南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

三維正交機(jī)織復(fù)合材料是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，它通常以三維正交機(jī)織物為增強(qiáng)體，選用樹脂、陶瓷等作為基體復(fù)合而成，其整體的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的層間剪切強(qiáng)度和抗沖擊損傷性，以及合適的韌性和高的比強(qiáng)度、比模量，同時(shí)還具有質(zhì)量輕、剛度好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗高溫等特點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、汽車工業(yè)、船舶制造、體育用品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。三維正交機(jī)織復(fù)合材料是航空航天和國防等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要高性能材料，是全球關(guān)注的增強(qiáng)骨架材料，是目前各國紡織界已取得卓有成效的研究熱點(diǎn)。正是由于三維正交機(jī)織復(fù)合材料具備各種優(yōu)良的性能，近年來國內(nèi)外的研究人員都對其進(jìn)行了各方面的深入研究[1-2]。

三維復(fù)合材料相較于二維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有很多的優(yōu)點(diǎn)和非常大的發(fā)展?jié)摿?，前者在很多方面都可以得到?yīng)用。國內(nèi)外對三維復(fù)合材料的研究由來已久：LI X等[3]研究發(fā)現(xiàn)，捆綁紗能減輕三維織物的變形，提高三維織物的拉伸應(yīng)力和尺寸穩(wěn)定性；VILFAYEAU J等[4]對平紋、斜紋和緞紋組織的三維正交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了玻璃纖維三維織物的性能與特定結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性，為本課題的研究提供了思路；馬亞運(yùn)等[5-6]將玻璃纖維三維正交機(jī)織物作為增強(qiáng)體、環(huán)氧樹脂作為基體，應(yīng)用真空輔助樹脂傳遞模型工藝實(shí)現(xiàn)了三維正交復(fù)合材料的成型，并對成型后的復(fù)合材料進(jìn)行經(jīng)向和緯向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得出在增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)襯墊經(jīng)紗和緯紗的紗線種類、紗線線密度相同時(shí)，面內(nèi)某一方向的紗線含量越高，則該方向的拉伸強(qiáng)力越高的結(jié)論。上述研究都為本課題提供了非常好的研究思路和研究方法。

三維正交機(jī)織物主要由襯墊經(jīng)紗、緯紗和捆綁紗這三種紗線相互垂直交織而成[7]。本文以高強(qiáng)滌綸紗作為原料，分別采用平紋、1/2斜紋及5枚3飛緞紋這三種不同的捆綁組織，在自主改造的二維小樣機(jī)上織造三維正交機(jī)織物，再以環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，利用真空輔助樹脂傳遞模型工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的成型，最后分別比較不同捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料的拉伸斷裂形貌，以及它們經(jīng)緯向的拉伸性能[8]，探究不同的捆綁組織對三維正交機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的影響。

1 三維正交機(jī)織物的制備

1.1 織機(jī)改造

三維正交機(jī)織物通常在三維織機(jī)上進(jìn)行織造，但由于試驗(yàn)室三維織機(jī)筘齒有限，不能滿足試驗(yàn)所用織物規(guī)格的需要，故選擇使用改造后的二維小樣織機(jī)織造。改造后的二維小樣織機(jī)如圖1所示，采用兩個(gè)經(jīng)軸送經(jīng)，織造在前方的織機(jī)上進(jìn)行，捆綁紗和襯墊經(jīng)紗分別位于織機(jī)后方的兩個(gè)經(jīng)軸上，這樣既保證了三維正交機(jī)織物的長度，也易于控制捆綁紗和襯墊經(jīng)紗的張力。

圖1 改造后的二維小樣織機(jī)的雙軸控制示意(經(jīng)紗由捆綁紗和襯墊經(jīng)紗組成)

1.2 三維正交機(jī)織物的制備

選用1 111.11 tex的高強(qiáng)滌綸紗，根據(jù)三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗的交織規(guī)律及引緯規(guī)律(圖2)，設(shè)計(jì)出上機(jī)圖，分別織造出長150.0 cm、寬30.0 cm、厚0.4 cm的三種捆綁組織的三維正交機(jī)織物。圖3～圖5分別為三種捆綁組織的三維正交機(jī)織物的上機(jī)圖和下機(jī)局部照片。

圖2 三維正交機(jī)織物的結(jié)構(gòu)

圖3 捆綁組織為平紋的三維正交機(jī)織物的上機(jī)圖和下機(jī)局部照片

圖4 捆綁組織為1/2斜紋的三維正交機(jī)織物的上機(jī)圖和下機(jī)局部照片

圖5 捆綁組織為5枚3飛緞紋的三維正交機(jī)織物的上機(jī)圖和下機(jī)局部照片

2 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的制備

2.1 材料與設(shè)備

材料：30.0 cm(長)×30.0 cm(寬)×0.4 cm(厚)的三維正交機(jī)織物試樣，自制；環(huán)氧樹脂E51，南通星辰材料有限公司生產(chǎn)；70#固化劑(四氫鄰苯二甲酸酐)，常州樺立柯新材料公司生產(chǎn)。

設(shè)備：I101A-4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱，南京沃爾科技有限公司生產(chǎn)。

2.2 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的制備

采用真空輔助樹脂傳遞模型工藝制備三維正交機(jī)織復(fù)合材料，具體工藝路線見圖6，樹脂的浸透過程見圖7。

圖6 真空輔助樹脂傳遞模型工藝路線

(a)

(b)

(c)

3 三維正交機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能測試

3.1 測試儀器及方法

選擇Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(圖8)，參照ASTMD 3039/3039M-14《對聚合物基復(fù)合材料的拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》，將三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣固定在Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)的夾頭中，設(shè)定好速率，對試樣進(jìn)行拉伸性能測試。測試樣長寬尺寸為25.0 cm×2.5 cm，夾頭移動(dòng)速率為2.0 mm/min。記錄試驗(yàn)時(shí)的載荷和應(yīng)變，每種試樣測試5個(gè)有效數(shù)據(jù)。

圖8 Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司生產(chǎn))

測試過程發(fā)現(xiàn)：剛開始時(shí)，拉伸載荷隨位移的增加而變大，同時(shí)試樣表面出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，有部分樹脂裂開并伴有樹脂的破裂聲；隨著測試的進(jìn)行，拉伸載荷繼續(xù)變大，試樣中的纖維逐漸斷裂且斷裂聲越來越大，樹脂破裂更明顯；最后，伴隨著清脆的爆裂聲，試樣斷裂，拉伸載荷立刻減小，此時(shí)試樣被完全破壞[9]。

3.2 斷裂形貌

復(fù)合材料的破壞模式主要是樹脂的碎裂、纖維的斷裂和纖維與樹脂的脫黏。測試發(fā)現(xiàn)，三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣在拉伸時(shí)，經(jīng)緯向的拉伸截面有明顯的區(qū)別，但三種復(fù)合材料試樣之間無明顯區(qū)別。以平紋捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣為例，其經(jīng)向斷裂截面和緯向斷裂截面之間有明顯的區(qū)別(圖9)。

圖9 平紋捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的斷裂形貌

由圖9可見：

(1) 試樣沿經(jīng)向拉伸至斷裂時(shí)，斷口表面較平整，斷口處有小部分纖維被拉出，出現(xiàn)了小區(qū)域的白色分層現(xiàn)象[10]。這是因?yàn)榻?jīng)向位移增加后，緯紗會(huì)因?yàn)榻?jīng)紗受到拉伸后運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，相鄰緯紗間距離變大，加之緯紗間束縛較少，附近有緯紗出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象，但經(jīng)紗受緯紗束縛而受拉伸力較均勻，故經(jīng)向斷裂處表面較平整，纖維脫黏較少。

(2) 試樣沿緯向拉伸至斷裂時(shí)，斷裂面呈不規(guī)則形狀，纖維和樹脂脫黏嚴(yán)重，且纖維大都被抽拔出，斷裂面處出現(xiàn)了大面積的白色分層。這是因?yàn)檠鼐曄蚶鞎r(shí)，緯紗是主要的受力紗線，再加上緯紗受到的束縛較小，故斷裂面處呈不規(guī)則形態(tài)，纖維大部分被抽拔出。

3.3 拉伸特性

圖10為三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣經(jīng)緯向的載荷-位移曲線，可以看出復(fù)合材料試樣的拉伸斷裂規(guī)律大體相同：載荷開始隨位移的增大而增大，但當(dāng)載荷達(dá)到最高值后便迅速下降。

圖10 三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料的載荷-位移曲線

再根據(jù)下面的拉伸斷裂強(qiáng)度計(jì)算式，得到三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣經(jīng)緯向的拉伸斷裂強(qiáng)度(圖11)：

式中：σ——拉伸斷裂強(qiáng)度，MPa；

F——最大載荷，N；

b——被測試樣的寬度，mm；

d——被測試樣的厚度，mm。

圖11 三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣經(jīng)緯向的拉伸斷裂強(qiáng)度

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 捆綁組織為緞紋時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度整體最大，斜紋次之，平紋最小。測量三種捆綁組織的三維正交機(jī)織物的紗線密度發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紗總密度(即襯墊經(jīng)紗和捆綁紗的總密度)皆為110根/(10 cm)，但緯紗密度各不相同——緞紋、斜紋、平紋分別為170、130和120根/(10 cm)，捆綁組織為緞紋的三維正交機(jī)織物的緯紗密度最大，故相同尺寸、相同經(jīng)紗總密度的復(fù)合材料試樣，緯紗密度大的復(fù)合材料試樣中所含的纖維根數(shù)多，結(jié)構(gòu)更緊密，故捆綁組織為緞紋的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度整體最大。

(2) 緯向拉伸斷裂強(qiáng)度總是大于經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度。原因在于，三種捆綁組織的三維正交機(jī)織物緯紗密度都大于經(jīng)紗總密度，故緯紗含量比經(jīng)紗多，緯向纖維排列比經(jīng)向纖維排列更緊密，緯紗在承受載荷時(shí)能更好地發(fā)揮其力學(xué)性能，所以緯向表現(xiàn)為更高的拉伸斷裂強(qiáng)度[11]。

4 結(jié)論

(1) 平紋捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣在拉伸時(shí)，經(jīng)緯向的拉伸斷裂截面有明顯的區(qū)別，沿經(jīng)向拉伸斷裂時(shí)斷口表面比較平整，沿緯向拉伸斷裂時(shí)斷口處形狀不規(guī)則，且三種復(fù)合材料試樣之間無明顯區(qū)別。

(2) 在相同經(jīng)紗總密度和相同尺寸下，捆綁組織不同，緯紗密度不同，則三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度不同。捆綁組織為平紋的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的緯紗密度最小，故其拉伸斷裂強(qiáng)度整體最?。焕壗M織為5枚3飛緞紋的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的緯紗密度最大，故其拉伸斷裂強(qiáng)度整體最大。

(3) 三種捆綁組織的三維正交機(jī)織復(fù)合材料試樣的緯向拉伸斷裂強(qiáng)度都大于經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)度。