周紅濤, 肖學(xué)良, 錢(qián) 坤

( 1．江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫，214122；2．鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

0 前言

隨著紡織復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，織物結(jié)構(gòu)及其增強(qiáng)復(fù)合材料的研究越來(lái)越受到人們的重視。織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料是柔性復(fù)合材料的一種，織物作為骨架材料不僅提高其強(qiáng)度，還能限制其變形及保持其尺寸穩(wěn)定性，因此，選擇合適的織物結(jié)構(gòu)作為骨架材料對(duì)織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要的意義[1]。平面三向織物(TWF)是由三組彼此成60 °交織的紗線組成[2]，其交織結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，抗彎強(qiáng)度高，抗撕裂強(qiáng)度高和力學(xué)性能準(zhǔn)各向同性的特點(diǎn)，克服了機(jī)織物(PWF)受非沿經(jīng)紗和緯紗方向的載荷作用時(shí)承受載荷的能力及抵抗變形的能力大幅度下降的不足，因此，平面三向織物作為骨架材料應(yīng)用于織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平面三向織物在復(fù)合材料中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究[3-9]，但研究?jī)?nèi)容主要集中在樹(shù)脂基復(fù)合材料，對(duì)平面三向織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的研究報(bào)道較少。本文以平面三向織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料(TWFC)為對(duì)象，采用采用偏軸拉伸的方法研究其各向異性性能。陳守輝采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了機(jī)織物建筑膜材料偏軸拉伸的破壞機(jī)理[10]。郭囊括、敬凌霄等采用偏軸拉伸方法研究了柔性多軸向經(jīng)編聚氨酯涂層織物的拉伸性能，對(duì)理論分析模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，理論模型對(duì)涂層織物的彈性模量和泊松比的預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確[11]；張營(yíng)營(yíng)等對(duì)聚四氟乙烯的玻璃纖維類膜材(PTFE膜材)和聚氯乙烯的聚酯纖維類膜材(PVC膜材)的偏軸拉伸性能及破壞機(jī)理進(jìn)行研究[12-14]。

(a)平面三向織物結(jié)構(gòu) (b)平面三向織物的單胞圖1 平面三向織物結(jié)構(gòu)及單胞形態(tài)Fig.1 The structure of triaxial woven fabric and its unit cell

本文對(duì)TWFC和平紋織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料(PWFC)的各向異性性能進(jìn)行研究，并分析了試樣形狀對(duì)織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料偏軸拉伸的影響。研究成果為平面三向織物在橡膠復(fù)合材料及其他柔性復(fù)合材料的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

平面三向織物(TWF)和平紋織物(PWF)均采用錦綸66長(zhǎng)絲，線密度為186.67 tex，捻度為70捻/米，江蘇太極實(shí)業(yè)新材料有限公司；平面三向織物和平紋機(jī)織物的面密度相同，詳細(xì)參數(shù)如表1所示；

丁腈橡膠混煉膠，新鄉(xiāng)市鼎誠(chéng)橡膠有限公司；

開(kāi)姆洛克402黏合劑，美國(guó)洛德公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熱壓機(jī)，4128Carver熱壓機(jī)，30T，美國(guó)Mycro公司；

萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)，Instron 3385H，美國(guó)英斯特朗公司。

表1 2種織物的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of two prepared fabrics

1.3 樣品制備

織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的制備采用熱壓法，工藝參數(shù)設(shè)置分別為：溫度145 ℃，壓力10 MPa(第一次)、16 MPa(第二次)；時(shí)間 20 min；克重：3 431 g/m2。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

以平面三向織物(或平紋織物)增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的緯紗為基準(zhǔn)，分別沿逆時(shí)針?lè)较蚱x基準(zhǔn)0 °、15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 ° 7個(gè)方向裁剪試樣，每個(gè)角度裁剪3個(gè)試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸性能參考HGT 2580—2008進(jìn)行測(cè)試，考慮到織物紗線密度稀疏的實(shí)際情況，試樣尺寸為150 mm×50 mm，夾具間距設(shè)定為50 mm，拉伸速度為100 mm/min；同時(shí)，試驗(yàn)增加了長(zhǎng)方形(R)和啞鈴形(G)2種試樣的偏軸拉伸性能的對(duì)比分析。

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 長(zhǎng)方形試樣偏軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

偏軸角度/(°)：■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a) TWFCR (b) PWFCR圖2 TWFCR和PWFCR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of TWFCR and PWFCR

TWFCR和PWFCR偏軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，TWFCR拉伸斷裂強(qiáng)度沿各偏軸角度的的變化規(guī)律是：0 °和60 °>15 °，45 °和75 °>30 °和90 °；而斷裂伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律與拉伸斷裂強(qiáng)度的變化規(guī)律相反，即30 °和90 °>15 °、45 °和75 °>0 °和60(°) 。PWFCR拉伸斷裂強(qiáng)度沿各偏軸角度的的變化規(guī)律是：0 °和90 °>15 °和75 °>30 °和60 °>45 °；斷裂伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律為45 °>30 °和60 °>15 °和75 °>0 °和90(°)。這主要由紗線在織物中的分布造成的，當(dāng)織物受偏軸拉伸時(shí)，紗線分為兩部分，一部分紗線兩端均受到夾具的握持，能承受較大的拉力，對(duì)拉伸強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大；另一部分只有一端受到夾具的握持或者兩端均未受到夾具的握持，紗線只承受部分拉力及基體的剪切力，對(duì)拉伸強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小。當(dāng)拉伸方向由平行于織物中紗線方向到相鄰兩組紗線的角平分線方向變化時(shí)，兩端同時(shí)受握持的紗線數(shù)量逐漸減少，因此拉伸斷裂強(qiáng)度逐漸減小，且沿任意兩組紗線角平分線方向?qū)ΨQ分布。在拉伸載荷的作用下，當(dāng)紗線與拉伸方向平行時(shí)，試樣的伸長(zhǎng)是紗線受力伸直形成的；當(dāng)紗線拉伸方向與存在一定的夾角時(shí)，紗線的伸長(zhǎng)由紗線自身受力伸直和紗線朝減小偏轉(zhuǎn)角度的方向偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)組成，雖然基體對(duì)紗線的黏結(jié)作用對(duì)紗線減小偏轉(zhuǎn)角度的趨勢(shì)產(chǎn)生一定的束縛，但是基體的高彈性使試樣中的紗線仍發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)，因此，織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨著受力沿紗線方向到任意兩組紗線的角平分線方向的變化而逐漸增大，且沿任意兩組紗線角平分線方向?qū)ΨQ分布。這與陳守輝、張營(yíng)營(yíng)等對(duì)膜材料的偏軸拉伸變化規(guī)律一致[10]24[14]138。

2.2 啞鈴形試樣偏軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

TWFCG和PWFCG的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如圖3所示，拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨偏軸角度的變化規(guī)律與TWFCR和PWFR的變化規(guī)律相同。

■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a)TWFCG (b) PWFCG圖3 TWFCG和PWFCG的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of TWFCG and PWFCG

—TWFCG —TWFCG —PWFCG —PWFCG(a)拉伸斷裂強(qiáng)度 (b) 斷裂伸長(zhǎng)率圖4 試樣在不同拉伸方向時(shí)的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.4 Tensile fracture strength and elongation at break of the specimen in different loading directions

(a)TWFC (b)PWFC圖5 相同尺寸下TWFC和PWFC在不同拉伸方向的受力形態(tài)Fig.5 Stress states of TWF and PWF under different tensile directions with the same size

圖4顯示，TWFC和PWFC的啞鈴形試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度大于長(zhǎng)方形試樣的斷裂強(qiáng)度，而兩種形狀的斷裂伸長(zhǎng)率變化不大。當(dāng)受力方向與任一紗線平行時(shí)，PWFC的拉伸斷裂強(qiáng)度大于TWFC，斷裂伸長(zhǎng)率略大于TWFC；隨著拉伸方向由平行于紗線到平行于任意兩組紗線的角平分線，PWFC的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化率大于TWFC。這主要是由于2種織物的街頭特征造成的，偏軸拉伸角度為0 °時(shí)，PWFC中兩端同時(shí)受握持的紗線的根數(shù)大于TWFC，如圖5所示，使其具有較高的拉伸斷裂強(qiáng)度，PWFC紗線上的交織點(diǎn)數(shù)量小于TWFC，且復(fù)合之前PWFC增強(qiáng)體比TWFC增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)松散，使其受拉伸作用時(shí)的斷裂伸長(zhǎng)率略大于TWFC；隨偏軸角度的變化，TWFC中兩端同時(shí)受握持紗線的根數(shù)的變化小于PWFC，使其拉伸斷裂強(qiáng)度的變化程度也小于PWFC，當(dāng)受到偏軸拉伸作用時(shí)，TWFC中3組紗線在交織點(diǎn)處形成相互鎖合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了紗線在拉伸過(guò)程中的變形，特別是在基體的黏結(jié)作用下，對(duì)紗線的變形的限制作用更顯著，因此，TWFC的斷裂伸長(zhǎng)率的變化程度較小。

2.3 織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的拉伸破壞模式

織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的拉伸破壞主要有3種破壞模式：純拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合型破壞。當(dāng)織物中一組紗線與拉伸方向平行，其他紗線與拉伸方向垂直時(shí)，在受到拉伸載荷作用時(shí)，柔性復(fù)合材料只承受正應(yīng)力，破壞模式是純拉伸破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為同一截面的紗線整齊斷裂或者沿斜向斷裂，如圖6(a)所示；當(dāng)復(fù)合材料中存在兩端同時(shí)受握持且與拉伸方向呈一定夾角(非平行或者垂直)的紗線，在拉伸過(guò)程中，紗線發(fā)生偏轉(zhuǎn)使紗線與拉伸方向的夾角逐漸減小，破壞模式是拉剪混合型破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為斷口方向平行或者垂直于紗線方向，如圖6(b)；當(dāng)不存在兩端同時(shí)受握持的紗線時(shí)，在拉伸載荷作用下，紗線克服基體對(duì)紗線的剪應(yīng)力而趨與平行于拉伸加載方向，破壞模式是剪切破壞，破壞形態(tài)是斷口方向多是垂直于拉伸加載方向，如圖6(c)所示。

(a)純拉伸破壞 (b)拉剪混合破壞 (c)純剪切破壞圖6 試樣在不同拉伸方向下破壞模式Fig.6 Failure mode of the specimen in different loading directions

圖7～8分別為T(mén)WFC和PWFC的長(zhǎng)方形試樣件和啞鈴形試樣件的偏軸拉伸斷裂后的破壞形態(tài)。結(jié)合圖5(a)知，TWFC的破壞模式均為拉剪混合型破壞，這主要是由平面三向織物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形成的，即三組彼此成60 °角的紗線交織，使其在受到偏軸拉伸時(shí)始終存在兩端同時(shí)受握持且與拉伸方向呈一定偏轉(zhuǎn)角度的紗線。隨著偏軸角度不同，PWFC呈現(xiàn)出不同的破壞模式，當(dāng)拉伸方向與某一組紗線平行時(shí)(即90 °和0 °)時(shí)，如圖5(b)所示，破壞模式為純拉伸破壞；當(dāng)拉伸方向與某一組紗線的夾角偏小時(shí)，破壞模式為拉剪混合型破壞，斷裂方向沿著某一組或者兩組紗線斷裂；當(dāng)拉伸方向處于PWFC中的兩組紗線的角平分線上時(shí)(即45 °)時(shí)，兩端同時(shí)受握持的紗線根數(shù)為零，且紗線以拉伸方向?yàn)檩S線對(duì)稱分布，破壞形態(tài)為純剪切破壞，紗線斷裂部位出現(xiàn)在試樣中受約束力較小的邊部，并沿著垂直于受力方向擴(kuò)展。

(a)TWFCR (b)PWFR圖7 TWFCR和PWFC在不同拉伸方向的破壞形態(tài)Fig.7 Destruction morphologies of TWFR and PWFR in off-axis tensile direction

(a)TWFCR (b)PWFR圖8 TWFCG和PWFR的偏軸拉伸破壞形態(tài)Fig.8 Destruction morphologies of TWFCG and PWFCG in off-axis tensile direction

由圖7～8可知，啞鈴形試樣的破壞位置發(fā)生多數(shù)發(fā)生在試樣的中間位置，克服了長(zhǎng)方形試樣由于拉應(yīng)力集中而發(fā)生在夾頭附近的不足。

3 結(jié)論

(1)織物骨架性能決定織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的拉伸性能及其破壞模式，在拉伸載荷的作用下，隨著偏軸角度的變化，TWFC的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化程度較小，表現(xiàn)出拉伸性能的準(zhǔn)各向同性，破壞模式為拉剪混合破壞；PWFC的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化較大，屬于典型的各向異性材料，破壞模式也隨著偏軸角度的變化而改變。因此，TWFC更適合于對(duì)各向同性要求較高的柔性復(fù)合材料的領(lǐng)域；

(2)啞鈴形試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度較高，且克服了長(zhǎng)方形試樣由于拉應(yīng)力集中而斷裂在夾頭附近的不足。