三维间隔织物复合材料弯曲性能研究*

沈浩清 曹海建 黄晓梅 陈红霞 刘 洋

1. 南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019;2. 南通大学分析测试中心，江苏 南通 226019

三维间隔织物复合材料弯曲性能研究*

沈浩清1曹海建1黄晓梅1陈红霞2刘 洋1

1. 南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019;2. 南通大学分析测试中心，江苏 南通 226019

将树脂基体与三维间隔织物进行复合制成三维间隔织物复合材料。利用Instron 5969H型万能材料试验机对不同间隔高度的三维间隔织物复合材料进行弯曲性能测试，重点分析间隔高度与其弯曲性能的相关性。结果表明：三维间隔织物复合材料的弯曲性能与间隔高度呈负相关；三维间隔织物复合材料的纬向弯曲性能明显好于经向。

三维间隔织物复合材料，环氧树脂，固化剂，弯曲性能，间隔高度

以玻璃纤维、环氧树脂为原料制成的三维间隔织物复合材料具有质轻、高强、高模、抗冲击、耐腐蚀、隔声、隔热等特性，可作为蜂窝、泡沫等夹层结构材料的替代品，在交通、汽车、建筑、船舶等领域已得到广泛的应用[1]。

三维间隔织物复合材料最早由荷兰Parabeam公司于20世纪90年代末研发成功并产业化。目前，国内外学者对该结构材料已进行了许多研究。比利时鲁汶大学最早开展了相关研究，开发出类似的织物增强体，并进行了部分性能对比试验及数值模拟研究[2-4]；曹海建等[5]对三维间隔织物复合材料进行了低速冲击性能测试，研究结果表明低速冲击过程中的初始损伤能量可用来表征材料的破坏程度，铝蒙皮有利于增强材料的抗低速冲击性能；王绍凯等[6]研究了芯材间距与三维间隔织物复合材料力学性能之间的相关性；PARK等[7]研究了不同芯材高度对三维间隔织物复合材料低速冲击性能的影响规律；HOSUR等[8]研究了三维间隔织物复合材料的复合工艺，重点分析了面板材质与材料低速冲击性能的相关性；LI等[9]研究了芯材密度和芯材结构对三维间隔织物复合材料力学性能的影响。

本文拟采用手糊成型工艺分别制备间隔高度为5和10 mm的三维间隔织物复合材料，研究三维间隔织物复合材料的弯曲特性和弯曲性能，重点分析间隔高度对弯曲性能的影响。

1 复合材料制备

1.1 原料与设备

三维间隔织物：纤维原料为1 200 tex的无碱玻纤纱，织物间隔高度为5和10 mm，由南京玻璃纤维研究设计院提供。

树脂基体：由环氧树脂E51(南通星辰合成材料有限公司)与固化剂H023(无锡仁泽化工产品有限公司)按 4.0︰1.0 的质量比配制并经充分搅拌而成。另外，试验根据树脂基体与三维间隔织物1.2︰1.0的质量比来确定树脂基体的用量。

主要设备： Instron 5969H型万能材料试验机(美国Instron公司)、101A-4S型电热鼓风干燥箱(南京沃尔科技有限公司)等。

1.2 复合成型工艺

三维间隔织物复合材料成型工艺：

第一步，将30 cm×30 cm的玻璃板水平放置于桌面上，并在玻璃板上方盖上33 cm×33 cm的聚酰亚胺薄膜，如图1(a)所示；

第二步，将调配好的树脂基体的1/5倾倒于聚酰亚胺薄膜上表面，并利用玻璃棒将树脂基体涂抹均匀，如图1(b)所示；

第三步，在聚酰亚胺薄膜上表面放置三维间隔织物，并将剩余的4/5的树脂基体倾倒于三维间隔织物上表面，再利用玻璃棒将树脂基体涂抹均匀，如图1(c)所示；

第四步，在三维间隔织物的4个角放置等同于织物高度的铁制垫子，并在三维间隔织物上表面盖上同等规格的聚酰亚胺薄膜，最后再将同等规格的玻璃板覆盖在最上方，如图1(d)所示；

第五步，将上述涂覆好树脂基体的三维间隔织物连同玻璃板一同放入烘箱，设置烘箱温度75 ℃、烘干时间3 h；3 h后取出样品，冷却后除去玻璃板和聚酰亚胺薄膜，即得三维间隔织物复合材料，如图1(e)所示。

图1 三维间隔织物复合材料成型工艺

2 性能测试

参照GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能测试方法》[10]，分别制备测试用经向弯曲试样和纬向弯曲试样。试样尺寸为170 mm×60 mm，弯曲跨度为130 mm，测试速度为5 mm/min。具体测试如图2所示。

图2 三维间隔织物复合材料弯曲性能测试

使用相机对三维间隔织物复合材料的弯曲破坏形貌进行记录。

根据式(1)计算三维间隔织物复合材料的弯曲强度：

(1)

式中：σf——弯曲强度，MPa；

P——破坏载荷，N；

l——下夹头跨距，mm；

b——材料宽度，mm；

h——材料厚度，mm；

tf——材料面板厚度，mm。

3 结果与分析

3.1 弯曲特性

以间隔高度为10 mm的三维间隔织物复合材料为例(图3)，其弯曲特性：

首先，在测试的初始阶段，弯曲载荷随位移的增加而呈线性增加趋势，此时试样的上表面会出现发白现象，有小部分的树脂开裂及碎屑脱落，并伴随断断续续的树脂破裂声；

其次，随着测试的进行，弯曲载荷逐步增大，此时试样的上表面出现断裂，芯材塌陷，下表面树脂破裂，纤维也逐渐被拉断，过程中还伴随着较大的纤维断裂声；

最后，随着测试的继续进行，Instron 5969H型万能材料试验机的上压头与试样上表面接触处的纤维断裂、树脂破裂，试样下表面的纤维和树脂也陆续被破坏，弯曲应力达到最大；随后弯曲应力急速减小，弯曲载荷-位移曲线急速下降，三维间隔织物复合材料完全被破坏[图3(b)]。

图3 三维间隔织物复合材料弯曲特性

3.2 弯曲性能

经测试，所得三维间隔织物复合材料的弯曲性能如图4所示。

图4 三维间隔织物复合材料的弯曲性能

3.2.1 间隔高度与弯曲性能的相关性

由图4可知，三维间隔织物复合材料的弯曲强度随着间隔高度的增加而下降。间隔高度为5 mm时，材料经向弯曲强度为31.476 MPa，纬向为38.177 MPa；间隔高度为10 mm时，材料经向弯曲强度为 8.402 MPa，纬向为14.103 MPa。这主要是由三维间隔织物的结构决定的。三维间隔织物中芯材呈“8”字形，当间隔高度较小(如5 mm)时，组成“8”字形的2根经纱在树脂基体的作用下紧密贴合在一起，形成了1根较粗的芯柱，此时三维间隔织物复合材料弯曲强度较大；当间隔高度较大(如10 mm)时，组成“8”字形的2根经纱在树脂基体的作用下主要呈细弯杆状，此时芯材容易失稳，因此弯曲强度下降明显[11]。

3.2.2 材料经纬向弯曲性能

由图4可知，三维间隔织物复合材料纬向弯曲强度明显大于经向。间隔高度为5 mm时，材料纬向弯曲强度为38.177 MPa，经向为31.476 MPa；间隔高度为10 mm时，材料纬向弯曲强度为14.103 MPa，经向为8.402 MPa。究其原因在于，三维间隔织物中经向纱线呈弯曲状态、纬向纱线呈直线状态，故三维间隔织物复合材料的纬向弯曲强度明显大于经向[11]。

4 结论

(1) 三维间隔织物复合材料的弯曲破坏形貌主要表现为上下表面纤维断裂、树脂破碎、芯材塌陷等。

(2) 三维间隔织物复合材料的弯曲强度随着间隔高度的增加而下降。

(3) 三维间隔织物复合材料的纬向弯曲强度明显大于经向。

[1] 陈绍芳,伯燕,雷励.间隔织物的生产与应用[J].上海纺织科技,2011,39(10):42-43.

[2] SHYR T W, PAN Y H. Low velocity impact responses of hollow core sandwich laminate and interply hybrid laminate[J]. Composite Structures, 2004, 64(2):189-198.

[3] DRECHSLER K,BRANDT J,ARENDTS F J.Integrally woven sandwich-structures[C]∥Proc ECCM-3.Bordeaux,Elsevier Applied Science,1989： 365-371.

[4] VUURE A W V, IVENS J A, VERPOEST I. Sandwich-fabric panels[C]//Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium and Exhibition, 1995:1281-1292.

[5] 曹海建,钱坤,魏取福,等.三维整体中空复合材料低速冲击性能[J].纺织学报,2009,30(10):70-74.

[6] 王绍凯,李敏,吴伯明,等.三维间隔连体织物复合材料的力学性能分析[C]//第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)，2008.

[7] PARK S J, PARK W B, LEE J R．Characterization of the impact properties of three-dimensional glass fabric-reinforced vinyl ester matrix composites[J].Journal of Materials Science, 2000, 35(24): 6151-6154.[8] HOSUR M V, ABDULLAH M, JEELANI S. Manufacturing and low-velocity impact characterization of hollow integrated core sandwich composites with hybrid face sheets[J]. Composite Structures, 2004, 65(1):103-115.

[9] LI M, WANG S K, ZHANG Z,et al. Effect of structure on the mechanical behaviors of three-dimensional spacer fabric composites[J]. Applied Composite Materials, 2009, 16(1): 1-14.

[10] 全国纤维增强塑料标准化技术委员会.纤维增强塑料拉伸性能试验方法：GB/T 1447—2005[S].北京:中国标准出版社,2005.

[11] 高爱君,李敏,王绍凯,等.三维间隔连体织物复合材料力学性能[J].复合材料学报,2008,25(2): 87-93.

Study on bending properties of three-dimensional spacer fabric composites

ShenHaoqing1,CaoHaijian1,HuangXiaomei1,ChenHongxia2,LiuYang1

1. School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China；2. Analysis & Testing Center, Nantong University, Nantong 226019, China

The three-dimensional spacer fabric composites (3D composites) were compounded with the resin system and the three-dimensional spacer fabrics (3D fabrics). Bending properties of the 3D composites with different spacer height were tested by using the Instron 5969H universal material testing machine, and the relationship between spacer height and bending properties was emphatically analyzed. The results showed that the relationship between spacer height and bending properties was negative, and bending properties in weft direction were obviously better than those in warp.

three-dimensional spacer fabric composite, epoxy resin, curing agent, bending property, spacer height

*江苏省政策引导类计划(BY2016053-02)；江苏省高校自然科学研究项目(16KJA430009、16KJB540001)；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(201610304027Z)；南通市应用基础研究——工业(GY12015018)；南通大学引进人才科研启动费项目(15R08)

2016-10-29

沈浩清，男，1994年生，在读本科生，研究方向为纺织复合材料的开发与制备

曹海建，E-mail:caohaijian@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)11-0006-04