组合式3D机织物复合材料的拉伸性能.pdf

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1、第2 6 卷第5 期 2 0 0 5 年1 0 月 纺织学报 J 0 u m a lo f1 k x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 5 0 c t 2 0 0 5 组合式3 D 机织物复合材料的拉伸性能 祝成炎，高祯云，朱俊萍 ( 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 ) 摘要采用正交和角联锁结构进行组合设计，并使用玻璃纤维试织了2 种不同结构的组合式3 D 立体机织物，经 与树脂复合制成增强复合材料，对其拉伸性能进行了测试。结果表明，组合式3 D 机织物增强复合材料具有接近正 交3 D 机织物增强复合材

2、料的弹性模量和抗拉强度。 关键词组合式3 D 机织物；织物结构；复合材料；拉伸性能 中图分类号：髑1 0 6 6 8文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 5 0 0 1 4 0 3 T e n s i l es t r e n g t l lp r o p e r 哆o fc o m b i n a t i o n a l3 Dw o V e nc o m p o s i t e s Z H UC h e n g - y a n ，G A OZ h e n y u n ，Z H UJ u n - p i n g ( 死e 研蹦o m 幻叮旷A 幽口

3、，耽d7 缸t 如肘口把砌三s 口列肘o n z 如c 咖 肋z D g y ，埘n 蠡打y 盯E 矗址c m i 帆， z 她洳n g i 唧s 渺o ，如舭口，l d _ I l ，| 0 妞y ，醌愕z b “，z 比洳n g3 1 0 0 1 8 ，饥i M ) A b s t r a c tC o m b i n a t i o n a ld e s 培n sw e r ep e r f b m e db yu s i n go r t l l 0 9 0 I l a la I l da n g u l a r i n t e d o c k e ds t m c t u r e s

4、 ，a n dt w ok i n d so f3 D w o v e n 劬r i cw i t hd 虢r e n ts t m c t u r e sw e r ew o v e na c c o r d i n g l yw i n lg l a s sf i b e r so nt 1 1 et r i a lb a s i s ，1 1 l e 址r i c sw e r et l e nr e i n f b r c e d w i t l lr e s i na n dt h et e n s i l es t r e n g 山p m p e r t yo ft l l er

5、 e s u l t a n tc o m p o s i t e sw 鹊t e s t e d T h er e s I l l t ss h o wt l l a tt l l eY o u n g sm o d u l u sa J l d t e n s j l es t r e n 殍ho ft h ec o m b i n a t i o n a l3 Dw o v e nf a b cr e i n f o r c e dc 伽p o s i t ea r ec l o s et ot h a to ft h e3 Do n b o g o n a lw o v e n 胁r

6、i c r e i n f o r c e dc o m p o s i t e 1 【e yw o r d s c o m b i n a t i o n a l3 Dw o v e nf a b r i c s ；f a b d c ss t m c t u r e ；c o m p o s i t e s ；t e n s i ks t r e n 昏h 3 D 机织物结构的多样性使其增强复合材料性 能具有可设计性，所以受到复合材料界的广泛关注。 3 D 机织物根据经纱的取向不同，主要有正交和角联 锁2 种结构。许多研究u q l 表明，正交结构中纱线 呈直线状排列，使其增强复合材料具有

7、较高的拉伸 性能，但与角联锁结构相比具有较低的层间连接强 度，因角联锁结构的所有经纱在层问穿插连接。不 过，角联锁结构增强复合材料具有较差的拉伸性能。 不同结构的3 D 机织物复合材料之间的性能是 相互制约的，某一性能优越是以其它性能的损失为 代价的，正如正交和角联锁结构增强复合材料的性 能具有同样明显的优点和缺点。本文试图结合这2 种结构的各自优点，采用组合的方式设计、试制了2 种3 D 机织物，并探讨其复合材料拉伸性能的变化。 l组合式3 D 机织物结构设计 如图1 ( a ) ，( b ) 所示的结构分别为典型的角联 锁和正交3 D 机织结构，图1 ( c ) ，( d ) 所示的结构为

8、 结合角联锁和正交结构而形成的组合式结构。 图1 中的点、线分别代表纬纱、经纱，并定义纬 瓣茎：瓣兰： 经纱 纬纱 图l3 D 机织物结构 纱 纱 纱层数为织物层数。为了描述方便，用S 1 、s 2 、s 3 和 s 4 分别表示图1 ( a ) ，( b ) ，( c ) 和( d ) 4 种结构。S 3 结 构可称为“内接正交”，因为中间3 层采用了正交结 构，分别从结构的上4 层和下4 层来看，使用2 根经 纱( 接结经) 通过角联锁结构连接，使5 层纬纱连接 成整体；s 4 结构可称为“层接正交”( 正交层接) ，从 S 4 结构的上3 层或下3 层可见，织物结构采用正交 结构设计，使

9、用4 根经纱通过角联锁结构连接使织 作者简介：祝成炎( 1 9 6 2 一) ，男，教授，硕士。主要从事3 D 织造技术与纺织复合材料、纺织工程技术、纺织c A D 等的教学和科研。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第5 期纺织学报 【1 5 】 物结构成为一体。 2实验部分 2 1 原材料 选用杭州玻璃集团公司生产的规格为24 0 0t e x 的无碱玻璃纤维，江苏吴江学联树脂厂生产的雪鹅 牌6 1 0 1 环氧树脂作基体，浙江

10、永在化工有限公司生 产的永生牌6 5 0 聚酰胺作固化剂。 2 2 实验设备 H K v 1 5 1 型花式捻丝机、G U l 0 1 A 型试样织机、 x L B D Q 4 5 0 5 0 0 1 z 型0 5 M N 电热模压成型机、 R G M 2 0 0 A 型电子万能材料试验机。 2 3 机织物预制件 3 D 机织物一般采用多经方法织造1 ，可在稍加 改造的普通织机上织制出如图1 所示的4 种结构。 为了避免纤维在织造过程中损伤，在织造前采用锦 纶长丝包覆玻璃纤维长丝束。织物所用经纱和纬纱 均为2 24 0 0t e x 玻璃纤维+ 1 5 6d t e 】【，4 8f 锦纶6 (

11、 外 包) 。织物规格如表1 所示。 表1 3 D 机织物规格 2 4 成型工艺 树脂胶液以6 1 0 1 环氧树脂与6 5 0 聚酰胺的质 量比为1 ：0 8 混配，加入少量丙酮作稀释剂，使胶液 粘度范围控制在0 2 0 8P a s 之间，以便能渗透到 织物内部。采用模压成型工艺，在1 0 0 温度下固 化3h ，将固化好的复合材料脱模后，常温下放置 1 周，再进行性能测试。s 1 ，s 2 ，S 3 ，S 4 这4 种3 D 机 织物复合材料的纤维体积含量分别为4 7 3 ， 4 8 5 ，5 1 6 ，5 3 7 。 2 5 拉伸测试 从复合板材切割5 个2 5 0m m 2 5m m

12、 ( 长宽) 试样，并在试样端部用环氧树脂粘贴加强片( 铝片) ， 以防止在拉伸过程中试样打滑以及在拉伸试样的夹 头处断裂。按G B T1 4 4 7 8 2 测试方法，使用R G M 一 2 0 0 A 型电子万能材料试验机测试复合材料板的纵 向( 织物经向) 拉伸性能，在标距1 0 0m m ，拉伸速率 为5m 耐r I l i n ，室温下进行拉伸实验。测试结果取5 次测试结果的平均值。 3 结果与讨论 3 1 弹性模量的比较 弹性模量表征材料对弹性变形的抗力，在弹性 阶段内，应力和应变成正比，模量值越大，则在相同 应力下产生的弹性变形就愈小。由于经纱具有不同 的屈曲程度，当复合材料在弹

13、性阶段内受力时，屈曲 程度小的经纱先受力，而屈曲程度大的经纱不完全 受力或受力较小，出现了经纱受力不均的现象。 图2 为复合材料拉伸断口的形貌( 使用M o t i cK 1 3 0 0 型体视显微镜在1 0 0 倍下拍摄) ，断口并不整齐，反 映了材料在拉伸过程中存在经纱受力不均现象。 图2 复合材料拉伸断口的形貌 通过比较表2 中4 种3 D 机织增强复合材料的 弹性模量可知，材料的弹性模量从大到小依次为： s 2 、S 4 、s 3 和s l 。S 4 的弹性模量比s 2 低了2 1 3 3 ， 但比s 1 高了3 8 4 l ；s 3 的弹性模量虽介于s 1 与 s 2 之间，但比S

14、4 低了1 1 1 6 。 表2 复合材料弹性模量及抗拉强度的比较 3 2 体积含量对抗拉强度的影响 通过比较表2 中4 种3 D 机织物增强复合材料 最大抗拉强度，可明显地看出，S 4 的最大抗拉强度 值最大，而且S 2 、s 3 和S 4 的最大抗拉强度值远大于 s 1 。S 4 的最大抗拉强度值比s 2 高出了4 2 9 ，由 于4 种复合材料中纤维的体积含量不同，还不能直 接由此得出S 4 织物结构的增强效果最好。为此将 表2 的最大抗拉强度结果折算成单位纤维体积含量 的材料抗拉强度，如表2 所示。可见，S 4 和s 3 的单 位纤维体积含量抗拉强度比S 2 分别低了5 8 6 和 1

15、 5 1 2 ，而比s 1 却高出了3 9 1 1 和2 5 4 l 。可 ( 下转第1 9 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第5 期纺织学报【1 9 】 2 4 电镜照片表征 为了观察聚酯膜在经过丙烯酸微波低温等离子 体处理之后表面形态的变化，拍摄了电镜照片，如 图5 所示。从图5 看出，未经丙烯酸微波低温等离 子体处理的膜表面结构光滑，而经丙烯酸微波低温 等离子体处理后的膜表面形成了明显的刻蚀痕迹。 研究表明，微波低温等

16、离子体对薄膜的作用一个是 表面刻蚀，另一个是在薄膜表面引入自由基。在处 理之初，以后者为主，但随着时间的延长，表面刻蚀 作用逐渐占据主导地位，从而使其表面出现各种不 规则形态，由平整光滑变得凸凹不平，即粗糙化作 用。通过以上分析可以证明丙烯酸微波低温等离子 体对聚酯膜是有作用的b - 。 应的最佳条件为：1 0 0P a ，7 0w ，1 5m i n 。 2 ) 水洗对丙烯酸接枝涤纶织物是有影响的，使 丙烯酸的接枝率下降，经丙烯酸微波低温等离子体 处理后的涤纶织物水洗后虽有部分丙烯酸脱落，但 已接上去的丙烯酸是不易脱落的。 3 ) 聚酯膜经丙烯酸微波低温等离子体处理后， 表面被刻蚀产生自由基

17、，从电镜照片观察，可以得出 丙烯酸微波低温等离子体对聚酯膜是有作用的。 4 ) 丙烯酸接枝后的聚酯膜通过红外谱图表征后 可知有一c O O H 中的一O H 的特征吸收峰存在，说 明有丙烯酸接枝到聚酯膜上，同时也说明直接用丙 烯酸微波低温等离子体处理P E T 是可以接上丙烯 酸的，从而证明了将丙烯酸气体的微波低温等离子 体直接作用于材料对其进行表面改性是可行的。 参考文献： 1 王秀玲译通过高能辐射接枝技术、提高聚丙烯纤维的可染性 J 】印染译丛，1 9 9 8 ，( 5 ) ：7 9 8 8 2 陈杰珞低温等离子体化学及其应用 M 北京：科学出版社， 2 0 0 1 1 6 1 9 ( a

18、 ) 处理前( b ) 处理后 3 金成穰染整工艺实验 M 北京：纺织工业出版社，1 9 8 7 2 4 3 图5 聚酯膜处理前后电镜照片 4 王雪良译以等离子体接枝处理为中心的涤纶织物表面变性 3结论 J 印染译丛，1 9 9 5 ，( 1 ) ：6 3 7 4 5 王雪燕，陈杰珞，谢光强低温等离子体接枝聚合用于涤纶织 1 ) 丙烯酸微波低温等离子体引发P E T 接枝反 物改性 J 印染，1 9 9 7 ，2 3 ( 3 ) ：5 一1 1 ( 上接第1 5 页) 见，s 4 具有s 2 同样优越的抗拉性能，而s 3 稍逊于 s 2 ，但比s 1 的抗拉强度提高不少。 因此，s 4 具有较

19、高的弹性模量和抗拉强度，与 s 2 最为接近，而S 3 的拉伸性能虽没有S 4 那样优越， 但比s 1 的弹性模量和抗拉强度提高不少。 4 结论 结果表明，所设计试制成的2 种组合式3 D 机织 物，层接正交结构增强复合材料具有接近正交结构 增强复合材料拉伸性能的优点，内接正交结构增强 复合材料的拉伸性能稍逊于层接正交结构，但明显 高于角联锁结构增强复合材料的拉伸性能。 参考文献： 1 汪蔚，祝成炎玻璃纤维3 D 机织物增强复合材料板材的研制 与其拉伸性能研究 J 浙江工程学院学报，2 0 0 2 ，1 9 ( 3 ) ：1 4 5 一 1 4 8 2 H u 彻gG u ，z h o n g

20、Z h i l i T e n s i l eb e h a 、r i o ro f3 D 啪v e nc o m p o s i t b y u s i “gd i f f b r e n tf 址而cs t m c t u r e s J M a t e r i a l 8 蚰dD e s i g n ，2 ( ) 0 2 ，2 3 ( 7 ) ：6 7 l 一6 7 4 3 c a l l u 鲫PJ ，M o u I i t 翻AP T e n s i l ep r o p e r t i e s 蚰df a i l u I em e c h a I l i 咖s o f3 Dw o

21、v e nG R Pc o m p o s i t e s J 】c o m p o s i t e s ：P a r tA ，1 9 9 9 ，3 0 ( 1 1 ) ： 1 2 7 7 1 2 8 7 4 c h o us ，H ec h e n ew e a v i I l gm e t h o d s0 ft h r e e d i m e m i 佃8 l 鼬i c s 0 fa d v a n c e dc o I r l p o s i t er I l a t e r i a l s J c o l I I p o s i t es t m c t u 弛s ，1 9 9 5 ，3 3 ( 3 ) ：1 5 0 1 7 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark