增强体织物组织结构对曲面复合材料力学性能的影响

2019-03-26徐珍珍阮芳涛王孝锋

中国塑料 2019年3期

汪浩，徐珍珍，阮芳涛，王孝锋

(安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000)

0 前言

纺织结构复合材料自20世纪末发展以来，已广泛应用于航空航天、交通、建筑、体育、医疗等领域。现代纺织结构复合材料与人类的生活密切相关，对现代结构工程的发展将产生重要的推动作用[1]。在纺织结构复合材料中，纤维是承载体，基体起固结纤维和传递载荷的作用[2]。通过选用不同的增强体结构可以调控复合材料的力学性能。因此研究不同结构织物的对复合材料力学性能的影响很有意义[3]。纺织结构复合材料具有比强度大、重量轻、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性的特点[4]。目前，对复合材料的力学性能研究比较多，主要是集中在平板形状的复合材料研究，对于曲面的纺织结构复合材料研究较少。但是应用于不同物体的各类结构部件要求形状各异，并且在很多场合下需要用到曲面部件。本文通过自制的模具制备了曲面复合材料，并测试了曲面玄武岩复合材料的三点弯曲性能、冲击性能以及顶破性能，探讨了不同织物组织结构对复合材料力学性能的影响，为提高曲面复合材料综合力学性能的研究提供实验依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

玄武岩纤维布，平纹、斜纹、缎纹、无纬布，浙江石金玄武岩纤维股份有限公司；

环氧树脂，JL-235，常熟佳发化学有限责任公司；

固化剂，JH-242，常熟佳发化学有限责任公司。

1.2 主要设备及仪器

微机控制电子万能试验机，WDW-20，济南天辰试验机制造有限公司；

数显简支梁冲击试验机，济南恒思盛大仪器有限公司；

曲面复合材料成型模具，自制，模具示意图如图1所示。

图1 模具示意图Fig.1 Schematic diagram of the mold

1.3 样品制备

裁取10 cm×10 cm大小的玄武岩纤维织物，详见表1，室温下配制质量比100∶27的环氧树脂和固化剂混合溶液，将裁好的玄武岩布浸入树脂，并在模具中复合成型(模具如图1)。然后再将复合成型的复材切割成长宽高为5 cm×1 cm×1 cm的曲率半径50 mm(模具的曲率为50 mm，进而制得的复材试样曲率为50 mm)的曲面复合材料，用作三点弯曲和冲击测试试样；顶破测试试样为整块曲面复合材料，制样流程图如图2所示。其中无纬玄武岩曲面复合材料根据切割方向分为2种试样，一是沿着纤维铺层方向切割，即无纬玄武岩曲面复合材料-90 °，二是垂直于纤维铺层方向切割，即无纬玄武岩曲面复合材料-0(°)。

表1 试样规格及相应的名称简写Tab.1 Sample specifications and corresponding names abbreviated

图2 制样流程图Fig.2 Schematic diagram of the process for composite sample preparation

1.4 性能测试与结构表征

三点弯曲性能参照GB/T 3356—2014进行测试，测试速度设置为5 mm/min；

冲击性能参照GB/T 1043—2008进行测试，试样长度为50 mm，宽度为10 mm，支撑线间距离为40 mm，冲击速度为3.8 m/s；

顶破强力测试：压头为直径8 mm，长度26 mm的圆柱体，顶破过程如图3所示，顶破速度为50 mm/min。

图3 顶破过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the topping process

2 结果与讨论

2.1 弯曲性能分析

图4为试样的3点弯曲测试载荷-挠度曲线，可以看出，不同纺织结构复合材料的曲线斜率也不相同，其中

1—WBC-0 ° 2—WBC-90 ° 3—PBC 4—TBC 5—SBC图4 3点弯曲测试载荷-挠度曲线Fig.4 Three-point bending test load-deflection curves

PBC的曲线最陡，抵抗变形能力最高的，即模量最大，接着依次是SBC、TBC、WBC-90 °和WBC-0(°)。从表2中的数据得到，PBC的弯曲强度为189 MPa，SBC为143 MPa，TBC为112.1 MPa，WBC-0 °为28.6 MPa，WBC-90 °为142 MPa，其强度的变化趋势和模量是一致的，其中，PBC的弯曲强度是最大的，SBC比WBC-90 °弯曲强度略高，WBC-0 °最小，TBC低于SBC。从增强体结构上来看，平纹的组织点多，纤维多是屈曲状态不易移动，结构稳定性好，因此，PBC的弯曲强度高。缎纹结构虽然组织点较少，但纤维处于伸直状态，在3点弯曲测试中，纤维有由伸直状态到屈曲状态的变化过程，因此，SBC弯曲强度也较大。和缎纹类似，虽然无纬结构没有很多的交织点，结构稳定性不强，但是无纬结构的纤维没有屈曲结构，纤维排列规律，取向程度高，所以WBC-90 °弯曲强度高。无纬结构是一种单向铺层纤维布，其结构中纤维分布取向变化较小，其裂纹的扩展主要是沿着垂直纤维分布方向[5]，因此，导致了无纬90 °结构的弯曲强度和弯曲模量增加，相应的无纬0 °结构的弯曲强度和弯曲模量很小。

挠度与材料的受力变形相关，从而影响到材料的使用性能。从表2中可以看出，SBC的挠度最大，为9.7 mm，这是因为缎纹结构的组织点少，容易产生滑移，同时玄武岩纤维纱线屈曲状态少，所以缎纹结构复合材料在承受载荷时，首先通过组织点滑移和纤维的屈曲，最后达到材料的完全断裂；平纹结构组织点较多，纱线和纱线间相互作用，不易产生滑移，因此PBC挠度较小。

表2 不同织物组织结构对复合材料弯曲性能的影响Tab.2 Effect of different fabric structure on the bending properties of composite materials

2.2 冲击性能分析

图5为不同织物组织结构对曲面复合材料冲击吸收能量值，可以看出WBC-90 °和SBC的冲击吸收能量要高于其他几种结构的复合材料。织物结构直接影响到复合材料的能量吸收、损伤程度和破坏模式，试样的损伤形式包括基体开裂、纤维断裂、分层和表面变形，而且这些损伤形式相互影响共同存在[6]。从结构上看，纺织结构分为交织区和周围区，交织区内的纤维呈现非直线状态，面内刚度较低；周围区是直纤维区，能够承受更多载荷[[7-8]。缎纹的组织点少，易于产生面内滑移，纤维纱线屈曲状态少[9]，所以组织结构为缎纹的复合材料在受到冲击时，增强体承受载荷时，会发生组织点滑移，原本伸直的纤维也会发生屈曲，因此吸收的能量增多；平纹的组织点密集，纤维不易发生滑移，而且纤维一直处于屈曲状态，因此，PBC承受冲击时所能吸收的能量较低。斜纹组织的结构介于平纹和缎纹之间，所以TBC的吸收能量数值也介于两者之间。因为无纬结构的玄武岩纤维布是铺层的结构，并没有实际意义上的组织点存在，只是纤维与纱线的交织，WBC-0 °相当于是切割了纤维，纤维对载荷的传递起到较小的作用，冲击吸收能量很低；而WBC-90 °吸收能量数值偏大，这是因为WBC-90 °为沿着纤维铺层方向切割，纤维并没有发生断裂。

图5 不同织物组织结构对材料冲击吸收能量柱状图Fig.5 Histogram of energy absorption energy of different fabric structures

图6 WBC-90 °厚度对吸收能量影响Fig.6 Effect of WBC-90 ° thickness on impact strength

本文进一步设计了一组实验进行验证了WBC-90 °试样厚度对冲击吸收能量数值的影响，如图6所示，8～10层的增长幅度是72.8 %，明显大于2～4层的32 %，4～6层的48.2 %以及6～8层的20.7 %，很明显随着厚度的增加，冲击吸收能量增幅变大，所以就无纬结构的玄武岩曲面复合材料而言，厚度对其冲击吸收能量起更大作用，这也就解释了WBC-90 °冲击吸收能量较大的原因[10]。

2.3 顶破性能分析

目前，复合材料很多使用环境比较恶劣，经常受到外界物体的低速顶破破坏，如尖锐砂砾的顶破破坏[11]。图7为不同织物结构复合材料的顶破强力，从图中可以看出，TBC顶破强力最高，SBC次之，PBC最低，无纬结构复合材料的顶破强度与前面3种结构相差数值较小。平纹结构组织点多，在承受载荷时，纤维不易发生滑移，并且经纬方向的纱线都承受同等大小的力，试样呈现十字形破坏，强力相对较低；缎纹结构组织点少，在承受载荷时，纤维容易发生滑移，顶破强力较大。因为顶破速度要远小于冲击速度，而且顶破的试样与三点弯曲和冲击的不同，在受力交结点处对于载荷的反应也有所不同，因此，TBC的受力面出现了十字断裂口，破坏严重，TBC的顶破强力最大，而PBC 和SBC受力面只是出现了十字断裂纹。织物在顶破时的破坏断裂形貌，存在十字形和一字形破坏。当织物作为增强体时，其曲面复合材料的破坏形式也是这2种破坏形式。

图7 不同织物结构顶破强力Fig.7 Breaking strength histogram of different fabric structures

(a)SBC (b)PBC (c)WBC (d)TBC图8 顶破试样断口形貌Fig.8 Fracture morphology of the broken samples

如图8所示，SBC、TBC以及PBC的顶破破坏形貌满足了十字形破坏；WBC的破坏是出现一字形断裂口。TBC的顶破破坏情况比较严重，出现十字形断裂口，即表面出现了分层断裂，树脂与增强体分离，出现了分层断裂。PBC和SBC只是出现了十字形断裂纹，SBC的裂纹面积比PBC的大，PBC裂纹出现轻微的分层断裂；其中PBC和SBC断口处相对齐整，而TBC断口处纤维抽插杂乱，树脂与增强体分拨脱离。因为增强体结构经纬纱能承受相近的载荷，所以出现十字形破坏；而无纬结构的玄武岩曲面复合材料则会出现一字形破坏，WBC断口处是树脂与基体发生断裂破坏，发生脱离，是因为它的经纬方向所能承受的载荷差异很大，在纬度方向上基本没有承载能力[12]。WBC断裂口附近出现基体脱落，而增强体未发生断裂破坏。