玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料的制备与弯曲性能研究

张宏伟 高晓平

内蒙古工业大学轻工与纺织学院,内蒙古呼和浩特 010080

纺织复合材料是以纺织材料为增强体, 其他材料为基体复合而成的一种重要的基础材料，是现代纺织材料与复合技术的集成与创新。纺织复合材料不仅有显著的抗应力集中、耐冲击和抗裂纹扩展的能力，还可以通过选择不同的铺层方式提升其力学性能，从而在航空航天、能源环境、交通运输等领域中发挥重要作用[1-3]。

纺织材料增强体作为复合材料的主要承力载体，对复合材料的力学性能有重要影响。相对于其他纺织基增强体，纬编针织物线圈中的纱线具有特定的取向性和黏聚力[4]，能减少纤维间的滑移，从而增加纤维在特定方向上的稳定性，也能避免纤维与复合材料中树脂间脱黏现象的发生[5-6]。因此，以纬编针织物为增强体的复合材料，即纬编针织复合材料一般具有较好的成型性、延伸性、能量吸收性、耐疲劳性等特性[7-9]。目前，众多学者对纬编针织复合材料力学性能的研究大多集中在材料的拉伸、压缩和弯曲性能的测试与分析[10-14]方面。

本文首先将芳纶与维纶共混制备混纺纱，采用电脑针织横机制备线圈结构为满针罗纹、双反面和纬平针的3种针织物，再经退维工艺去除维纶后得3种纯芳纶针织物。然后分别以这3种不同线圈结构的纯芳纶针织物为芯层，以单轴玻璃纤维经编织物为上、下表层，铺层叠加后得到三层增强织物。最后以环氧树脂和固化剂混合胶液为基体，基于真空辅助树脂传递模塑工艺(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，简称“VARTM”)制备出三层结构的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样。通过测试各试样纵向和横向的弯曲性能，分析芯层织物线圈结构对玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样弯曲性能的影响，探讨各试样的结构与其弯曲性能间的关系，为今后提升夹芯复合材料力学性能的研究奠定基础。

1 试验部分

1.1 材料和设备

玻璃纤维和碳纤维(E-玻纤，东山泰山玻纤股份有限公司)，F-12型芳纶纱和维纶纱(重庆奥亿制线厂化妆品有限公司)，NO.1-692-2A型环氧树脂和NO.1-692-2B型固化剂(深圳郎博万先进材料有限公司)。龙星 LXC-252S型电脑针织横机。

1.2 试样制备

1.2.1 纯芳纶纬编针织物

将绕有芳纶和维纶的两个纱筒固定于电脑针织横机台上，将纱线穿过并喂入导纱瓷眼，维纶纱缠绕在芳纶纱的表面，维纶、芳纶混纺纱有相同的捻度和张力。混纺纱可增加纱线与织针的摩擦力，便于成圈和编织过程的顺利进行。本试验以满针罗纹、双反面和纬平针3种线圈结构(图1)在电脑针织横机上制备纬编针织物试样，编织参数如表1所示。

图1 3种纬编针织物的线圈结构

表1 3种纬编针织物的线圈结构参数

将制备好的满针罗纹、双反面和纬平针3种线圈结构的纬编针织物试样分别溶于水中，经退维工艺流程见图2即浸泡、搅拌、冲洗和烘干工序，后去除各试样中的维纶纱，得到纯芳纶纬编针织物。

图2 退维工艺流程

1.2.2 单轴玻纤经编织物

以玻璃纤维(玻纤)为纱线，在经编织机的纵向或横向连续喂入玻纤纱制备单轴玻纤经编织物，然后经涤纶Z纱“捆绑”而成，该织物表面平整，浸透性能优异，其结构参数如表2所示。

表2 单轴玻纤经编织物的结构参数

1.2.3 玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料

以纯芳纶纬编针织物为芯层，单轴玻纤经编织物为上、下表层，铺层叠加后成为三层增强织物。以质量比为100∶30的环氧树脂和固化剂混合胶液为基体，通过VARTM工艺制备出3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样。

以满针罗纹纬编针织物为例的具体成型工艺如图3所示。

图3 VARTM成型工艺制备玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料示意(以满针罗纹纬编针织物为例)

1.3 结构和性能测试

1.3.1 纤维体积分数

参照GB/T 2577-2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》，通过灼烧法测定并计算各玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样中的纤维体积分数。

将试样在温度分别为270、350、425 ℃的马弗炉中灼烧30 min，将灼烧后的试样从马弗炉中取出，冷却后称取质量并记录结果(表3)。按式(1)计算玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样中的纤维体积分数Vf。

Vf=ρmWf/(ρfWm+ρmWf)×100%

(1)

式中：Wf——灼烧后试样的质量，g；

Wm——增强体质量，g；

ρf——纤维密度，g/cm3；

ρm——基体密度，取1.11 g/cm3。

1.3.2 弯曲性能

参照 GB /T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》将3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样沿其纵向和横向分别切割为130 mm×15 mm×2 mm的测试样。在WDW-30KN型电子万能试验机上采用三点弯曲法测试试样的弯曲性能，其中，试验仪的恒定加载速率为2 mm/min。

试样的弯曲性能可采用弯曲强度、弯曲应力σ、应变ε和弯曲模量E表征，计算式如式(2)～式(4)所示。

式中：F——施加载荷，N；

l——跨距,为32mm；

b——试样宽度,为5mm；

h——试样厚度，为2mm；

式中：δ——弯曲挠度，mm；

式中：ΔF——载荷差，N；

Δδ——载荷差对应的挠度差，mm。

2 结果与分析

2.1 纤维体积分数

3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样及其增强体灼烧前后的质量和纤维体积分数计算结果列于表3。

表3 各试样及其增强体灼烧前后的质量和纤维体积分数

2.2 弯曲性能

3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料纵/横向的弯曲性能计算结果如表4所示。

表4 各试样纵/横向的弯曲性能计算结果

各试样的弯曲性能对比如图4所示。

图4 各试样的弯曲性能对比

通过对比各试样纵向的弯曲性能可知：以双反面织物为增强体的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样的当量强度和当量模量最小，与这一试样相比，以纬平针织物为增强体的试样的当量强度和当量模量分别增加了40.20%和45.29%；以满针罗纹织物为增强基的试样的当量强度和当量模量最大。

通过对比各试样横向的弯曲性能可知，以纬平针织物为增强体的试样的当量强度和当量模量最小。与这一试样相比：以双反面针织物为增强基的试样的当量强度和当量模量分别增加了36.90%和32.79%；以满针罗纹织物为增强基的试样的当量强度和当量模量分别增加了115.48%和147.54%。各试样纵/横向当量强度和当量模量的差异充分说明，复合材料增强体的织物结构对其弯曲性能有重要影响。

2.3 影响弯曲性能的因素

对比3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样纵向和横向的弯曲载荷-挠度曲线(图4)发现，各试样纵向的最大弯曲载荷明显不同。其中，以满针罗纹织物为增强基的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样具有最大的弯曲载荷，以纬平针织物为增强基的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样次之，以双反面织物为增强基的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样最小。造成这种显著差异的因素很多，包括增强体中针织物的线圈长度、纵密和纬密及线圈圈柱的弯曲状态等。满针罗纹针织物的圈柱呈伸直无弯曲状态，双反面针织物中的圈柱为歪斜状态，纬平针织物线圈的圈柱状态介于两者之间。

图4 试样纵向和横向的弯曲载荷-挠度曲线

3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样横向的最大弯曲载荷较为接近，以满针罗纹织物为增强基的试样有较大的挠度，这与该复合材料试样的承载结构和芯层织物的线圈结构密切相关。横向弯曲试验中，3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样的主要受力承载体均为增强体织物的针编弧、沉降弧和基体，所以这3种试样的最大弯曲载荷基本一致。满针罗纹针织物的正面线圈与反面线圈按1∶1交替编织而成，表现为一列纵行为正面线圈，相邻纵行为反面线圈，正、反面线圈不平行，由此形成的沉降弧会发生较大的扭曲，所以下机后的满针罗纹织物会向线圈纵行相互靠拢，导致横向产生收缩，横向密度和厚度增大。因此，当满针罗纹针织物的横向受力时，纵行线圈逐渐趋于一个平面，沉降弧逐渐伸直，表现出较大的横向延伸性。因此，以满针罗纹织物为增强基的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样在横向弯曲测试中体现出较大的形变。

3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样沿纵向的最大弯曲载荷明显大于其横向，这主要是沿不同方向进行弯曲试验时，试样的承载体不同造成的。纵向弯曲试验时，各试样的主要承载体是增强体芳纶针织物的线圈和表层的玻璃纤维，而横向弯曲试验时，各试样的主要承载体是基体和增强体芳纶针织物的针编弧和沉降弧。此外，增强体织物中的纵向承载纱线圈数明显多于横向，且基体和增强体材料的力学性能不同，玻纤的强度远大于芳纶针织物，故3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样纵向的最大弯曲载荷明显大于其横向。

3 结论

本文研究了以玻纤/芳纶针织物为增强体，环氧树脂和固化剂混合胶液为基体的玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样纵向和横向的弯曲性能，探究了增强体芯层针织物的线圈结构对玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样弯曲性能的影响，可得如下结论。

(1)3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料试样纵向和横向的弯曲性能差异较大，纵向弯曲当量强度和当量模量从高到低依次为以满针罗纹织物为增强体的复合材料、以纬平针织物为增强体的复合材料、以双反面织物为增强体的复合材料。各复合材料试样横向的当量强度和当量模量从高到低依次为以满针罗纹织物为增强体的复合材料、以双反面织物为增强体的复合材料、以纬平针织物为增强体的复合材料。

(2)玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料的最大弯曲载荷受试样中纤维体积分数、增强体针织物的线圈长度、线圈弯曲状态、纵密和横密等多个因素的影响。其中，线圈圈柱的弯曲状态对复合材料试样的弯曲性能影响较为明显。针织物增强体中处于伸直状态的线圈圈柱可显著提高复合材料试样的最大弯曲载荷。

(3)3种玻纤/芳纶针织物夹芯复合材料中，承载纱线多的方向具有较好的弯曲性能，复合材料在该方向所表现出的当量强度和当量模量较大。