張志穎， 王亦秋， 眭建華

(1. 江蘇省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京 210007； 2.南通市纖維檢驗(yàn)所， 江蘇 南通 226009； 3.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 4.紡織行業(yè)天然染料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215123)

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)具有伸長(zhǎng)性好、質(zhì)量輕(密度0.97 g/cm3)、抗彎折性能優(yōu)良、便于運(yùn)輸安裝等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此以其為增強(qiáng)體的復(fù)合材料在航空航天、船舶汽車、建筑倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4-6]。但是由于UHMWPE的組分占比較小，復(fù)合板材的輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)并不突出，如孫穎[7]等研究發(fā)現(xiàn)了5種芳綸/UHMWPE纖維混雜復(fù)合材料層板的抗沖擊性能均高于單一纖維材料層板，但因UHMWPE纖維含量占比僅為整體材料的20%，各混雜層板密度均遠(yuǎn)高于水的密度。為此探索高強(qiáng)度下的中空結(jié)構(gòu)仍是切實(shí)有效的研究方向，如蘭青山[8]等指出封閉的六角等邊蜂窩結(jié)構(gòu)能以最少的材料獲得最大的受力，并提出將新型纖維-紙蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。王俊[9]等總結(jié)了熱塑性蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合板具有質(zhì)量輕、硬度高、抗沖擊力強(qiáng)、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，合理應(yīng)用有利于減輕汽車質(zhì)量、提高乘坐的安全性和舒適性。在此基礎(chǔ)上，本文嘗試采用多層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織造、中空菱形模壓成型技術(shù)研制幾種UHMWPE增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂蜂窩狀復(fù)合板，并探討中空蜂窩模壓復(fù)合板材重要性能，以期為航空航天、船舶汽車、建筑倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域提供輕質(zhì)、高強(qiáng)復(fù)合板材提供參考。

1 蜂窩復(fù)合板制備

1.1 “三合一”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2塊面板和1塊中空板組成一個(gè)“三合一”結(jié)構(gòu)。面板和中空板均采用UHMWPE短纖維紗的機(jī)織物為增強(qiáng)體，熱固性環(huán)氧樹(shù)脂為基材。中空板采用多層角聯(lián)鎖一體結(jié)構(gòu)織物，復(fù)合時(shí)模壓制成正菱形孔構(gòu)成的蜂窩狀，如圖1(a)所示。1個(gè)菱形單元孔如圖1(b)所示，設(shè)定參數(shù)開(kāi)口角度θ、蜂窩壁的長(zhǎng)度lf、蜂窩壁的厚度tf，孔結(jié)構(gòu)單元高度h為2lfsinθ[10]。設(shè)計(jì)lf為0.5 cm。面板采用多個(gè)單層結(jié)構(gòu)織物疊層或1個(gè)多層接結(jié)結(jié)構(gòu)織物。

圖1 中空復(fù)合板設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of hollow composite board. (a) Composite board structure; (b) Diamond cell structure

1.2 多層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的高密度織造

中空板織物采用多組經(jīng)紗分別與緯紗交織成層后交替換層的多層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。圖2示出6組經(jīng)紗的分層交織、交替換層結(jié)構(gòu)示意圖，1個(gè)全交換循環(huán)需經(jīng)過(guò)12次換層，各組經(jīng)紗在第Ⅰ至第Ⅻ各區(qū)段分別所處的層次位置(由上向下排序)如表1所示。由成孔交織原理可知，每1層孔需要2組經(jīng)紗，n層孔配置2n組經(jīng)紗，經(jīng)過(guò)4n次交替換層完成一個(gè)循環(huán)，層孔結(jié)構(gòu)的分布為n孔與n-1孔一隔一特征，因此可以用2nL[n+(n-1)]形式表示這種織物的類型，n、n-1為層孔結(jié)構(gòu)，2n為經(jīng)紗組數(shù)(L表示層)。

圖2 6L(3+2)角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物示意圖Fig.2 Schematic diagram of 6L (3+2) interlocking structure fabric

表1 6L(3+2)型組織層次配置Tab.1 6L (3+2) organization hierarchy configuration

采用江陰市通源紡機(jī)有限公司GA193-600型全自動(dòng)單紗整經(jīng)機(jī)整經(jīng)，整經(jīng)長(zhǎng)度3.6 m，幅寬20 cm；采用SGA598型全自動(dòng)劍桿織樣機(jī)，試制了2L(1+0)型(單孔型)、4L(2+1)型、6L(3+2)型3種多層聯(lián)鎖織物，經(jīng)緯紗線均采用2合股448.5 dtex UHMWPE短纖維紗(儀征金鷹紡織有限公司提供)，基礎(chǔ)組織為平紋，單層經(jīng)、緯密均為120根/(10 cm)，單層總緊度E值達(dá)到66.22%[11]。

以6L(3+2)結(jié)構(gòu)為例，實(shí)際經(jīng)、緯密均為720根/(10 cm)。根據(jù)設(shè)計(jì)單元菱形孔內(nèi)邊長(zhǎng)5 mm，考慮單層織物厚度影響，將各組經(jīng)紗在同一層內(nèi)持續(xù)織造長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6.5 mm，單層持續(xù)織入的緯紗根數(shù)為12×0.65，取8根，換層前6層持續(xù)織入的緯紗數(shù)為48根，因此一個(gè)織造循環(huán)的緯紗數(shù)為48×12=576根。每組經(jīng)紗配2片綜共12片綜，分區(qū)穿綜。分別采用4號(hào)筘(特制)18穿入、6號(hào)筘(特制)12穿入、8號(hào)筘9穿入及12號(hào)筘6穿入試織。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)6號(hào)筘12穿入較為適宜。高筘號(hào)低穿入容易出現(xiàn)打緯卡滯現(xiàn)象，不利于織機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)；低筘號(hào)多穿入便于打緯，但經(jīng)紗間易糾纏?？棾傻目椢锶鐖D3所示，下機(jī)后靜置24 h，測(cè)得織物平均寬度為19.2 cm。

圖3 6L(3+2)角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物制備Fig.3 Fabrication of 6L (3+2) interlocking fabric

1.3 插入芯棒的模壓復(fù)合成型

1)將織物樣品置于丙酮溶液中充分浸潤(rùn)后洗凈，烘箱70 ℃烘干1 h；制備若干截面邊長(zhǎng)5 mm，長(zhǎng)度21 cm的正方形鋼條，在其表面涂覆分離油劑作為芯棒；制備2塊厚0.5 mm、長(zhǎng)21 cm、寬13 cm的錳鋼板，沿寬度方向每隔6.5 mm沖壓成90°折線形，用作承壓板和施壓板；選用南亞電子材料(昆山)有限公司的超清水晶滴膠AB型熱固性環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，按樹(shù)脂與固化劑質(zhì)量比3:1配制混合液。

2)將織物樣品置于混合液中，使混合液充分滲透到織物的每一層，然后取出，將芯棒快速插入織物孔中，調(diào)整角度，使之呈正菱形扦插，將承壓板置于水平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，如圖4(a)所示。將扦插芯棒的織物置于承壓板上方，注意芯棒撐起的直角部分與承壓板凹槽對(duì)位卡進(jìn)，同樣方式在織物上方放置施壓板。在施壓板上方放置一塊鋼板，再用40 kg重力砝碼加壓。加壓時(shí)間10 h以上。

3)撤除承壓板和施壓板，抽出芯棒，用烘箱70 ℃烘干樣品10 h以上。制成的3種結(jié)構(gòu)中空蜂窩復(fù)合板實(shí)物圖如圖4(b)所示。

圖4 中空蜂窩復(fù)合板制備Fig.4 Preparation of hollow honeycomb composite board. (a) Compression molding; (b) Real objects

1.4 樣品制備

采用2合股448.5 dtex的UHMWPE短纖維紗作經(jīng)緯、平紋組織、經(jīng)緯密均為120根/(10 cm)的4塊單層織物鋪疊在一起，用真空吸液法制成面板。將2塊面板與中空蜂窩復(fù)合板黏接組合成“三合一”結(jié)構(gòu)。將“三合一”復(fù)合體切割制成長(zhǎng)5 cm、寬1 cm左右的長(zhǎng)方條樣品，邊部磨平，用于測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 復(fù)合板結(jié)構(gòu)分析

計(jì)算UHMWPE單層織物的面密度m。測(cè)取樣品長(zhǎng)度a、寬度b、厚度H、面板厚度h、中空板單層厚度tf，單位mm。稱取中空板質(zhì)量G1、面板質(zhì)量(上下2塊)G2，5個(gè)樣品取平均值。

按式(1)～(3)計(jì)算中空板總長(zhǎng)度Ln、面積S1與面板面積S2。

(1)

S1=Ln×b

(2)

S2=a×b

(3)

式中：n為菱形單元孔孔數(shù)，以6L(3+2)型復(fù)合板為例，n為3；θ為菱形單元孔開(kāi)口角度，為45°。

按下式分別計(jì)算中空板實(shí)體體積V1、面板體積V2和“三合一”復(fù)合體體積V。

V1=Ln×b×tf

(4)

V2=a×b×h

(5)

V=a×b×H

(6)

分別計(jì)算中空板、面板和“三合一”復(fù)合體密度p1、p2和P，并分別求得對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)CV1、CV2和CV。

(7)

(8)

(9)

計(jì)算復(fù)合板材在“三合一”復(fù)合體中的體積占比：

(10)

分別計(jì)算中空板和上下面板中UHMWPE纖維的質(zhì)量：

G1U=mS1

(11)

G2U=8mS2

(12)

再計(jì)算UHMWPE纖維在“三合一”復(fù)合體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

(13)

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

使用INSTRON-3365雙臂萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

參照GB/T 1452—2018《夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，加載速度為2 mm/min，均勻連續(xù)加載至破壞載荷的30%，記錄平拉強(qiáng)度σ，分析平拉強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。測(cè)試5個(gè)樣品，編號(hào)為1#～5#。

參照GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能測(cè)試方法》，加載速度為2 mm/min，壓縮至破壞載荷的30%。記錄壓縮強(qiáng)度記為φ。分析平壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。測(cè)試5個(gè)樣品，編號(hào)為1*～5*。

參照GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》，加載速度為5 mm/min，分級(jí)加載至破壞載荷的30%。記錄彎曲載荷F，分析彎曲載荷-位移關(guān)系。測(cè)試5個(gè)樣品，編號(hào)為1&～5&。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合材料基本性能

實(shí)驗(yàn)測(cè)得UHMWPE單層織物面密度m為215.3 g/m2。3種類型的復(fù)合板結(jié)構(gòu)指標(biāo)測(cè)試、計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合板結(jié)構(gòu)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Calculation results of structural parameters of three types of hollow composite panels

從表2中P、CV值結(jié)果可以看出：2L(1+0)、4L(2+1)、6L(3+2)3種復(fù)合板殼體的密度都遠(yuǎn)小于水的密度(1 g/cm3)，證實(shí)了制備中空蜂窩型復(fù)合板可以有效減輕質(zhì)量，且隨著中空層數(shù)增加，P值逐漸減小，6L(3+2)型達(dá)到了0.48 g/cm3。

從表2中P1、CV1、P2、CV2值結(jié)果可以看出：各類面板實(shí)體密度總是大于中空板實(shí)體密度，且中空板CV值偏大，離散程度較大，分析原因?yàn)槊姘逯欣w維層被壓實(shí)，而中空芯板的樹(shù)脂涂覆不均勻，使得纖維間存在大量空氣，且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，環(huán)氧樹(shù)脂越難以完全滲透。

從表2中σV值結(jié)果可以看出：2L(1+0)、4L(2+1)、6L(3+2)3種板型復(fù)合板的實(shí)體體積占比依次減小，分別為55.92%、45.29%、43.97%，證實(shí)了多層聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)及菱形蜂窩單元組成的“三合一”復(fù)合板結(jié)構(gòu)可以有效增加殼體中的空氣體積占比，使得殼體在不改變其他參數(shù)的情況下，單位體積質(zhì)量減小。

從表2中TgU值結(jié)果可以看出：4L(2+1)型復(fù)合板UHMWPE纖維在殼體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TgU)為29.78%，6L(3+2)型復(fù)合板的TgU為32.46%，說(shuō)明在制備4L(2+1)復(fù)合板實(shí)驗(yàn)中采用了在重點(diǎn)區(qū)域如各層交界處細(xì)微涂覆處理的辦法，使?jié)B透效果更好。

3.2 力學(xué)性能分析

3.2.1 平拉性能

實(shí)驗(yàn)得到3種類型各5個(gè)復(fù)合板試樣的平拉性能測(cè)試曲線如圖5所示。其中2L(1+0)型復(fù)合板平拉強(qiáng)度最低(0.33 MPa)；6L(3+2)型復(fù)合板平拉強(qiáng)度最高(1.19 MPa)。4L(2+1)型復(fù)合板平拉強(qiáng)度達(dá)1.04 MPa，僅比6L(3+2)型低0.15 MPa，且5個(gè)試樣中的有效樣品數(shù)多于6L(3+2)型復(fù)合板，制成率高，因此4L(2+1)型復(fù)合板更具有生產(chǎn)價(jià)值，3種類型平拉曲線圖中均出現(xiàn)波動(dòng)，分析認(rèn)為是由于增強(qiáng)體的基布緊度不夠、環(huán)氧樹(shù)脂的涂覆不勻引起的。

圖5 3類中空復(fù)合板平拉性能關(guān)系曲線Fig.5 Flat tensile properties of three types of hollow composite panels. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄4L(2+1)型復(fù)合板試樣1、2及6L(3+2)型復(fù)合板試樣3的破壞失效模式均為芯材破壞，且圖中4L(2+1)型復(fù)合板試樣1、2在應(yīng)變20%處及6L(3+2)型復(fù)合板試樣3在應(yīng)變7%處，曲線均存在瞬時(shí)下降的拐點(diǎn)，即中空板部分的菱形蜂窩發(fā)生“提前斷裂”，分析為環(huán)氧樹(shù)脂滲透不勻引起坍塌，由此得出在復(fù)合板的制作過(guò)程中，中空板部分的菱形蜂窩交叉點(diǎn)的制作顯得尤為重要。

3.2.2 平壓性能

實(shí)驗(yàn)得到3種類型各5個(gè)復(fù)合板試樣的平壓性能測(cè)試曲線如圖6所示，在應(yīng)變30%處，3種復(fù)合板所能承受的破壞載荷最大值依次可達(dá)到0.20、0.71、1.03 MPa，可以判定隨著菱形層數(shù)的增加，中空板芯材的高度增加，力矩變大，其支撐載荷作用越大，亦即復(fù)合板層數(shù)越多，平壓性能越好。

圖6 3類中空復(fù)合板平壓性能關(guān)系曲線Fig.6 Flat pressure performance of three types of hollow composite panels. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

在2L(1+0)單孔型復(fù)合板平壓曲線圖上先后出現(xiàn)了明顯的彈性變形(I)、塑性變形(II)和整體壓實(shí)(III)階段；而4L(2+1)型復(fù)合板未出現(xiàn)明顯的塑性變形和壓實(shí)階段，6L(3+2)型復(fù)合板只有部分樣品出現(xiàn)塑性變形。說(shuō)明隨著復(fù)合板層數(shù)增加，其所能承受的壓力增加，且由于分壓使得蜂窩結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，當(dāng)菱形孔被壓實(shí)后，板材能繼續(xù)承受一定的載荷。但復(fù)合板層數(shù)不宜過(guò)多，否則會(huì)導(dǎo)致塑性變形階段提前到來(lái)[12]。

3.2.3 彎曲性能

實(shí)驗(yàn)得到3種類型各5個(gè)復(fù)合板試樣的彎曲性能測(cè)試曲線如圖7所示，其彎曲最大載荷值峰值呈依次上升趨勢(shì)：分別為434、773、1 071 N，位移也依次增加。觀察到4L(2+1)型復(fù)合板多數(shù)試樣的最大彎曲破壞載荷值在621～773 N之間、而6L(3+2)型復(fù)合板多數(shù)試樣的最大彎曲破壞載荷值在779～880 N之間，二者相差較2L(1+0)型與4L(2+1)型復(fù)合板的差距小得多，可以得出復(fù)合板層數(shù)越多，最大破壞載荷值越大，彎曲位移也越多，但隨著層數(shù)增加即大于或等于6L時(shí)，抗彎曲性能改善不明顯。

圖7 3類中空復(fù)合板位移-最大載荷值關(guān)系曲線Fig.7 Curve of displacement-maximum load value of three types of hollow composite plate. (a) 2L(1+0) type; (b) 4L(2+1) type; (c) 6L(3+2) type

觀察6L(3+2)型復(fù)合板彎曲曲線可以看出：在3.5 mm位移之前，彎曲載荷相對(duì)于試樣彎曲撓度呈線性關(guān)系增加；在3.5 mm位移之后，隨著試樣彎曲撓度的進(jìn)一步增加，試樣彎曲剛度減小，彎曲載荷與撓度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。當(dāng)彎曲載荷達(dá)到最大值時(shí)，推測(cè)蜂窩芯體發(fā)生坍塌破壞[13-14]。

4 結(jié) 論

1)采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)短纖維紗作多組經(jīng)紗分別與緯紗交織，通過(guò)單孔菱形邊長(zhǎng)控制交替換層循環(huán)，制成UHMWPE多層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)機(jī)織物，并將其作為增強(qiáng)體與熱固性環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合，采用真空吸液法制成面板與模壓成型法制成蜂窩芯體可以復(fù)合成質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的“三合一”結(jié)構(gòu)式菱形蜂窩狀中空復(fù)合板。

2)制備的3種復(fù)合板(2L單孔型、4L(2+1)型、6L(3+2)型)密度都遠(yuǎn)小于水，分別為0.59、0.55、0.48 g/cm3，且平拉、平壓強(qiáng)度、彎曲性能隨層數(shù)的增加呈遞增關(guān)系，但受環(huán)氧樹(shù)脂占比影響，環(huán)氧樹(shù)脂占比越多，滲透性越差，對(duì)于強(qiáng)度的提高越不利，但總體取決于層數(shù)數(shù)量。

3)增強(qiáng)體的基布緊度不夠、環(huán)氧樹(shù)脂的涂覆不勻會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板平拉性能不穩(wěn)定或“提前斷裂”，尤其是在制作中，中空芯體部分的菱形蜂窩交叉點(diǎn)處環(huán)氧樹(shù)脂滲透不勻會(huì)引起蜂窩的提前坍塌；在制作面板時(shí)對(duì)平紋布樣涂覆的環(huán)氧樹(shù)脂混合液不均勻會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板中參雜空氣，影響復(fù)合板力學(xué)性能。

4)在平壓測(cè)試過(guò)程中，2L(1+0)型復(fù)合板經(jīng)過(guò)了彈性變形、塑性變形和整體壓實(shí)階段，6L(3+2)型復(fù)合板所能承受的破壞載荷最大值可達(dá)到1.03 MPa，制備的復(fù)合板層數(shù)越多，平壓性能越好，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，但復(fù)合板層數(shù)不宜過(guò)多，否則會(huì)導(dǎo)致塑性變形階段提前到來(lái)。

5)制備的4L(2+1)型復(fù)合板最大彎曲破壞載荷值在621～773 N之間、6L(3+2)型復(fù)合板最大彎曲破壞載荷值在779～880 N之間，二者相差較小，即當(dāng)復(fù)合板層數(shù)大于或等于6L時(shí)，隨著層數(shù)的增加，對(duì)復(fù)合板彎曲性能的改善并不明顯。