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1、第2 8 卷第1 期 2 0 0 7 年1 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 1 J a n 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 0 5 6 0 4 三维整体夹芯织物增强复合材料的研制 祝成炎，陈俊俊，朱俊萍，谭冬宜，徐国平 ( 浙江理工大学，先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要用玻璃纤维在普通二维织机上分别试制经向为v 形、X 形和蜂窝形3 种典型三维整体夹芯织物，利用真 空辅助成型工艺研制复合材
2、料夹芯板。为使树脂能较好地渗入织物和纤维内部，对灌注用树脂胶液的组成、配制 比例以及树脂黏度等进行了研究，并讨论了三维空芯结构织物中树脂胶液流动过程及气泡形成原因。该复合材料 成型工艺能有效地排除在成型过程中产生于织物纤维束之间和纤维束内的气泡。研究结果表观所研制的板材保 持了夹芯织物原有的孔形结构、形状与较好的力学性能。 关键词三维整体夹芯织物；蜂窝；基体树脂；真空辅助成型 。 中图分类号：T S l 0 6 6 8文献标识码：A D e v e l o p m e n to f3 - Di n t e g r a t e da n ds a n d w i c h e df a b r i
3、 cc o m p o s i t e s Z H UC h e n g y a n ，C H E NJ u n j u n ，Z H UJ u n p i n g ，T A ND o n g y i ，X UG u o p i n g ( T h eK e yL a b o r a t o r yo f A d v a n c e dT e x t i l eM a t e r i a l sa n dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， Z h e j i a
4、n gS c i T e c hU n i v e r s i t y ，H a n g z h o u ，Z h e j i a n g3 1 0 0 1 8 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h et y p i c a l3 一Di n t e g r a t e da n ds a n d w i c h e df a b r i c si n c l u d i n gX ，Va n dh o n e y c o m bt y p e si nw a r p w i s ea r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u
5、r e dw i t hg l a s sf i b e r so nt h ec o n n n o n2 一D1 0 0 m ，a n dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa r e m a d eo ft h ef a b r i c sb ym e a n so ft h et e c h n o l o g yo fv a c u u ma s s i s t e dr e s i ni n f u s i o n F o rb e t t e rp e n e t r a t i o no fr e s i n i n t ot h ef
6、i b e ra n df a b r i c ，t h ec o m p o n e n t s ，r a t i oa n dv i s c o s i t yo ft h er e s i nl i q u i da r es t u d i e d n er e s i nl i q u i d f l o w i n gi nt h e3 Ds a n d w i c h e df a b r i ca n dt h ec a u s eo fb u b b l ef o r m i n ga r ed i s c u s s e d T h em a n u f a c t u r
7、 i n gm e t h o d u s e di nt h i sr e s e a r c hc a ne f f e c t i v e l ye x c l u d et h ea i rt r a p p e di nt h ev o i d sb e t w e e nf i b e r so ri n s i d et h ef i b e r so f t h er e i n f o r e e dc o m p o s i t e s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e i n f o r c e dc o m p o s i
8、 t e sh a v er e t a i n e dt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e s h a p e ，a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h es a n d w i c h e df a b r i c s K e yw o r d s3 - Di n t e g r a t e da n ds a n d w i c h e df a b r i c ；h o n e y c o m b ；m a t r i xr e s i n ；v a c u u ma s s i s t e dr
9、 e s i ni n f u s i o n 真空辅助成型( v a c u u ma s s i s t e dr e s i ni n f u s i o n ， V A R I ) 工艺是在R T M ( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) 工艺 基础上发展起来的一种新型复合材料成型技术，属 于高性能低成本制造技术，工艺灵活，能够一次成型 带有夹芯、加筋的大型结构件，是复合材料领域重要 的发展方向之一。3 D 整体夹芯织物增强复合材料 可以减轻高强三维实芯机织复合材料的自重，以满 足更多领域的要求。本文采用真空辅助成型工 艺研制不同结构的三维
10、整体夹芯机织物增强板材， 研究表明这种成型方法操作简便，可大幅缩减成型 周期，有利于生产工艺的合理安排及广泛推广。 1 预制件的制作 1 1 材料和仪器 预制件采用E 一玻璃纤维，杭州玻璃厂生产，密 度为2 5 4g c m 3 ，纱线线密度为6 0 0t e x 。树脂为上海 富晨有限公司生产的8 5 4 标准型环氧乙烯基酯树 脂。树脂固化剂和促进剂分别是过氧化甲乙醇 ( 1 0 ) 、环烷酸钴( 1 ) ，杭州东日玻璃钢有限公司 收稿日期：2 0 0 6 0 5 0 7修回日期：2 0 0 6 0 9 2 2 基金项目：浙江省科技计划重点项目( 2 0 0 5 C 2 1 0 7 3 )
11、作者简介：祝成炎( 1 9 6 2 一) ，男，教授，硕士。主要从事三维织造技术与纺织复合材料、纺织工程技术、纺织C A D 技术等的教学 和科研。E m a i l ：c h e n g y a n z h u 1 2 6 e o l l l 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期祝成炎等：三维整体夹芯织物增强复合材料的研制 5 7 提供。脱模剂为R 5 0 4 ( L o c t t e7 0 0 N CF r e k o t e ) ，
12、S c o t t B a d e r 有限公司生产。丙酮试剂由杭州汇普化工仪 器有限公司提供。真空泵型号为2 X Z 4 B ，温岭市发 达真空泵厂制造。 1 2 玻璃纤维包覆 为符合实验使用的线形，对所购置的玻璃纤维 长丝束用锦纶长丝进行包覆，其中锦纶长丝的线密 度是1 5 6d t e x ，锦纶长丝呈螺旋形包覆在玻璃纤维束 外，以形成稳定的线形结构。在这种线形中，锦纶的 体积分数所占比例较低，对复合材料固化过程中树 脂的渗透影响甚微，且对玻璃纤维在复合材料板材 中的体积分数和质量分数影响不大H 。 1 3 三维整体夹芯织物的结构设计 本文中三维整体夹芯织物结构有经向V 形、经 向x 形
13、、经向蜂窝形，结构见图1 。这些织物均在普 通二维平面样机上试制。 一一一 ( a ) 经向V 形( b ) 经向x 形( c ) 经向蜂窝形 图1三维整体空芯结构经向截面图 F i g 1W a r ps e c t i o ns t r u c t u r e so f3 - Di n t e g r a t e dc e l l u l a rw o v e n ( a ) Vh o l l o w ；( b ) Xh o l l o w ；( c ) H o n e y c o m bh o l l o w 1 4 真空辅助成型方法 真空辅助成型工艺：净化玻璃板一检查模具密 封性一配树
14、脂胶液( 树脂与M E K P 、C o b a l t 的质量比 为1 0 0 ：1 5 ：2 ) 一塑模一抽真空一灌树脂胶液( 同 步抽真空1 0m i n ) 一剥离并抽出填芯棒( 约1 0m i n 后 树脂呈黏稠状) 一大气中固化成型。 完成组装后的模具见图2 。 图2 完成组装后的模具 F i g 2 M o u l du s e di nv a c u u ma s s i s t e dr e s i ni n f u s i o n 2 实验分析 2 1 树脂胶液配制质量计算 玻璃纤维和基体8 5 4 标准型环氧乙烯基酯树脂 都比较稳定，计算复合材料板材体积时不需考虑它 们之
15、间的反应对总体积、总质量的影响。故得出： K = 吩+ k + K ( 1 ) w c = 职+ 既 ( 2 ) 其中：K 、K 、k 、K 分别为复合材料板材的体积、玻 璃纤维的体积、树脂胶液的体积和空芯部分的体积； 耽、职、矾分别为复合材料板材的质量、玻璃纤维 的质量、树脂胶液的质量。 已知8 5 4 标准型环氧乙烯基酯树脂的密度P 酯为 1 0 5g c m 3 ，1 0 M E K P 的密度l D M E K P 为1 0g c m 3 ，1 C o b a l t 的密度1 0 。为0 8 5g c m 3 ，环氧乙烯基酯树脂与 M E K P 和C o b a l t 固化系统的
16、质量比为1 0 0 ：1 5 ：2 ，此 外，在混合过程中体积改变较小，因此假设混合树脂 胶液体积不变，通过计算公式可求得树脂胶液的 密度： 吸 P m 2 万2 1 0 3 s 丽磊石筹寒等丽( 3 ) 在成型过程中，可通过公式计算所需树脂胶液的质 量既。 a b h ：肌- j + 旦+ K( 4 ) = + 旦+ K( ) p jp m 式中：n ，b ，h 分别为织物经向长度、纬向长度、织物 厚度；所，1 0 。分别为玻璃纤维的密度、树脂胶液的密 度。其中口、b 、h 通过取3 次实际测量数值的平均 值得到，K 根据设计的不同夹芯孔形计算得出，综 上由式( 3 ) 、( 4 ) 可以得
17、出既，再根据环氧乙烯基酯 树脂与M E K P 和C o b a l t 固化系统的质量比即可求得 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 8 纺织学报第2 8 卷 树脂胶液的配比质量。2 0 时此树脂的黏度基本 上在0 3 5P a s 左右，能较好地满足织物对树脂体系 的黏度要求。 2 2 复合板材空隙率的测定 2 2 1 复合板材实际密度p 。的测定 测试参照标准为G B1 4 6 3 - - 1 9 8 3 ，室温，试样在 水中，表面不应附有气
18、泡，且在水中时间不超过 lm i n 。 测试方法：从制成的复合材料上切割测试所需 试样，每组3 个，用天平称得试样在空气中的质量， 记为M 。，复合板材浸入水后的排水量记为。 P 。= M 。 2 2 2 复合板材空隙率的计算 根据复合材料的密度和纤维质量分数，可以计 算复合材料的空隙率：V o ：1 一1 0 。f 丝+ 兰生1 ，式中 p fp n | 丌厂 纤维的质量分数坼= 耐t v f 1 0 0 ，树脂的质量分数 。 W 。 帆= ( 1 一坼) 1 0 0 ，P 。为复合材料的实测密度， P ，为玻璃纤维密度，P 。为树脂胶液密度b 1 。 2 3 板材参数的计算 忽略玻璃纤维
19、和树脂胶液反应对体积和质量的 影响，将长宽相同的复合板材剥离后进行比较，复合 板材各个参数由表1 列出。 表1 试样板材参数 T a b 1 P a r a m e t e r so fc o m p o 西t e 3 真空辅助成型板材制作中的气泡 在真空辅助工艺中，一般存在2 种尺度的树脂 流动：一种是纤维束之间空隙中的相对宏观流动；另 一种是存在于单丝内部的流动。对于不同结构的增 强体材料，产生气泡的形式也不相同。本文大多结 构的结构单元都采用舒单元体，对此可取出如图3 所示的基本单元来分析气泡在三维机织物经向切面 内的形成机制。在这个模型中，清楚地显示了树脂 胶液在经向纤维束间及纤维束内
20、2 种不同通道内的 流动区域、流动前缘及遇纬向纤维束时的流动情况。 真空辅助成型工艺是一个高速注射过程，在这 一过程中，纤维束间的大气泡基本无法产生，但会出 现纤维束内部形成微气泡及由此造成缺胶的现 象。其产生原因是：1 ) 在高速灌注过程中由于表 面张力的作用，纤维束内的胶液流动滞后于纤维束 间的胶液流动，当纤维束间的流动前缘与横向纤维 束相遇时，瞬时引发沿横向和轴向纤维束2 种方向 的流动，当这2 种流动汇合时，若轴向纤维束内的树 脂仍未达到或超过横向纤维束，那么横向流动的液 体会封闭气体通道，即形成气泡，这种气泡较小可称 为微气泡；2 ) 当树脂通过纤维束间的流动注满模腔 后，纤维束内部
21、树脂仍未能完全浸透纤维，因此造成 树脂胶液渗 透方向 树脂胶液流动前缘 不同通遭胶液流动交错区 图3 气泡形成模型 F i g 3 M o d e lo ff o r m i n ga i rv o i d s 纤维束内缺胶现象。当缺胶现象发生时，会产生一 些泡沫状气泡，这种泡沫现象只存在于靠近流动前 缘的位置。 如果在胶液刚刚充满模腔时立即停止注射，则 这些气泡及缺胶等现象会固定在纤维束中。本文采 用的方法是在胶液充满模腔后再持续5m i n 左右的 同压强下的灌注，就会继续迫使纤维束内的气泡从 其间排除。随着压力的升高，起初会有一些相对较 大的气泡排出，之后，会继续有大量小气泡排出。 表1
22、 中复合板材的空隙率值越小说明气泡排出效果 越好。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期 祝成炎等：三维整体夹芯织物增强复合材料的研制 5 9 4 复合板材分析 4 1 复合板材力学性能测试 采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的R G M 2 0 0 A 型微机控制电子万能试验机进行准静态冲击 测试。测试速度设置为4m m m i n ，温度2 0 ，湿度 5 0 。根据A S T MD5 6 2 8 - - 1 9 9 6 标准，用于这种测 试
23、装置的样品为正方形，在此次实验中，采用尺寸为 6 0m i l l 6 0m m 的试样。图4 为准静态穿透冲击下 载荷与位移曲线。 由图4 看出试样3 的力学性能优于试样1 、2 ，因 为它的结构平整度在这3 种空芯结构中是最好的， 其夹芯结构呈椭圆形，这使中间层有较好的抗弯性， 当最上层板处于受力阶段的后半段时，中间层给予 了支持。此外，结合表1 和图4 可知试样3 的空隙 率最低而力学性能最好，这表明复合材料的空隙率 越小，则材料的力学性能越好。 ( a ) 经向V 形 Z 、 椽 柩 位移l l n n 图4 准静态穿透冲击F 载荷与位移曲线图 F i g 4L o a d d i s
24、 p l a c e m e n tc u r v ed u r i n gp e r s u d o s t a t i ci m p a c t 4 2 复合板材结构效果分析 图5 为复合成型后试样板材的经向截面照片， 与图1 所示的整体夹芯结构对比可以看出，复合材 料板材中的夹芯结构与夹芯织物一致，二者在夹芯 孔形结构和尺寸方面均较接近。 ( b ) 经向x 形( c ) 经向蜂窝形 图5 试样板材经向截面照片 F i g 5W a r pc r o s ss e c t i o no fc o m p o s i t e s ( a ) Vh o l l o w ；( b ) Xh o
25、 l l o w ；( c ) H o n e y c o m bh o l l o w 5 结论 本文采用真空辅助成型工艺对三维整体夹芯织 物进行树脂灌注复合成型。研究表明这种方法可以 研制具有不同夹芯结构的复合材料，且所研制复合 材料板材的孔形结构与夹芯织物预成型体的孔形结 构相近，达到预期的效果。同时采用该方法制成的 复合材料具有纤维质量分数高，制件结构整体性好， 空隙率低，力学性能好等优点。黼 参考文献： 1 王源，姜从典R T M 工艺成形三维复合材料树脂体系 的研究 J 材料工程，1 9 9 6 ( 3 ) ：2 0 2 2 H o s u rMV ，A b d u l l a h
26、M ，j e e l a n iS M a n u f a c t u r i n ga n d l o w v e l o c i t yi m p a c tc h a r a c t e r i z a t i o no ff o a mf i l l e d3 - D i n t e g r a t e d c o r es a n d w i c h c o m p o s i t e s w i t h h y b r i d f a c e s h e e t s I J j C o m p o s i t eS t r u c t u r e s ，2 0 0 5 ，6 9 ：
27、1 6 7 1 8 1 祝成炎3 D 立体机织物及其复合材料 J 丝绸，2 0 0 5 ( 1 ) ：4 4 4 7 祝成炎，申小宏，李艳清，等组合式3 D 机织增强复合 材料树脂渗透性 J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 4 ) ：2 1 2 3 王静，三维机织热塑复合材料空隙率的测定及研 究 J 现代纺织技术，2 0 0 5 ( 3 ) ：4 6 赵渠森材料与工艺在“买得起的复合材料”中的作 用 J 航空制造技术，2 0 0 0 ( 6 ) ：4 7 5 1 j 11j 2 3 4 5 6 r L rrl 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark