玻璃纤维多轴向经编复合材料的制备及拉伸性能研究

张丽哲

(南通大学纺织服装学院，南通，226019)

玻璃纤维多轴向经编复合材料的制备及拉伸性能研究

张丽哲

(南通大学纺织服装学院，南通，226019)

以环氧树脂为基体，分别以玻璃纤维多轴向经编针织物和玻璃纤维机织物作为增强材料，通过手糊法制备复合材料，并通过试验对比研究两种复合材料的拉伸性能。结果表明，经编复合材料沿各个轴向的拉伸强度比复合前多轴向经编针织物及机织复合材料的强度均有明显提高，增幅均在50%以上，说明多轴向经编复合材料具有更优异的力学性能。这为进一步扩大玻璃纤维多轴向经编复合材料的应用领域提供了有力证据。

玻璃纤维，多轴向经编复合材料，机织复合材料，拉伸性能

纤维增强复合材料是由纤维材料与基体材料按一定工艺复合形成的高性能新型材料，由于其具有单一材料所无法比拟的优良性能，近年来被广泛应用于国防军事、航空航天、道路交通、民用建筑等高新技术产业及量大面广的民用领域。纤维增强复合材料主要包括纤维增强材料和基体材料。近年来增强材料已从早期使用的长丝逐渐发展为各种织物。轴向经编织物由于采用独特的预定向编织技术织造而成，使织物中每一个组成部分的性能都能得到合理的应用，特别是沿织物的各个轴向，其拉伸性能与传统的增强材料相比有较大的提高[1]。因此，近年来国内外对多轴向经编复合材料的研究和应用发展非常快[2-5]。

本文以环氧树脂为基体，分别以E-玻璃纤维多轴向经编针织物和E-玻璃纤维机织物作为增强材料，通过手糊成型法制得复合材料，并对两种复合材料的拉伸性能进行测试，通过对比试验结果分析两种复合材料的力学性能。

1 复合材料的制备

1.1 试验原材料

本试验所使用的复合材料增强体为E-玻璃纤维多轴向经编针织物和E-玻璃纤维机织物，由常州宏发土工复合材料工程有限公司提供。其中，多轴向经编针织物为三轴向(0°、±45°)玻纤布，轴向纱线采用普通无捻无碱E-玻璃纤维，束缚纱采用涤纶低弹丝，玻璃纤维机织物的经纱和纬纱均采用普通无捻无碱E-玻璃纤维。织物的具体参数如表1所示。

表1 玻璃纤维织物参数

复合材料基体材料选用环氧树脂，这种树脂具有固化收缩率低、固化压力低、黏结性好、成型产品力学性能良好等诸多特性，因此在纺织复合材料中应用较为广泛[6-7]。本试验选用双酚A型液态环氧树脂618#，以及活性稀释剂5748#、固化剂5769#和增塑剂5776#。树脂基体的配方参数如表2所示。

表2 树脂基体配方

1.2 复合材料制备工艺

复合材料成型工艺有多种，如手糊成型、喷射成型、真空袋压成型、热压罐成型等[8]。手糊成型法固化时无反应副产物放出，在常温常压下即可成型。综合考虑试验条件、试验设备等，采用手糊成型法制备复合材料。

树脂基复合材料制备过程如下[9]：

(1) 按所需糊制的平板尺寸在平台上放线，并清除线内杂质污物，在其上平铺一层尺寸略大于平板尺寸的聚酯薄膜，驱除气泡。

(2) 按配方配制树脂胶液，并分别沿增强材料的横列和纵行方向裁剪出一矩形平板，使其尺寸略大于所需平板的实际尺寸；将配制好的树脂均匀涂刷在聚酯薄膜上，将裁剪好的织物平整地铺敷其上，并用树脂将其完全浸透，驱除气泡，使含胶量均匀；在凝胶前用一层薄膜盖上，并驱除气泡，排尽多余树脂，待固化。

(3) 复合材料固化后，将聚酯薄膜除掉，按试验要求尺寸画线，将多余飞边修剪掉，去除毛刺，经检验合格后即可使用。

2 复合材料拉伸性能研究

2.1 拉伸性能试验

试验仪器：YT010-1000型土工布综合强力机；

试样尺寸：250 mm×25 mm；

夹距尺寸：150 mm；

每组试样数目：5块；

加载速度：5 mm/min；

试验环境：恒温恒湿。

2.2 试验结果与分析

为突出树脂基多轴向经编复合材料的拉伸性能，将多轴向经编复合材料三个方向(0°、±45°)的拉伸性能分别与多轴向经编针织物基体及玻璃纤维机织物进行了对比研究。根据拉伸性能试验方法的国家标准，复合材料拉伸应力或拉伸强度的计算公式为

(1)

式中：σt——拉伸强度(MPa)；F——拉伸载荷(N)；b——试样宽度(mm)；d——试样厚度(mm)。

2.2.1 玻璃纤维多轴向经编针织物复合前后拉伸性能的比较

对多轴向经编针织物与树脂基体复合前和复合后分别沿铺纬方向0°、 +45°、 -45°的拉伸性能进行测试，得出试验结果如图1所示。

图1 玻璃纤维多轴向经编针织物复合前后拉伸强度对比

从图1可以看出，经编复合材料的拉伸性能与复合前的多轴向经编针织物相比，沿0°、+45°、-45°三个方向的拉伸强度增幅分别为52%、 81%、 59%，拉伸性能提高明显。这是由于作为增强体的纤维材料完全浸入树脂基体中，其表面受基体保护而不易损伤，因此复合材料在受外力作用较小时，增强纤维不会发生断裂，从而提高了复合材料的承载能力。随着复合材料所受应力的增加，其中某些纤维会在薄弱横截面上发生断裂，使复合材料表面产生裂纹，而此时具有良好塑性和韧性的树脂基体可阻止裂纹进一步扩展。当复合材料所受外部载荷接近其极限值时，沿拉伸方向更多的纤维断裂，应力集中使基体产生裂纹直至破坏。由于纤维断裂时位置不一致，导致纤维从基体中拔出的长度不同，因此复合材料断裂时的断口不在同一平面上，这与试件的实际断裂形态一致。

另外，对比图1试验结果和表1数据可知，多轴向经编织物沿+45°和-45°方向的拉伸强度较为接近，而沿0°方向的拉伸强度明显高于±45°方向。这说明多轴向经编织物的单向拉伸性能与衬垫纱线方向无关，而主要取决于织物受载荷方向上衬垫纱线的线密度，增强纱线越粗，其拉伸强度越大，则该方向上织物的强力越大。此外，编织地组织使用的束缚纱的强力与玻璃纤维相比可忽略不计，但通过束缚纱对各层增强纱线的捆绑作用，可避免纱层间相互滑移，有助于提高织物的层间性能，从而提高织物的拉伸性能。

2.2.2 玻璃纤维多轴向经编复合材料与机织复合材料拉伸性能的比较

由于单层玻璃纤维机织物在厚度方向上比多轴向经编针织物要薄很多，为使两种结构的复合材料测试标准接近，试验时将6层玻璃纤维机织物叠合与树脂基体复合制成复合材料。同时，由于复合材料的纤维体积含量不同，无法准确衡量其力学性能的优劣。因此，这里引入了比强度的概念，即每种试样的强度除以各自的纤维体积含量，得到试样单位纤维体积含量的强度。

由于目前国内尚未出台有关纺织结构增强复合材料纤维体积含量的计算标准，因此本试验中复合材料的纤维体积含量主要通过理论计算得到，即利用增强织物的面密度计算试样中玻璃纤维的熔融体积，再除以复合材料试样的体积进行换算。计算公式为[10]

(2)

式中：G——织物的面密度(g/m2)；h——复合材料试样的厚度(mm)；ρ——玻璃纤维的体积密度(g/cm3)。

测试数据经计算处理后结果如图2所示。

图2 玻璃纤维多轴向经编复合材料与机织复合材料的拉伸强度对比

由图2可知，多轴向经编复合材料与机织复合材料相比，在其三个轴向方向上抗拉强度均提高50%以上。在0°方向，由于前者使用的是2 400 tex玻璃纤维，而后者采用6层叠加的68 tex玻璃纤维，所以前者强力明显高于后者。从组织结构上看，多轴向经编针织物中用于增强的玻璃纤维呈平直排列并相互叠加，与机织物中呈波浪形排列并相互交织的经纬纱相比，其取向度提高，并且由束缚纱将其捆绑在一起，能够共同承担外力作用，纱线的性能得到充分利用，从而避免了机织物中由经纬纱交织所产生的不稳定性，以及纱线潜能不能充分利用的缺陷。此外，多轴向经编复合材料与机织复合材料沿+45°和-45°方向的拉伸强度差异也较大，这是由于多轴向经编针织物在这两个方向均有衬垫纱线分担载荷，因此，多轴向经编复合材料较机织复合材料的抗拉强度有很大的提高。

3 结语

采用手糊法制备玻璃纤维多轴向经编复合材料和玻璃纤维机织复合材料，并对其拉伸强度进行对比分析，得出以下结论：

(1) 多轴向经编针织物与树脂基体复合后的拉伸强度明显高于复合前经编织物的强度，表明树脂基体与多轴向经编针织物具有良好的黏结强度，可显著提高复合材料的力学性能，这也扩大了多轴向经编复合材料的应用领域。

(2) 多轴向经编复合材料的拉伸强度明显高于机织复合材料，这不仅与多轴向经编针织物中衬垫纱的铺设方向有关，而且与织物的层数、纤维的体积含量、制作工艺等因素有关。因此，多轴向经编复合材料比机织复合材料具有更广泛的应用前景，可以适应各类产业用领域对纺织复合材料更高的要求。

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[3] 刘洪政，陈南梁.多轴向经编增强柔性复合材料的发展及应用[J].山东纺织科技，2007(1):53-56.

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[10]于光军.玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究[D].上海：东华大学，2007.

Research on preparation and tensile properties of composite reinforced with glass fiber multi-axial warp-knitted fabrics

ZhangLizhe

(School of Textile and Clothing, Nantong University)

With epoxy resin as the matrix, the composite materials, reinforced respectively with glass fiber multi-axial warp knitted fabric and woven fabric of glass fiber, were prepared by hand lay-up. The tensile properties of these two kinds of composite materials were studied by contrast experiment. The results show that the axial tensile strength of warp knitted fabric composites is significantly improved over 50% compared with multi-axial warp knitted fabric and woven fabric. This shows that multi-axial warp knitted composite material has more excellent mechanical properties, providing strong evidence for further expanding the application of glass fiber multi-axial warp knitted composite material.

glass fiber, multi-axial warp knitted composite material, woven composite, tensile property

2014-12-04

张丽哲，女，1982年生，副教授。研究方向为纺织新产品、新工艺开发。

TS186.1

A

1004-7093(2015)12-0018-04