié)構(gòu)(圖1)在電腦針織橫機上制備緯編針織物試樣，編織參數(shù)如表1所示。

圖1 3種緯編針織物的線圈結(jié)構(gòu)

表1 3種緯編針織物的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

將制備好的滿針羅紋、雙反面和緯平針3種線圈結(jié)構(gòu)的緯編針織物試樣分別溶于水中，經(jīng)退維工藝流程見圖2即浸泡、攪拌、沖洗和烘干工序，后去除各試樣中的維綸紗，得到純芳綸緯編針織物。

圖2 退維工藝流程

1.2.2 單軸玻纖經(jīng)編織物

以玻璃纖維(玻纖)為紗線，在經(jīng)編織機的縱向或橫向連續(xù)喂入玻纖紗制備單軸玻纖經(jīng)編織物，然后經(jīng)滌綸Z紗“捆綁”而成，該織物表面平整，浸透性能優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 單軸玻纖經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.3 玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料

以純芳綸緯編針織物為芯層，單軸玻纖經(jīng)編織物為上、下表層，鋪層疊加后成為三層增強織物。以質(zhì)量比為100∶30的環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，通過VARTM工藝制備出3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣。

以滿針羅紋緯編針織物為例的具體成型工藝如圖3所示。

圖3 VARTM成型工藝制備玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料示意(以滿針羅紋緯編針織物為例)

1.3 結(jié)構(gòu)和性能測試

1.3.1 纖維體積分數(shù)

參照GB/T 2577-2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》，通過灼燒法測定并計算各玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣中的纖維體積分數(shù)。

將試樣在溫度分別為270、350、425 ℃的馬弗爐中灼燒30 min，將灼燒后的試樣從馬弗爐中取出，冷卻后稱取質(zhì)量并記錄結(jié)果(表3)。按式(1)計算玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣中的纖維體積分數(shù)Vf。

Vf=ρmWf/(ρfWm+ρmWf)×100%

(1)

式中：Wf——灼燒后試樣的質(zhì)量，g；

Wm——增強體質(zhì)量，g；

ρf——纖維密度，g/cm3；

ρm——基體密度，取1.11 g/cm3。

1.3.2 彎曲性能

參照 GB /T 1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》將3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣沿其縱向和橫向分別切割為130 mm×15 mm×2 mm的測試樣。在WDW-30KN型電子萬能試驗機上采用三點彎曲法測試試樣的彎曲性能，其中，試驗儀的恒定加載速率為2 mm/min。

試樣的彎曲性能可采用彎曲強度、彎曲應(yīng)力σ、應(yīng)變ε和彎曲模量E表征，計算式如式(2)～式(4)所示。

式中：F——施加載荷，N；

l——跨距,為32mm；

b——試樣寬度,為5mm；

h——試樣厚度，為2mm；

式中：δ——彎曲撓度，mm；

式中：ΔF——載荷差，N；

Δδ——載荷差對應(yīng)的撓度差，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維體積分數(shù)

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣及其增強體灼燒前后的質(zhì)量和纖維體積分數(shù)計算結(jié)果列于表3。

表3 各試樣及其增強體灼燒前后的質(zhì)量和纖維體積分數(shù)

2.2 彎曲性能

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料縱/橫向的彎曲性能計算結(jié)果如表4所示。

表4 各試樣縱/橫向的彎曲性能計算結(jié)果

各試樣的彎曲性能對比如圖4所示。

圖4 各試樣的彎曲性能對比

通過對比各試樣縱向的彎曲性能可知：以雙反面織物為增強體的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣的當量強度和當量模量最小，與這一試樣相比，以緯平針織物為增強體的試樣的當量強度和當量模量分別增加了40.20%和45.29%；以滿針羅紋織物為增強基的試樣的當量強度和當量模量最大。

通過對比各試樣橫向的彎曲性能可知，以緯平針織物為增強體的試樣的當量強度和當量模量最小。與這一試樣相比：以雙反面針織物為增強基的試樣的當量強度和當量模量分別增加了36.90%和32.79%；以滿針羅紋織物為增強基的試樣的當量強度和當量模量分別增加了115.48%和147.54%。各試樣縱/橫向當量強度和當量模量的差異充分說明，復(fù)合材料增強體的織物結(jié)構(gòu)對其彎曲性能有重要影響。

2.3 影響彎曲性能的因素

對比3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲載荷-撓度曲線(圖4)發(fā)現(xiàn)，各試樣縱向的最大彎曲載荷明顯不同。其中，以滿針羅紋織物為增強基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣具有最大的彎曲載荷，以緯平針織物為增強基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣次之，以雙反面織物為增強基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣最小。造成這種顯著差異的因素很多，包括增強體中針織物的線圈長度、縱密和緯密及線圈圈柱的彎曲狀態(tài)等。滿針羅紋針織物的圈柱呈伸直無彎曲狀態(tài)，雙反面針織物中的圈柱為歪斜狀態(tài)，緯平針織物線圈的圈柱狀態(tài)介于兩者之間。

圖4 試樣縱向和橫向的彎曲載荷-撓度曲線

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣橫向的最大彎曲載荷較為接近，以滿針羅紋織物為增強基的試樣有較大的撓度，這與該復(fù)合材料試樣的承載結(jié)構(gòu)和芯層織物的線圈結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。橫向彎曲試驗中，3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣的主要受力承載體均為增強體織物的針編弧、沉降弧和基體，所以這3種試樣的最大彎曲載荷基本一致。滿針羅紋針織物的正面線圈與反面線圈按1∶1交替編織而成，表現(xiàn)為一列縱行為正面線圈，相鄰縱行為反面線圈，正、反面線圈不平行，由此形成的沉降弧會發(fā)生較大的扭曲，所以下機后的滿針羅紋織物會向線圈縱行相互靠攏，導(dǎo)致橫向產(chǎn)生收縮，橫向密度和厚度增大。因此，當滿針羅紋針織物的橫向受力時，縱行線圈逐漸趨于一個平面，沉降弧逐漸伸直，表現(xiàn)出較大的橫向延伸性。因此，以滿針羅紋織物為增強基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣在橫向彎曲測試中體現(xiàn)出較大的形變。

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣沿縱向的最大彎曲載荷明顯大于其橫向，這主要是沿不同方向進行彎曲試驗時，試樣的承載體不同造成的?？v向彎曲試驗時，各試樣的主要承載體是增強體芳綸針織物的線圈和表層的玻璃纖維，而橫向彎曲試驗時，各試樣的主要承載體是基體和增強體芳綸針織物的針編弧和沉降弧。此外，增強體織物中的縱向承載紗線圈數(shù)明顯多于橫向，且基體和增強體材料的力學(xué)性能不同，玻纖的強度遠大于芳綸針織物，故3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向的最大彎曲載荷明顯大于其橫向。

3 結(jié)論

本文研究了以玻纖/芳綸針織物為增強體，環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲性能，探究了增強體芯層針織物的線圈結(jié)構(gòu)對玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣彎曲性能的影響，可得如下結(jié)論。

(1)3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲性能差異較大，縱向彎曲當量強度和當量模量從高到低依次為以滿針羅紋織物為增強體的復(fù)合材料、以緯平針織物為增強體的復(fù)合材料、以雙反面織物為增強體的復(fù)合材料。各復(fù)合材料試樣橫向的當量強度和當量模量從高到低依次為以滿針羅紋織物為增強體的復(fù)合材料、以雙反面織物為增強體的復(fù)合材料、以緯平針織物為增強體的復(fù)合材料。

(2)玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料的最大彎曲載荷受試樣中纖維體積分數(shù)、增強體針織物的線圈長度、線圈彎曲狀態(tài)、縱密和橫密等多個因素的影響。其中，線圈圈柱的彎曲狀態(tài)對復(fù)合材料試樣的彎曲性能影響較為明顯。針織物增強體中處于伸直狀態(tài)的線圈圈柱可顯著提高復(fù)合材料試樣的最大彎曲載荷。

(3)3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料中，承載紗線多的方向具有較好的彎曲性能，復(fù)合材料在該方向所表現(xiàn)出的當量強度和當量模量較大。