三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能.pdf 4页

第38卷第6期东华大学学报(自然科学版)VoI．38，NO．62012年12月JOURNAIOFDONGHUAUNIVERSITY(NATURAISCIENCE)Dec．2012文章编号：1671—0444(2012)06—0646—04三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能薛再年，曹海建，钱坤，徐文新，李雅(1．江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡214122；2．江苏旷达汽车织物集团股份有限公司，江苏常州213179)摘要：以高强无碱玻璃纤维为原料，采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物，以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体，与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料．通过测试上述编织复合材料的拉伸性能，研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料拉伸性能的影响．结果表明，编织复合材料的拉伸性能随着轴纱、纤维体积分数的增大而上升，随着编织角的增大而下降；三维全五向编织复合材料的拉伸性能明显优于三维五向编织复合材料．关键词：三维五向；三维全五向；编织复合材料；拉伸性能；编织角；轴纱；纤维体积分数中图分类号：TB332文献标志码：ATensilePropertiesandPreparationofThree—DimensionalFullFive—DirectionBraidedCompositesXUEZai—nian，CAOHai—jian，QMNKun，XUWen—xin。，LIYa。(1．KeyLaboratoryofEco-Textiles，MinistryofEducation，JiangnanUniversity，WuxiJiangsu214122，China；2．JiangsuKuangdaAutomobileTextileGroupCo．Ltd．，ChangzhouJiangsu213179。China)Abstract：Highstrengthalkali—freeglassfiberswereusedasrawmaterials，three-dimensionalfive—directionandfullfive-directionbraidedfabricswerebothpreparedonfull-automaticmodularbraidedmachinebyusingbraidedcraftoffour—steprule1×1．Three·dimensionalfive-directionandfullfive—directionbraidedcompositeswerepreparedbycombinedbraidedfabricswithresinmatrix，whichincludingepoxyresinE51andfirmingagent70#(tetralinphthalicanhydride)．Tensilepropertiesofabovebraidedcompositesweretested，andinfluenceofstructureparametersontensilepropertieswasstudied，includingaxisyarns，braidedanglesandfibervolumefraction．Theresultsshowedthattensilepropertiesincreasedwiththeincreaseofaxisyarnsandfibervolumefraction。anddecreasedwiththeincreaseofbraidedangles．Tensilepropertyofthree—dimensionalfullfive—directioncompositeswasbetterthanthatofthree．dimensionalfive．directionones．Keywords：three—dimensionalfive—direction；three—dimensionalfullfive．direction；braidedcomposites；tensileproperty；braidedangle；axisyarn；fibervolumefraction三维编织复合材料作为一种新型纺织结构材料，克服了传统层压复合材料的层问性能弱、抗冲击收稿日期：2012—07—17基金项目：江苏省科技支撑计划资助项目(BE2011014)作者简介：薛再年(1961一)，男，江苏无锡人，讲师，研究方向为纺织服装材料的研发．E—mail：XZN一118@163．corn曹海建(联系人)，男，副研究员，E—mail：caohaijian20010@163．COrn 第6期薛再年，等：三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能647性能差的缺点，在航空航天及民用领域具有广泛的编织纱Hc]；“o”代表只沿z方向，即随行往复运动应用[1-2]．目前，三维编织复合材料大致可分为三维的轴纱携纱器，如携纱器M，第一步由M运动到N，四向、三维五向及三维全五向编织复合材料．其中，第二步保持不动，第三步由N运动到M，第四步保三维五向编织复合材料是在传统三维四向编织结构持不动；“”代表轴纱携纱器位置固定，不沿任何方基础上发展起来的，它通过在三维四向结构的部分向运动，如携纱器Q．每完成四步一个编织循环后，编织空隙沿轴向添加轴纱来实现，这种结构使材料所有携纱器在编织机底盘上的排列方式回复到初始。。D的纤维体积分数和轴向力学性能获得一定程度的提状态，并通过沿向的打紧工序，使纱线间紧密接o0高，为编织结构材料作为主承力构件提供了可触，编织结构趋于稳定，此时所获得织物的长度定义能[3j．近年来，国内外许多学者发现，三维五向编织为一个花节h．重复上述运动，可获得相应尺寸的预复合材料中仍剩余较多编织空隙无轴纱占据，复合制件．时承力较弱的树脂易在空隙处富集，限制了三维五2编织复合材料的制备向编织材料的纤维体积分数和力学性能的大幅度提高．因此，刘振国提出在所有编织空隙中加入轴纱2．1原料与设备以最大程度提高编织复合材料的纤维体积分数和力纤维原料：1200tex高强无碱玻璃纤维，中材科学性能，并将此结构材料称为三维全五向编织复合技股份有限公司提供．材料．树脂基体：ES1环氧树脂(黏度为19Pa·S，密度目前关于三维全五向编织复合材料的制备及力为2．54g／cm。)，固化剂70#酸酐(四氢邻苯二甲酸学性能研究的报道极少，为此，本文基于四步法1×酐)，无锡树脂厂提供．l编织工艺，分别制备了三维五向、三维全五向编织仪器设备：全自动模块组合式编织平台，北京柏结构复合材料，并对比分析两类结构材料的拉伸性瑞鼎科技有限公司；RTM注射系统，法国Isojet公司．能，研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对2．2复合成型材料拉伸性能的影响．三维编织复合材料预制件(编织物)的制备工艺参照文献E8-1，三维编织复合材料制备工艺如图2所1编织物的制备示．第1步，预制件(编织物)预处理．将预制件置于三维五向、三维全五向结构材料以四步法l×1烘箱中加热烘干，去除水分，待烘干后，取出称其净四向编织工艺为基础，在编织纱围成的空隙中沿编质量，备用．第2步，模具表面处理．利用浸有乙酸乙织成型方向添加不参与编织的轴纱(第五向纱)编织酯的清洁布擦除模具表面残留的脱模剂和油污，并而成，其携纱器排列和运动规律如图1所示．其中晾干．第3步，预制件放人模具．将预制件放入模具，“o”代表挂编织纱的携纱器，其运动方式与三维四合上模具，放入烘箱中预热3Omin，烘箱温度为向编织结构中编织纱运动规律一样，由行、列交替运60℃，然后设置注塑速率，注塑头、管道和树脂储存o00罐的温度，注塑压力等工艺参数，并辅以抽真空工oo序．第4步，预制件复合成型．将配制好的树脂基体o0注入模具，注塑过程中模具不可随意移动，待注塑完0o毕后，切断树脂流动管道，密封模具注塑口和树脂回0o。OOOO流口，关上烘箱，保温固化处理24h，待模具冷却后，量蚕O00打开模具、取出制备好的三维编织复合材料备用．。O00o图1三维编织物的携纱器排列及运动规律Fig．1ArrangeandmovementtracesofcarriersOil二二一一．』．．three-dimensionalbraidedfabrics『主诬J动组成，四步一个循环，轨迹为“Z”型，经过S个循环后回到起始位置，S一(”+m+)／(与的最小公倍数)，m和分别为编织纱行数和列数，如 第6期薛再年，等：三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能649力一应变曲线如图4所示．由图4可知，三维五向、三载的贡献度下降，材料整体拉伸性能下降口“j．维全五向编织复合材料的拉伸应力应变曲线规律5结语本文自制三维五向及全五向编织复合材料，通过测试其拉伸性能，研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料拉伸性能的影响，得到以下结论．茎(1)当编织角较小时，三维全五向编织复合材＼料的断面较平整，纤维拔出较少，表现出明显的脆性是断裂特性；当编织角较大时，该结构材料断面参差不齐，断口呈现一定的角度，纤维束断裂的平整度明显下降，有纤维抽拔现象．(2)三维编织复合材料的拉伸特性：在拉伸起始阶段，应力随应变在短时问内呈非线性变化趋势；随着载荷增加，应力随应变呈线性变化趋势，表现为图4三维编织复合材料拉伸应力一应变曲线明显的弹性变形特征；当载荷达到最大值时，试样失Fig．4Tensilestressandstraincurvesofthree-效断裂，应力急剧下降．dimensionalbraidedcomposites(3)编织角、纤维体积分数相近时，三维全五向编织复合材料的拉伸性能明显好于三维五向结构；相似．在拉伸测试起始阶段，应力随应变在短时间内随着编织角的增加，三维五向、三维全五向编织复合呈现非线性变化趋势；随着载荷的增加，应力随应变材料的拉伸性能均明显下降．呈现线性变化趋势，表现为明显的弹性变形特征；当载荷达到最大值时，试样失效断裂，应力急剧下降．参考文献当编织角相同时，三维全五向编织复合材料的拉伸[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性能明显好于三维五向结构．①当编织角为20。时，状EJ]．材料工程，2004(2)：44—48．三维全五向1#试样的拉伸强度为835MPa，三维五[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向3#试样的拉伸强度为372MPa；当编织角为3O。的影响]．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时，三维全五向2#试样的拉伸强度为465MPa，三响_J]．天津纺织丁学院学报，1997，16(5)：7—12．维五向4#试样的拉伸强度为285MPa．这是因为三[4]李嘉禄，杨红娜，寇长河．三维编织复合材料的疲劳性能[J]．复维全五向编织结构较三维五向结构有更多的轴纱，合材料学报，2005，22(4)：172—176．极大地提高了材料的轴向拉伸性能．当纤维体积分r5]WUD1．Threecellmodeland5Dbraidedstructural数相近时，三维全五向编织复合材料的拉伸性能好composites[J]．CompositesScienceandTechnology，1996，56(3)：225—233．于三维五向结构．三维全五向2#试样的纤维体积[6]刘振国．j三维全五向编织预型件的概念EJ]．材料工程，2008分数为52．4，拉伸强度为465MPa；三维五向3#(S1)：305308，312．试样的纤维体积分数为52．89／6，拉伸强度为372[7]BYUNJH，CHOUTW．ProcessmicrostructurerelationshipMPa．这是因为三维全五向编织复合材料中所有空of2一stepand4一stepbraidedcomposites[J]．CompositesScienceandTechnology，1996，56(2)：235—251．隙均有轴纱占据，导致编织物与树脂基体复合时，树[8]皮秀标，钱坤，曹海建，等．三维全五向编织复合材料的细观结脂富集区大大减少，从而极大提升了材料的抗拉强构分析[J]．宇航材料工艺，2011，4l(6)：39—43．度．随着编织角的增加，三维编织复合材料的拉伸性[9]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能明显下降．对于三维全五向编织复合材料，1#试辑室．纤维增强塑料(玻璃钢)标准汇编[M]．2版．北京：中国样的编织角为20。，拉伸强度为835MPa；2#试样的标准出版社，2006：353-363．[1o]李仲平，卢子兴，冯志海，等．三维五向碳／酚醛编织复合材料的编织角为30。，拉伸强度为465MPa，下降44．3；对拉伸性能及破坏机理_J]．航空学报，2007，28(4)：869～873．于三维五向编织复合材料，3#试样的编织角为20。，[11]陈利，梁子清，马振杰，等．三维五向编织复合材料纵向性能的拉伸强度为372MPa；4#试样的编织角为3o。，拉伸实验研究[J]．材料工程，2005(8)：3—6．强度为285MPa，下降23．4．这是因为，当编织角增大时，编织纱更多地趋向于横向，导致其对轴向承