兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的增強體預(yù)制件的縱緯向拉伸性能

兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的增強體預(yù)制件的縱緯向拉伸性能

作為一種增強的紡織結(jié)構(gòu)，主要有三種類型的紡織材料：預(yù)編織材料和針預(yù)編織材料。針織物分為預(yù)編織物和經(jīng)編織物，每一種都有自己的特點。作為一種增強的結(jié)構(gòu)材料，針的結(jié)構(gòu)在其良好的預(yù)塑形成性、固有的懸垂性、良好的抗沖擊性和能量吸收方面越來越受到重視。與其他紡織材料相比，這一結(jié)構(gòu)的低產(chǎn)量差的生產(chǎn)和技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。目前,國內(nèi)外對單一針織增強復(fù)合材料的研究比較深入,但對不同針織結(jié)構(gòu)疊加做成的復(fù)合材料的研究還很少.由于緯編線圈結(jié)構(gòu)可以通過紗線的靈活轉(zhuǎn)移變形吸收大量的能量,使得針織增強結(jié)構(gòu)具有良好的能量吸收性能.研究結(jié)果表明,針織復(fù)合材料比機織復(fù)合材料具有更高的能量吸收性,前者比后者吸收的能量高出30%.利用經(jīng)編雙軸向針織結(jié)構(gòu)中伸直的高強高模玄武巖纖維紗將受到的外界能量迅速地傳播到較大的區(qū)域,再利用普通針織線圈結(jié)構(gòu)良好的能量吸收性,將兩種針織結(jié)構(gòu)按一定的方式鋪層做成多重針織結(jié)構(gòu)的預(yù)制件,再加工成復(fù)合材料,可以獲得較好的能量吸收性能.但是由于雙羅紋織物的力學(xué)性能與雙軸向織物在縱緯向的差異,兩種織物復(fù)合后會對其復(fù)合材料縱緯向拉伸性能產(chǎn)生影響.本文通過對復(fù)合材料進行拉伸性能測試來分析這種多重復(fù)合材料的拉伸特性,并對比了縫合與未縫合兩種預(yù)制件增強復(fù)合材料,來探討縫合對這種多重針織結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.1研磨建筑材料1.1經(jīng)編雙軸向織物將經(jīng)編雙軸向織物與雙羅紋織物按一定的順序和角度鋪層,采用經(jīng)緯向同向,即同向鋪層,經(jīng)編雙軸向織物在表面2層,利于能量的迅速傳播,雙羅紋織物在中間2層,利于能量的良好吸收,形成4層織物的多重針織結(jié)構(gòu),如圖1所示.本文用的雙羅紋織物是用德國STOLL公司的CMS303TC型電腦橫機編織而成.所用原料為玄武巖纖維紗,線密度為280tex,捻度為95.6捻/m.縱密為29橫列/5cm,橫密為29.5縱行/5cm.經(jīng)編雙軸向織物由浙江橫店集團提供,襯經(jīng)襯緯紗為玄武巖纖維無捻長絲紗,襯經(jīng)紗線密度為1000tex,襯緯紗線密度為1200tex,橫密為39縱行/10cm,縱密為33橫列/10cm.經(jīng)編雙軸向織物的編織紗是滌綸低彈絲,線密度100dtex,可以忽略不計,這樣算得的經(jīng)向和緯向玄武巖纖維紗的質(zhì)量比為0.985,說明兩個方向的玄武巖纖維紗的質(zhì)量分數(shù)基本上一樣.再將一部分4層織物用280tex玄武巖纖維紗采用改進的鎖式鏈跡手工縫合,如圖2所示.改進鎖式鏈跡縫合線彎曲少,利于縫合的順利進行和層間強度的提高;對面內(nèi)纖維的損傷少,由縫合引起的應(yīng)力集中也較小,制得的復(fù)合材料具有相對更高的損傷容限.縫合密度按襯經(jīng)、襯緯紗密度而定,因為手工縫合比較難操作,所以選用的縫合密度比較小,經(jīng)向和緯向都進行縫合.且為了減少對紗線的損傷以4根襯紗為標(biāo)距,緯向的針距和行距為10.26mm×12.12mm,經(jīng)向的針距和行距為12.12mm×10.26mm.1.2纖維體積分數(shù)將縫合與未縫合的增強體預(yù)制件通過真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型(VARTM)加工成復(fù)合材料.VARTM技術(shù)是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體,通過樹脂的流動、滲透,實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬,并在室溫下進行固化,形成一定樹脂/纖維比例的工藝方法.試驗采用EPOVIA?RF-1001乙烯基樹脂.EPOVIA?RF-1001乙烯基樹脂為雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯樹脂,具有優(yōu)秀的耐化學(xué)性能,耐高溫,低收縮,低黏度,獨有良好的工藝性能.固化劑為過氧化甲乙酮,促進劑為辛酸鈷溶液.質(zhì)量比m(樹脂)∶m(固化劑)∶m(促進劑)=100∶1.2∶0.5,比例隨溫度不同而略有改變,壓強為72kPa.制得的復(fù)合材料如圖3所示.縫合后,織物被壓實不利于樹脂的浸潤,因此制得的復(fù)合材料下表面有泛白的“干斑”,這說明樹脂沒有完全浸潤到增強體織物中.為了解決這個問題,在下表面墊加脫膜布,加強了樹脂在下表面的流動,且樹脂可以很好地浸潤下表面織物的纖維,制得的復(fù)合材料沒有干斑,但這樣制得的縫合的復(fù)合材料比未加脫膜布制得的未縫合的復(fù)合材料要厚一點,這樣就造成了縫合的復(fù)合材料纖維體積分數(shù)的降低.由于每次制得的復(fù)合材料板的厚度有所差異,所以有必要對纖維體積分數(shù)進行計算.因為雙羅紋織物沒法計算經(jīng)緯向的纖維體積分數(shù),所以只能計算整塊板的總的纖維體積分數(shù).因制得的復(fù)合材料板很好,假設(shè)空隙率為零.對于縫合的復(fù)合材料,縫合紗線在預(yù)制件中占有很小的一部分,可以忽略不計.則纖維體積分數(shù)由下式算得:其中:φ為纖維體積分數(shù),%;Vf為纖維體積,cm3;Vc為復(fù)合材料的體積,cm3;Mf為織物的質(zhì)量,g;ρf為玄武巖纖維的密度(2.70g/cm3);Gb為經(jīng)編雙軸向織物的面密度(0.080g/cm2);Gj為雙羅紋織物的面密度(0.173g/cm2);Sf為復(fù)合材料的面積,cm2;H為復(fù)合材料的厚度,cm.制得的復(fù)合材料的規(guī)格如表1所示.由于制得的復(fù)合材料板的大小只夠一個方向拉伸性能的測試用,所以未縫合與縫合的復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸試樣不是在一塊板上切割的,這樣得到的復(fù)合材料板的纖維體積分數(shù)略有差異.2試驗和分析聚吡咯的性能2.1拉伸性能測試試樣的加工及拉伸試驗均按照纖維增強塑料性能試驗方法總則(GB1446—2005)和玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法(GB1447—2005)進行.試樣加工尺寸長度和寬度為2.5cm×25cm,用韌性較好的室溫固化的環(huán)氧膠黏劑在試樣的兩端黏貼厚度為0.10cm,長度和寬度為2.5cm×5cm的鋁片.拉伸測試采用東華大學(xué)“動靜態(tài)復(fù)合材料實驗室”的810型MTS測試儀器,加載速度為5mm/min.縫合的復(fù)合材料按照測試方向上縫合的紗線條數(shù)切割,無論經(jīng)向還是緯向,一個試樣都有3條縫合紗線,以中間一條縫合紗線為中線進行切割,如圖4所示.2.2試驗結(jié)果與分析2.2.1拉伸非線性原因圖5顯示了未縫合的復(fù)合材料與縫合的復(fù)合材料試樣在經(jīng)緯向的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖.試樣在拉伸過程中是逐步破壞的.由圖5可以看出,各條曲線在初始階段基本呈線性,應(yīng)力隨著拉伸迅速上升.經(jīng)編雙軸向織物中玄武巖纖維紗是呈完全伸直狀態(tài)的,而雙羅紋織物是松弛狀態(tài),在拉伸的初始階段主要是經(jīng)編雙軸向織物的伸直紗受力變形.伸直的玄武巖纖維束應(yīng)變較小,所以初始階段應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈線性上升.剛開始隨著拉伸應(yīng)力的增加發(fā)出噼里啪啦的聲音,這段時間主要是樹脂和經(jīng)編雙軸向織物中拉伸方向的襯紗被逐漸破壞;隨著拉伸的繼續(xù)進行,當(dāng)拉伸應(yīng)變超過一定數(shù)值,曲線開始呈非線性.造成復(fù)合材料拉伸曲線非線性的主要原因是:一方面,復(fù)合材料中雙羅紋織物中的玄武巖纖維紗不是以平行于加載方向排列,而是以三維彎曲的線圈形式互相連接與串套,大大降低了拉伸方向纖維的取向度,紗線的強度不能充分發(fā)揮出來;另一方面,雙羅紋織物與樹脂斷裂存在不同時性,因樹脂斷裂應(yīng)變要低于雙羅紋增強織物的斷裂應(yīng)變,隨著拉伸的繼續(xù),部分紗線伸直,樹脂慢慢破壞,纖維增強體承受應(yīng)力慢慢變大,此時拉伸曲線為纖維和樹脂共同作用的結(jié)果;拉伸繼續(xù)進行,拉伸曲線的斜率慢慢減小,這時在斷裂的局部區(qū)域內(nèi)大部分樹脂發(fā)生破壞,樹脂解體,此時應(yīng)力承擔(dān)者主要是雙羅紋增強織物;最后復(fù)合材料啪的一聲發(fā)生斷裂,對應(yīng)拉伸曲線上應(yīng)力達到最高點之后迅速下降,這時復(fù)合材料完全破壞.從上述的分析可以看出,經(jīng)編雙軸向織物使復(fù)合材料拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線有個斜率較大的線性區(qū),雙羅紋織物使復(fù)合材料拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線的較大的斷裂伸長率,這樣拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線下方的面積增大,從而提高了復(fù)合材料的能量吸收性能.2.2.2試驗結(jié)果分析從圖5可以看出,不管是縫合的復(fù)合材料還是未縫合的復(fù)合材料,復(fù)合材料在經(jīng)向的拉伸性能要明顯好于緯向的.這個要從增強體的結(jié)構(gòu)進行解釋,增強體的上下兩層是經(jīng)編雙軸向織物,經(jīng)編雙軸向織物的結(jié)構(gòu)中經(jīng)紗和緯紗是絕對伸直的,紗線的性能被充分利用,經(jīng)編雙軸向織物經(jīng)向和緯向單位體積內(nèi)含有的玄武巖纖維紗的質(zhì)量比為0.984,經(jīng)緯向的拉伸性能應(yīng)該差不多,且緯向應(yīng)該要高一些,但是試驗結(jié)果卻是經(jīng)向拉伸性能明顯高于緯向,這說明造成這種現(xiàn)象的主要原因是增強體中的兩層雙羅紋織物,這是因為復(fù)合材料的縱緯向承受外力的能力與針織物增強材料的紗線在基體中的形態(tài)有關(guān).緯向試樣拉伸時承受載荷的主要是圈弧,紗線在復(fù)合材料中呈彎曲狀態(tài),由于樹脂的固化作用,處于彎曲狀態(tài)的圈弧只能產(chǎn)生少量的變形,紗線的強度不能完全發(fā)揮出來;經(jīng)向試樣拉伸時承受載荷的主要是圈柱,圈柱在復(fù)合材料中的取向基本與受力方向一致,紗線強度在受力過程中能得到很好的發(fā)揮.為了反映雙羅紋織物中紗線的利用率和增強效果,作如下簡化分析:如果將每一線圈縱行近似地看作由兩根經(jīng)向紗線(即兩段圈柱)組成,將每一個線圈橫列近似地看作由一根緯向紗線(即本橫列的沉降弧與上一橫列的針編弧)構(gòu)成,則可以得到雙羅紋織物每一完整線圈橫列(包括反面線圈橫列)的緯向紗線數(shù),和每一完整線圈縱行(包括反面線圈縱行)的經(jīng)向紗線數(shù).再根據(jù)織物的縱密與橫密,即可算出試樣單位長度(5cm)內(nèi)的緯向與經(jīng)向紗線數(shù),經(jīng)計算得到緯向紗線數(shù)58根/5cm,經(jīng)向紗線數(shù)118根/5cm.經(jīng)緯向彎曲時承受載荷紗線根數(shù)的不同,經(jīng)向試樣拉伸時承受載荷紗線的根數(shù)要遠大于緯向試樣拉伸時承受載荷紗線的根數(shù),這也是造成經(jīng)緯向拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線差異的原因之一.2.2.3縫合對復(fù)合材料拉伸性能的影響表2顯示了縫合與未縫合的復(fù)合材料試樣的拉伸力學(xué)性能的參數(shù).未縫合的復(fù)合材料試樣不管在經(jīng)向還是緯向,彈性模量和拉伸強度的值都比縫合的復(fù)合材料的試樣要大一些,這是因為未縫合的復(fù)合材料的纖維體積分數(shù)要比縫合的復(fù)合材料的大.拉伸測試所得應(yīng)力—應(yīng)變曲線下方的面積代表復(fù)合材料試樣在外力作用下拉伸至斷裂所需要的能量,簡稱拉伸能量.復(fù)合材料試樣的纖維體積分數(shù)不一樣導(dǎo)致測試指標(biāo)缺乏可比較性,若用纖維體積分數(shù)去除材料的拉伸彈性模量、強度與能量,得到的單位纖維體積分數(shù)的拉伸彈性模量、強度與能量就有可比性.不管是縫合的還是未縫合的復(fù)合材料,復(fù)合材料在經(jīng)向的單位纖維體積分數(shù)的拉伸彈性模量和強度要明顯好于緯向.與未縫合的復(fù)合材料經(jīng)緯向和縫合的復(fù)合材料經(jīng)緯向的拉伸曲線比較原因相同.縫合使復(fù)合材料在厚度方向有了增強纖維,層間形成纖維橋接區(qū),產(chǎn)生抵抗分層的閉合力,這是縫合對復(fù)合材料有利的一面;雖然縫合提高了層板的層間強度,但由于在縫紉過程中對鋪層纖維造成了損傷,破壞了鋪層的整體性,而且縫線的存在導(dǎo)致了鋪層纖維的局部彎曲,這些因素削弱了層板的面內(nèi)力學(xué)性能,這是縫合對復(fù)合材料有害的一面.因為采用手工縫合,縫合密度很小,對鋪層織物中纖維的損傷小,造成的纖維彎曲也比較少,縫合有利的一面得到充分發(fā)揮,同時縫合對于雙軸向織物和雙羅紋織物的協(xié)同性有所改善,所以縫合的復(fù)合材料經(jīng)緯向的單位纖維體積分數(shù)的模量和強度比未縫合的復(fù)合材料不但沒有降低反而要高一些.從表2中可以看出,縫合的復(fù)合材料試樣的單位纖維體積分數(shù)的拉伸能量比未縫合的復(fù)合材料試樣的大,說明縫合后能量吸收性能得到提高.這是因為縫合使層合板在厚度方向有了增強纖維,分層裂紋前端形成纖維橋接區(qū),阻斷了可能產(chǎn)生的裂縫的擴展,產(chǎn)生抵抗分層的閉合力;還因為縫合線直徑比較大,增加了縫合線與基體的界面,使得在縫合線與基體的脫膠、摩擦過程中要消耗更多的外部能量,從而阻止裂紋的進一步擴展.3拉伸破壞狀態(tài)在拉伸的過程中,先看到復(fù)合材料試樣開始泛白,繼而表層的襯紗發(fā)生斷裂,直到試樣的完全破壞.這是因為復(fù)合材料中增強體和基體的斷裂破壞的不同時性造成的,剛開始是由于樹脂慢慢地解體、破壞,又因為經(jīng)編雙軸向與雙羅紋織物的拉伸變形的差異,先是上下兩層經(jīng)編雙軸向織物中拉伸方向的纖維的斷裂,最后是雙羅紋織物的斷裂破壞,最終導(dǎo)致復(fù)合材料的斷裂破壞.圖6為試樣的拉伸破壞正面圖,對于纖維增強復(fù)合材料,纖維/基體界面結(jié)合好壞是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的一個重要因素,可以由斷裂處纖維(束)的抽拔情況、拉伸試樣斷裂面的形狀和基體的附著情況反映出來.4種試樣的表層織物都有纖維抽拔出的現(xiàn)象,這屬于界面的黏結(jié)破壞,是當(dāng)增強相與基體相的黏結(jié)強度低于界面層的內(nèi)聚強度時發(fā)生的破壞;拉伸試樣斷口表層和里層不在一個面內(nèi),是因為表層的經(jīng)編雙軸向織物和里層的雙羅紋織物破壞的不同時性,表層的雙軸向織物的纖維先破壞,有纖維抽拔現(xiàn)象屬于界面黏結(jié)破壞,里層的雙羅紋織物的斷裂基本上在一條直線上;斷口周圍樹脂附著情況也較好.圖7為試樣的拉伸破壞側(cè)面圖,可以看出,未縫合的復(fù)合材料試樣出現(xiàn)了較嚴重的表層分層現(xiàn)象而縫合的復(fù)合材料試樣基本上沒有出現(xiàn)表層分層現(xiàn)象,這說明縫合改善了復(fù)合材料的分層現(xiàn)象.4拉伸性能好于緯向(1)多重針