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1、3 D 机织物增强复合材料板的力学性能 汪蔚 ( 嘉兴学院，嘉兴，3 1 4 0 0 1 ) 摘要：以玻璃纤维为原料，在普通平面织机上试织成各种结 旬的3 D 机织物，并崩环氧一聚酰胺树脂休系，通过手糊成型工艺制得各种 结构的复台材料板材。经性能测试3 n 机织物增强复合材料板材的层问剪切性能与抗冲击性能显著优于层台板。 关键词：纤维增强复合材料3 n 机织物力学性能正空结构角联锁结构 中圈法分类号：T s1 0 66文献标识码：A 玻璃纤维增强复合材料板材的应用非常广泛， 它一般采用单层玻璃纤维布经层压而成。这类板材 有一个缺点，即材料的层间剪切强度低，在冲击载倚 的反复作用下，层间易开裂。
2、为提高这类材料的层 间剪切强度，可采用缝编的方法，但此法易刺伤纤维 而影响其材料的力学性能，而且此法不易实现机械 化生产。一般认为，采用3 D 机织物预制件作为复 合材料板材的增强体是提高材料层间剪切强度及抗 冲击强度的有效方法。在小样机上试织出了部分结 构的3 D 机织物，用手糊成型工艺制得复合材料板 材，最后对各种结构复合材料板材的力学性能进行 了测试与分析。 1 玻璃纤维3 D 机织物板材预制件的织制 根据缝经纱在3 D 机织物中的排列方式不同， 3 D 机织物的结构有正交结构 其经向截面图如图l ( a ) 与图l ( b ) 与角联锁结构 其经向截面图如图2 ( a ) 与图2 (
3、b ) 。 按文献 1 ，2 报道的织制方法，在小样织机上，口 织出上述四种结构的3 D 机织物，织物规格见表l 。 一_ _ 1 _ 一_ “+ 一I 一- I 。+ 。1 一_ 播速度之间，纤维体积分数高，则应力波传播速度 大，说明纤维与树脂复合以后，纤维的变形受到限 制，纤维的波传播速度被抑制。显然，要使复合材料 具有高的波传播速度，则应提高纤维的体积分数。 然而，过高的纤维含量会导致树脂的量不足以铺展 而影响纤维一树脂界面的粘结，从而影响层压复合 材料靶板结构的刚性和整体性。由此可以设想在层 压复合材料中，要使纤维材料最大限度地保持其波 传播能力，又要取得复合材料的刚性和整体性，可以
4、采用第二种复合方式。因此必须仔细控制树脂的含 量，以取得复台材料结构的刚性和整体性与弹道性 能之间的平衡。就应力波传播的角度来看，从图3 可知，沿纤维轴向的波传播速度随纤维体积分数的 增加呈平稳上升的趋势，而沿纤维横向的波传播速 度随纤维体积分数的变化，在纤维体积分数为8 0 左右时有个转折，即当纤维体积分数大于8 0 左 右时，冲击波传播速度对纤维体积分数的变化较为 敏感，因此初步推定纤维体积分数应大于8 0 左 右。至于纤维含量( 或树脂含量) 最佳的取值范围， 只有根据以上的分析进行实验研究才能确定。 3 结束语 本艾在s m 曲，R 0 y 1 肋c e ，F 他e 8 t o n 和
5、s i e m k o w 出i 等 人的研究基础上，从能量吸收的角度，分析了纤维的 能量吸收与波传播和纤维与树脂复合效应。初步推 断，在层压复合材料中，要使纤维材料最大限度地保 持其波传播能力，又要取得复合材料的刚性和整体 性，可以采用树脂仅存在于平面织物之间，不渗入到 织物内部，即不渗人到纱线之问以及纤维之间的扎 隙的复合方式；纤维体积分数应大于8 0 左右。 致谢：本研究得到中国几民解放军总后军需装备研究所的k 山支持特致谢意! 参考文献 1s 衄t hJcHms t 啉e - s t r a l nR e l n h l p Y 呲”s u 坷e cL e d R 叩。d I 。p 邮
6、tL 棚出P 砒V I ；V e l o c 崎甜S t 嘶nw R 髓u l “n gf m m I m D tn RJ ，1 9 6 0 ( 3 0 ) ：7 5 2 2D a 、l dR o y J mmB d l I 州cI m p 们L 缸1 k x t l l eS t r u cc 嘶rRJ t 9 7 3 ( 1 ) 4 l 4 3 3F M e 8 咖IWD J RS t 喇n W 州eR 棚刚m sD u n n gB l i s I I ”p dE F a h r L cI h 】d sT RJ ，l 町3 ( 6 ) ：3 4 8 3 5 】 4s l e m k 删s
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8、WatermarkR to remove the watermark 蛩至莲睦鄞圊阵 享臣箍马阵 圭噩迸列q 【妊 t ? I _ ! L V 巴= _ 一， L _ 料磷燃 n )0 ) 围l 正交结构3 D 机织物结构图 t 町b ) 囱2 角联锁结构3 D 机缀物结构图 表1 中各规格的3 D 机织物均按照拟制得的复合材 料板材的尺寸( 长宽高= 2 0 0m m 8 0m m 6m m ) ，采用整体织造的方式织制，材料成型时可省 去裁剪工序。基本组织均为平纹，所用经纱、纬纱及 垂纱均用2 4 0 0 l e x 的玻璃纤维。 寰l 如机织物规格表 2 复合材料板材的成型加工工艺 试验
9、采用手糊成型工艺，选用不锈钢模具，其形 状及尺寸如图3 ，脱模6 剂为液体石蜡，所用基 体为6 1 叭环氧树脂，固 化剂为6 5 0 聚酰胺树 围3 复合材料板材成型用模具 脂，常温( 2 0 2 5 ) 固化，固化时间2 4 3 6h ，树脂 胶液完全固化后脱模，脱模后的复合材料板在常温 下放置一周以卜，待材料的性能稳定后进行性能测 试。 树脂胶液配方及操作注意事项如下：6 1 0 1 环氧 树脂：6 5 0 聚酰胺树脂= l ：o8 ( 质量比) ，并用甲苯作 稀释剂，以满足手糊成型工艺的粘度要求( 粘度0 2 o 8P a s ) ，在操作中应注意使树脂胶液充分渗透 到3 D 机织物内部
10、，可采用多次反复涂刷树脂胶液 后加压的方法。 另外，采用同样的成型工艺，以单层玻璃纤维布 为增强体，糊制了部分复台材料板材试样，用以与 3 D 机织物复合材料板材进行性能比较。单层玻璃 纤维布的经纬纱规格均为2 4 0 0 ，经密2 根c m ，纬 密1 根，c m ，基本组织为平纹，织物层数1 0 层。为便 于以后叙述，将用单层玻璃纤维布番合起来的复合 材料板称层压板。 3 各种结构复合材料板材的纤维体积比分 析 由织物结构可计算出上述各种结构复合材料板 材的经、纬纱体积比与总的纤维体积比( 忽略织物中 纱线的屈曲及压缩) ，其结果见表2 。 采2 各结构复台材料板村的纤维体积比 4 复合材
11、料板材的性能测试及其结果 复合材料板的性能测试均沿材料的纵向( 经向) 进行测试。在c s s J 1 1 0 型电子万能材料实验机上 测得材料的一次拉伸断裂强度，并用逐级加载法测 得杨氏模最；材料的抗冲击强度采用夏比冲击实验 方法进行，采用不带缺口的试样”“1 ；材料的层间剪 切强度采用拉伸法进行，其试样形状及尺寸如图4 。 复合材料板材的力学性能测试结果见表3 。 b 。 + F l = 虬= 4 0n m ；= 2 0m m 池= q = 3 武样宽度：I om m ；扎处厚度：6m m 圈4 复台材料层闻剪切性能测试试样 裹3 复合材料板材的力学性能测试结果 型鬣，蒜，黧搿 拉伸强度(
12、 聃P a ) 杨氏模量( G h ) 窟问剪切强窿( M P a 抗冲击强度( J ，c m 2 ) 3 3 29 l 2 2 1 0 2 4S 6 2 69 3 3 1 56 2 0 础 2 69 8 2 8 9 4 2 7 34 1 83 5 2 7 2 83 2 9 08 1 74 6 3 2 4 l 3 l9 7 层 合栖 0 32 84 5 s 复合材料板材的性能测试结果分析 5 1 拉伸性能测试结果分析 各种结构复台材料板材的拉伸应力一应变曲线 基本呈直线，这表明材料为良好的线弹性材料。由 图5 看出，两条曲线在4 0 2 l oM P a 的应力负荷范 万方数据 PDF Wat
13、ermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第2 4 卷第5 期 - 4 1 1 ：! ! ! ! 围内呈直线且两者摹本莺台。 在不同结构的复合材料板材中，正交结构( a ) 复 合材料板材的一次拉伸断裂强度与杨氏模量最太， 这是因为该结构的经纱足挺直的；角联锁结构( a ) 复 合材料板材的一次拉伸断裂强度最低，这是因为该 结构的经纱屈曲程度小一致，材料受力时，纤维受力 小均匀；角联锁结构( b ) 复合材料板材的杨氏模量最 低，这是眭；l 为该结构的经纱屈曲程度最大。不同
14、结 构复合材料板材的一次拉伸断裂强度及杨氏模量比 较见图6 ( a ) 、图6 ( b ) 。 田5 复台材料板材的实际拉伸曲线与拟台曲线比较 、正蹙结丰句 n ) 二、正变锖构( b ) 三、角联锁结构( a ) 凹、角联锁结构( b ) 五、层合板 围6 不同结构复合材謇4 板材的一次拉伸断裂强度，扬氏模量比较 5 2 抗冲击性能测试结果分析 在各结构复台材料板材中，3 D 机织物增强复合 材料板材的抗冲击强度显著大于层合板，前者约为 后者的1 5 l7 倍，这是因为破坏3 D 机织物增强 复合材料板材的层问连接需吸收能量；在各结构的 3 D 机织物增强复合材料板材中，角联锁结构( b )
15、 复 合材料板材的抗冲击强度最高，这是因为该结构的 所有经纱都参与层问连接，材料的整体性好。不同 结构复合材料板材的抗冲击强度比较见图7 ( a ) 。 5 3 层阃剪切性能测试结果分析 在各结构的复合材料板材中，3 D 机织物增幔复 f 一一一一+ “一一一“ l 中国毛纺织信 L 一一一一一一一 、正交结构( a ) 、正交结构( b ) 三、角联锁皇占构( a ) 四、角联锁结构( b ) 五、层台板 币同结构复台材料楹材的抗冲击强度、崖睡i I 剪切强度比较 ( 曲层合板( b ) 角联锁结构( b ) 囤8 鄙舒夏台材料板材胸层间翦创破坏罔“ 合材料板材的层问剪切强度显著大于层合板，
16、前者 约为后者的3 5 4 5 倍。在不同结构的3 D 机织物 增强复合材料板材中，角联锁结构( b ) 复合材料板材 的层间剪切强度最大，这是因为该结构的所有经纱 均参于层间连接。不同结构复合材料板材的层问剪 切强度比较见图7 ( b ) 。、 由图8 看出，层合板由于其层问无纱线连接，破 坏面比较平整，3 D 机织物增强复合材料板材由于层 问有纱线连接，破坏面比较粗糙。 6 结论 3 D 机织物复合材料板材的层间剪切强度、抗冲 击强度显著优于层合板。各种结构3 D 机织物复合 材料板材的力学性能存在着差异，在实际应用巾，可 视不同的要求，加以选择。 参考 文献 汗蔚三维机织物的组织结构与设
17、计浙江工程学院学报， 2 0 0 “4 ) ：1 9 7 2 0 0 2c h o uSEe tdn e k a v 。I l gM e t h o d 日0 fT h d l 一舯n lh b n 刚f A d 。# dc m p o sL kM a k n 出8c o 舭，s i ks t m c t u r 骼，1 9 ( 3 3 ) ：1 5 0 一 J 7 2 3 福甜博复合材料学 门东京：大月书店1 9 8 6 ：1 9 8 ，2 1 6 4 邓承仪_ L 程材料力学实验北京：科学技术H 版社，1 9 卯：7 2 ， E 5 息订阅热线D 1 0 一6 翮1 7 刃俘转8 咖 “ 国K 嘲恩四 掰旦11嘞 M网盟|_ 嗡咀 拍巧”加，0 dq蜊疆霉韫星噬 ：=圉M盥五m图盟日 m厕盟】_忡 m图且： “ 网嗣M 黼竺 辄耕利 _目鼍世霞懵嚣螭 引 2倒嚼群鉴 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark