三维管状编织复合材料的弯曲性能研究*

曹海建 陈红霞 黄晓梅

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

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究*

曹海建1陈红霞2黄晓梅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

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料，采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物；以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体，与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料；利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能，研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明：三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏；三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料；三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。

三维管状编织物，编织复合材料，编织结构，编织角，弯曲性能

三维管状编织复合材料是三维编织复合材料的一个分支，具有整体性、可设计性及轻质等优点，在航天航空、体育休闲、交通运输等领域应用广泛[1-3]。按照编织纱和轴纱的编织规律，三维编织复合材料可分为三维四向、三维五向和三维全五向等编织结构。其中，三维五向编织结构主要是通过在三维四向编织结构的空隙间沿轴向添加部分轴纱来实现的，这种结构可使编织复合材料的纤维体积含量和轴向力学性能得到很大程度的提高，使编织复合材料作为主承力结构件成为可能[4-5]。

陈利等[6]研究了三维五向编织结构材料的纵向拉伸和压缩性能，研究结果表明材料的拉伸模量和压缩模量比较接近，但拉伸强度远大于压缩强度；刘谦等[7]制备了三维编织复合材料，也研究了材料的弯曲和压缩性能，发现材料的压缩和弯曲性能与纤维和基体的界面性能关系密切；CHEN[8]、皮秀标[9]等建立了三维四向、三维五向等编织复合材料的单胞模型，并对复合材料的微观结构进行了研究；刘振国[10]提出可通过在三维四向编织结构的所有编织空隙中沿轴向添加轴纱来制备三维全五向编织复合材料，最大程度地提高编织复合材料的纤维体积含量和轴向力学性能。

本文以E型玻璃纤维为原料，采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物，并与树脂基体进行复合，制成三维管状编织复合材料；再利用Instron 3385H型万能材料试验机测试三维管状编织复合材料的弯曲性能，重点分析编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响。

1 试验

1.1 原材料与仪器设备

原材料：E型玻璃纤维，1 200 tex ，山东泰山玻璃纤维有限公司提供；环氧树脂E51、聚醚胺H023，无锡仁泽化工有限公司提供；脱模剂XTEND807，北京科拉斯科技有限公司提供。

仪器设备：3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台，北京柏瑞鼎科技有限公司提供；Instron 3385H型万能材料试验机，美国英斯特朗公司提供；RTM注射系统，法国Isojet公司提供；JA2003型电子精密天平，上海菁海仪器有限公司提供；101A -4S型电热鼓风干燥箱，南京沃环科技实业有限公司提供；S212型恒速搅拌器，上海申顺生物科技有限公司提供。

1.2 三维管状编织复合材料的制备

三维管状编织复合材料的制备工艺：

(1) 三维管状编织物的预处理。将三维管状编织物置于烘箱中加热烘干，待干燥后取出称重，备用。

(2) 模具表面清洁处理。利用浸有醋酸乙酯的洁净布擦试模具表面，去除模具表面残留的脱模剂和油污等杂质，并晾干。

(3) 置入模具。将三维管状编织物放置于模具中，并一起放入烘箱预热30 min，烘箱温度设置为40 ℃。

(4) 复合成型。采用真空辅助成型工艺，将配制好的树脂基体注入模具，待注塑完毕后切断树脂流动通道，密封模具的注塑口和树脂回流口。

(5) 三维管状编织复合材料的制备。树脂注入完成后，在烘箱中对浸渍有树脂基体的三维管状编织物进行加热固化，固化温度设置为80 ℃、时间为3 h；固化完成后取出模具，待模具冷却后脱模即得三维管状编织复合材料。

1.3 测试标准

三维管状编织复合材料的弯曲性能测试参考GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[11]。

三维管状编织复合材料试件测试示意如图1所示，其长度L为120 mm、外径h为28 mm、内径tf为24 mm、跨距l为90 mm，测试加载速度为2 mm/min。

图1 三点弯曲示意

1.3.1 弯曲强度

三维管状编织复合材料的弯曲强度可按式(1)进行计算：

(1)

式中：σf——弯曲强度，MPa；

P——弯曲破坏载荷，N。

1.3.2 弯曲弹性模量

三维管状编织复合材料的弯曲弹性模量可按式(2)进行计算：

(2)

式中：Ef——弯曲弹性模量，MPa；

ΔP——弯曲载荷-位移曲线上初始直线段的载荷增量，N；

b——试样宽度，mm；

ΔS——与载荷增量ΔP对应的跨距中点处的位移增量，mm。

三维管状编织复合材料试件的结构参数与弯曲性能测试结果归纳于表1。所得试件的弯曲载荷-位移曲线如图2所示，弯曲破坏形貌以3#试件为例(图3)。

表1 三维管状编织复合材料试件的结构参数与弯曲性能测试结果

试件编号编织角α/(°)纤维体积含量/%弯曲强度/MPa弯曲弹性模量/MPa1#(三维四向)4247199.72579.382#(三维四向)4549208.55594.473#(三维五向)4247210.76613.844#(三维五向)4549239.45617.12

注：每组试件的弯曲强度、弯曲弹性模量均取5组有效数据的平均值作为最终值

图2 试件的弯曲载荷-位移曲线

图3 3#试件的弯曲破坏形貌

2 结果与分析

2.1 弯曲特性

由图2和图3可知：

(1) 三维管状编织复合材料试件无论是三维四向还是三维五向，弯曲性能变化趋势都相似，均表现为明显的脆性破坏方式；同时，承受弯曲载荷时，三维管状编织复合材料的上表面表现为压缩破坏、下表面表现为拉伸破坏。

(2) 三维管状编织复合材料试件在弯曲测试刚开始时，表面变化并不明显，材料弯曲抵抗载荷随着位移的增加而线性增加；随着测试的继续进行，弯曲载荷进一步增加，材料发出脆裂声，树脂基体裂纹逐渐增加，上表面部分纤维被压断；接着，当弯曲载荷继续增加直至最大时，材料被压扁，且上下表面纤维大量断裂，树脂基体碎裂，材料被破坏(图3)；最后，弯曲载荷急剧下降，材料彻底被破坏。

2.2 弯曲性能

所得三维管状编织复合材料试件弯曲性能如图4、图5所示，可知：

(1) 三维五向管状编织复合材料试件(即3#和4#)的弯曲性能(弯曲强度、弯曲弹性模量)均明显优于三维四向结构(即1#和2#)。这是因为三维五向管状编织结构中有轴纱加入，材料的抗弯能力明显增强。

(2) 三维四向、三维五向管状编织复合材料的弯曲性能均随着编织角的增大而增加。这是因为编织角的增加会导致材料中纤维体积含量增加，进而明显增强材料的弯曲性能，故而表现为材料的弯曲性能(弯曲强度、弯曲弹性模量)随编织角的增大而增加。

图4 编织角对试件弯曲强度的影响

图5 编织角对试件弯曲模量的影响

3 结论

(1) 三维四向、三维五向管状编织复合材料的破坏特性均表现为明显的脆性破坏，破坏形式主要表现为纤维断裂、树脂基体碎裂等；

(2) 三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料。

(3) 三维管状编织复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量均随编织角的增大而增加。

[1] 张美忠,李贺军,李克智.三维编织复合材料的力学性能研究现状[J].材料工程,2004(2):44-48.

[2] 刘谦,李嘉禄,李学明.三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响[J].宇航材料工艺,2000,30(1):55-58.

[3] 李学明,李嘉禄,王峥.三维五向编织结构对复合材料性能的影响[J].天津纺织工学院学报,1997,16(5):7-12.

[4] 李嘉禄,杨红娜,寇长河.三维编织复合材料的疲劳性能[J].复合材料学报,2005,22(4):172-176.

[5] WU D L. Three-cell model and 5D braided structural composites[J]. Composites Science and Technology, 1996,56(3):225-233.

[6] 陈利,梁子清,马振杰,等.三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究[J].材料工程,2005(8):3-6.

[7] 刘谦,李嘉禄,李学明.三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J].材料工程,2000(8):3-6.

[8] CHEN L, TAO X M, CHOY C L. On the microstructure of three-dimensional braided preforms[J]. Composites Science & Technology, 1999,59(3):391-405.

[9] 皮秀标,钱坤,曹海建,等.三维全五向编织复合材料的细观结构分析[J].宇航材料工艺,2011,41(6):39-43.

[10] 刘振国.三维全五向编织预型件的概念[J].材料工程,2008(S1):305-312.

[11] 全国纤维增强塑料标准化技术委员会,中国标准出版社第五编辑室主编.纤维增强塑料(玻璃钢)标准汇编[M].2版.北京:中国标准出版社,2006：371-376.

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Study on flexural properties of three-dimensional tubular braided composites

CaoHaijian1,ChenHongxia2,HuangXiaomei1

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

E-glass fibers (1 200 tex) were used as raw materials to prepare three-dimensional four-direction (3D4D) and three-dimensional five-direction (3D5D) tubular braided fabrics on the 3DB-J100-8 modular three-dimensional braided machine. Resin matrix composed of epoxy resin E51 and polyethenoxyamines H023 was combined with above three-dimensional tubular braided fabrics to prepare three-dimensional tubular braided composites (3D composites). Flexural properties of the 3D composites were tested by the Instron 3385H universal material testing machine, and the influence rule of braided structure and braided angles on flexural properties were studied. The results showed that destruction characterization of the 3D composites appeared obviously brittle facture, bending resistance of the 3D5D composites were obviously better than that of the 3D4D ones, and flexural properties of the 3D composites increased with the increase of braided angles.

three-dimensional tubular braided fabric, braided composite, braided structure, braided angle, flexural property

*江苏省政策引导类计划(BY2016053-02)、江苏省高校自然科学研究重大项目(16KJA430009)、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)

2016-09-26

曹海建，男，1979年生，副教授，研究方向为轻量化复合材料的开发与应用

陈红霞，E-mail:chenhx@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)11-0010-04