劉希艷

(西安工程大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安 710048)

三維機織預(yù)成型體是三維紡織復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強體結(jié)構(gòu),它使復(fù)合材料成為第一承力的結(jié)構(gòu)件或具有特殊的功能,并具有較高的損傷容限和穩(wěn)定性[1-3]。作為三維紡織結(jié)構(gòu)中的一個重要分支,角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)因尺寸穩(wěn)定性能好、結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)[4]、層間力學(xué)性能優(yōu)異、可實現(xiàn)多層整體織造,滿足高厚一體化的使用要求,在航天器天線罩性能測試用隨爐試樣、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈空氣舵等結(jié)構(gòu)功能一體化部件上得到應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)的三維機織復(fù)合材料只包括平面內(nèi)0°和90°紗線,這導(dǎo)致平面內(nèi)剪切性能差,因此不能用于具有高剪切性能要求的結(jié)構(gòu)航空航天應(yīng)用,如航空關(guān)節(jié)板和扭轉(zhuǎn)舵軸[5-6]。目前,隨著我國武器型號的升級換代和更高的性能要求,對其面內(nèi)±45°方向和經(jīng)向力學(xué)性能提出了進(jìn)一步強化的指標(biāo)要求。對幾種典型角聯(lián)鎖機織結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能做了對比分析,研究了其發(fā)展現(xiàn)狀,為多層角聯(lián)鎖機織預(yù)成型體的應(yīng)用研究提供理論參考。

1 多層角聯(lián)鎖機織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)類型

角聯(lián)鎖機織預(yù)成型體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響其力學(xué)性能的主要因素,它由接結(jié)經(jīng)紗、緯紗、襯經(jīng)和襯緯等紗線系統(tǒng)組成,前兩個系統(tǒng)是構(gòu)成三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)所必需的紗線,后兩個系統(tǒng)紗線可隨需求進(jìn)行選擇[7-9]。與正交組織相比,角聯(lián)鎖組織的交織規(guī)律更為復(fù)雜[10],織物結(jié)構(gòu)多種多樣,可細(xì)分為淺交彎聯(lián)、淺交直聯(lián)、襯經(jīng)淺交彎聯(lián)和襯經(jīng)淺交直聯(lián)等組織類型。

1.1 淺交彎聯(lián)

如圖1淺交彎聯(lián)紗線結(jié)構(gòu)圖所示,接結(jié)經(jīng)紗為波浪形的彎曲結(jié)構(gòu),緯紗為伸直的直線,織物交織點多,經(jīng)紗彎曲大。如圖2淺交彎聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖所示,接結(jié)經(jīng)紗沿預(yù)成型體成形方向,將預(yù)成型體層與層之間接結(jié)相連,紗線在預(yù)成型體內(nèi)部呈正弦曲線狀態(tài),緯紗垂直于預(yù)成型體成形方向,紗線在預(yù)成型體內(nèi)部呈直線狀態(tài)。

圖2 淺交彎聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖

1.2 淺交直聯(lián)

如圖3淺交直聯(lián)紗線結(jié)構(gòu)所示,接結(jié)經(jīng)紗為彎曲結(jié)構(gòu),緯紗和襯緯紗為伸直結(jié)構(gòu),層間織物交織點較少,經(jīng)紗彎曲相對彎聯(lián)較小。如圖4淺交彎聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖所示,淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)是在淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了平口襯緯的引入。接結(jié)經(jīng)紗沿預(yù)成型體成形方向,將預(yù)成型體層與層之間接結(jié)相連,紗線在預(yù)成型體內(nèi)部呈正弦曲線狀態(tài),緯紗和襯緯均垂直于預(yù)成型體成形方向,紗線在預(yù)成型體內(nèi)部呈直線狀態(tài)。

圖3 淺交直聯(lián)紗線結(jié)構(gòu)圖

圖4 淺交直聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖

2 多層角聯(lián)鎖機織預(yù)成型體性能對比

參與織造的各種紗線參數(shù)決定了織物的幾何結(jié)構(gòu),不同的機織參數(shù)(經(jīng)密、緯密等)決定紗線的最終截面形狀,因而不同的織物幅面和打緊過程將生成不同幾何尺寸的織物,其性能也不完全相同[11]。在經(jīng)紗密度和緯紗密度相同的情況下,淺交直聯(lián)比淺交彎聯(lián)的織物更柔軟、松散(表1、表2)。

表1 角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)增強樹脂基復(fù)合材料彎曲性能測試數(shù)據(jù)

表2 角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)增強樹脂基復(fù)合材料拉伸性能測試數(shù)據(jù)

綜上結(jié)論:淺交直聯(lián)的經(jīng)向、緯向彎曲強度和彎曲模量高于淺交彎聯(lián);淺交直聯(lián)的經(jīng)向拉伸強度和拉伸模量最低低于淺交彎聯(lián)。為了綜合提升預(yù)成型體的拉伸強度和拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量,設(shè)計了兩種新結(jié)構(gòu):一種是淺交直聯(lián)和淺交彎聯(lián)的組合結(jié)構(gòu),其紗線結(jié)構(gòu)圖和立體結(jié)構(gòu)圖分別如圖5和圖6所示。另一種是斜交聯(lián)結(jié)構(gòu),其紗線結(jié)構(gòu)圖和立體結(jié)構(gòu)圖分別如圖7和圖8所示。

表3 角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)淺交彎聯(lián)和淺交直聯(lián)綜合性能對比

圖5 淺交彎聯(lián)+淺交直聯(lián)紗線結(jié)構(gòu)圖

圖6 淺交彎聯(lián)+淺交直聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖

圖7 斜交聯(lián)紗線結(jié)構(gòu)圖

圖8 斜交聯(lián)立體結(jié)構(gòu)圖

3 角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能影響的研究現(xiàn)狀

周洪濤等[12]對5層2.5 D層間彎交淺聯(lián)預(yù)制件織物組織和各項參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計并試織,探討了其可織性。高雄[13]以不同三維機織結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計織造并對比3種典型三維機織結(jié)構(gòu)(淺交彎聯(lián)、淺交直聯(lián)和三向正交)的復(fù)材板結(jié)構(gòu)性能差異,通過綜合分析得出正交三向的經(jīng)向力學(xué)性能好,淺交直聯(lián)整體力學(xué)性能均衡,可織性好;相比之下淺交彎聯(lián)雖然抗分層效果好,但其他力學(xué)性能較差。楊彩云等[14]評價了4種不同結(jié)構(gòu)的層-層正交角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料沿不同角度方向的力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明:4種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的各向異性力學(xué)性能有差異,經(jīng)向力學(xué)性能以帶襯經(jīng)的角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)為最佳,而緯向力學(xué)性能以緯密大的角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)為最佳。充分認(rèn)識并合理利用這種正交各向異性的力學(xué)性能是復(fù)合材料設(shè)計及應(yīng)用人員面臨并急需解決的問題[15]。

馮古雨等[16]對比分析了含襯經(jīng)結(jié)構(gòu)與不含襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的淺交彎聯(lián)機織物的經(jīng)緯向拉伸性能和彎曲性能,發(fā)現(xiàn)在拉伸載荷下,含襯經(jīng)結(jié)構(gòu)的織物經(jīng)緯向都呈現(xiàn)出更高的彈性模量。郭瑞彥[17]等設(shè)計了幾種不同參數(shù)的襯經(jīng)角聯(lián)鎖織物,通過測試分析織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料拉伸性能的影響,得出織物結(jié)構(gòu)中,襯經(jīng)密度能夠顯著提高織物增強樹脂基復(fù)合材料經(jīng)向的拉伸性能,提高程度最高達(dá)60.06%。Labanieh等[18]對比分析了多軸向三維機織技術(shù)中斜向紗的引入方式,開發(fā)了導(dǎo)塊式斜向紗引入技術(shù)。Kadir Bilisik[19]對表層含有±45°斜向紗的機織復(fù)合材料的面內(nèi)剪切、層間剪切和彎曲性能進(jìn)行了試驗研究,并與相同纖維體積含量的三向正交復(fù)合材料進(jìn)行對比,測試結(jié)果顯示,含斜向紗的復(fù)合材料試樣面內(nèi)剪切模量和強度均高于三向正交復(fù)合材料,而層間剪切和彎曲性能均低于三向正交復(fù)合材料試樣。陳利[20]等在層聯(lián)機織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)了一種多軸向?qū)勇?lián)機織結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)通過引入面內(nèi)傾斜紗線改善了層聯(lián)機織結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剪切性能。郭瑞清等通過引入面內(nèi)傾斜紗線改善了層聯(lián)機織結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剪切性能。

4 結(jié)論

機織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的力學(xué)性能具有重要影響,因此材料的力學(xué)性能可通過設(shè)計新型的角聯(lián)鎖機織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)來改善機織材料性能。(1)采用淺交直聯(lián)和淺交彎聯(lián)的組合結(jié)構(gòu),可取長補短使預(yù)成型體的抗分層能力得到提高,整體力學(xué)性能得到改善。(2)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中引入沿預(yù)成型體成形方向伸直狀態(tài)的襯經(jīng)紗可提高復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸性能和彈性模量。(3)斜向紗的引入可有效改善復(fù)合材料面內(nèi)各向同性的特點,從而提高面內(nèi)剪切性能,基于此原理,可設(shè)計出斜交聯(lián)結(jié)構(gòu)來改善此性能,其工藝設(shè)計較引入斜向紗簡單。