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第34卷第8期纺织学报Vo1．34．NO．82013年8月JournalofTextileResearchAug．，2013文章编号：0253—9721(2013)08-0068—04三维全五向编织复合材料的压缩性能曹海建，钱坤，徐文新，李雅，臧红(1．生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，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；并利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的压缩性能，研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明，编织复合材料的压缩性能随着编织角的增大而降低，随着轴纱、纤维体积分数的增大而提高；三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好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；压缩性能；编织角；轴纱；纤维体积分数中图分类号：TB332文献标志码：ACompressivepropertiesofthree·-dimensionalfullfive·-directionalbraidedcompositesCAOHaijian，QIANKun，XUWenxin，LIYa。，ZANGHong(1．KeyLaboratoryofEco—Textiles(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation，Wuxi，Jiangsu214122，China；2．JiangsuKuangdaAutomobileTextileGroupCo．，Ltd．，Changzhou，Jiangsu223179，China)AbstractHighstrengthalkali-freeglassfiberswereusedasrawmaterials，andthree—dimensionalfive—directionalandfullfive·-directionalbraidedfabricswerepreparedrespectivelyonafull-automaticmodularbraidedmachinebyusingbraidingcraftoffour—steprule1×1．Three—dimensionalfive—directionalandfullfive—directionalbraidedcompositeswerepreparedbycombiningthebraidedfabricwithresinmatrix，includingepoxyresinE51andcuringagent70#(tetrahydrophthalicanhydride)．CompressivepropertiesofabovebraidedcompositesweretestedbyusingInstronuniversaltestingmachine，andtheinfluenceofstructureparameters，likeaxisyarns，braidinganglesandfibervolumefraction，onthecompressivepropertieswasalsostudied．Thecompressivepropertiesincreasedwiththeincreaseofaxisyarnsandfibervolumefraction，anddecreasedwiththeincreaseofbraidingangles．Thecompressivepropertyofthree-dimensionalfullfive-directionalcompositeswasobviouslybetterthanthatofthree-·dimensionalfive-directionalones．Keywordsthree—dimensionalfive—direction；three—dimensionalfullfive—direction；braidedcomposite；compressiveproperty；braidingangle；axisyarn；fibervolumefraction三维编织复合材料是一种新型结构材料，具有三维四向、三维五向及三维全五向编织复合材料等。层问结合力强、抗冲击性能好等特点，在航空航天、其中三维五向编织复合材料是在传统三维四向编织轨道交通、船舶、建筑等领域得到了广泛的应结构基础上发展起来的，它通过在三维四向结构部用I2。目前，三维编织复合材料种类大致可分为：分编织空隙沿轴向添加轴纱(第五向纱)来实现，这收稿日期：2012—08—23修回日期：2013—03—20基金项目：中国博士后科学基金面上资助项目(2012M520995)；生态纺织教育部重点实验室(江南大学)开放课题(KLET1112)作者简介：曹海建(1979一)，男，副研究员。主要从事纺织复合材料的制备及性能研究。E-mail：composites_115@163．con。 第8期曹海建等：三维全五向编织复合材料的压缩性能·69·种结构使材料的纤维体积分数和轴向力学性能得到完毕后，切断树脂流动管道，密封模具注塑口和树脂较大提高，为该结构材料作为主承力构件提供了可回流口，关上烘箱，保温固化处理24h。第5步，待模能。近年来，国内外许多学者研究发现，三维五具冷却后，打开模具、取出制备好的三维编织复合材向编织复合材料中仍剩余较多编织空隙无轴纱占料，备用。据，限制了三维五向编织材料力学性能的大幅度提高。因此，文献[6—7]尝试在所有编织空隙中加入2压缩性能轴纱，实验结果表明，该结构材料的纤维体积分数和力学性能均得到大幅提高，并将此结构材料称为三2．1测试设备维全五向编织复合材料。皮秀标等从细观结构采用美国3385H型INSTRON万能材料试验机层次建立了三维全五向编织复合材料的单胞模型，进行压缩性能测试。最大施加载荷为250kN，位移并分析了材料的空间结构形态，探讨了编织工艺参分辨率为0．001ram，所有实验均采用位移加载的方数间的关系，并对纤维体积含量进行了模拟计算，发式进行，纵向压缩加速度为5mm／min。采用电子引现计算值与实测值具有较好的一致性。伸计测量试样件在压缩过程中的微小变形，最大量总体看来，目前关于三维全五向编织复合材料程为10mm，系统根据试样的位移、载荷、变形等数的相关研究还较少。本文将基于四步法1×1编织据自动绘出相应的应变一应力曲线。工艺，分别制备三维五向、三维全五向编织结构复合2．2测试方法材料，并对比分析上述2类结构材料的压缩性能，研参照GB1448-2005《纤维增强塑料压缩性能究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压试验方法》进行压缩性能测试。为有效分析轴纱数缩性能的影响，研究结果将为该类结构材料的优化量和编织角等工艺参数对材料压缩性能的影响，制设计及综合性能研究奠定重要的基础。作了4组不同工艺参数的试件，试件尺寸为10mm×10mm×30mm；因试件截面为方形，在受到编织复合材料的制备压缩载荷作用时容易发生端部损坏，因此要求在测试前对试件的上下底面进行平整抛光整理，并剔除1．1原料与设备有缺陷、不符合尺寸要求的试件，每组试件选取5个纤维原料：1200tex高强无碱玻璃纤维，中材科有效测试值，取其平均值作为参考。压缩试件的工技股份有限公司提供。艺参数如表1所示。树脂基体：E51环氧树脂(黏度l9Pa·S，密度表1压缩试件的工艺参数及压缩测试结果1．24g／cm)，70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)，无Tab．1Processparametersandcompressivetesting锡树脂厂提供。resultsofcompressivesamples仪器设备：全自动模块组合式编织平台，北京柏瑞鼎科技有限公司；RTM注射系统，法国Isojet公司。1．2复合材料的制备三维编织复合材料预制件(编织物)的制备参见文献[9]。第1步，预制件(编织物)预处理。将预制件置于烘箱中加热烘干，去除水分，待烘干后，取出称其净重，备用。第2步，模具表面处理。利用2．3结果与分析浸有乙酸乙酯的清洁布擦除模具表面残留的脱模剂2．3．1压缩特性和油污，并晾干。第3步，预制件放人模具。将预制观察三维全五向编织复合材料压缩性能测试，件放人模具，合上模具，放人烘箱中预热30min，烘可以发现，测试过程中试件无明显变形和声响产生，箱温度60cI=；设置注塑速率，注塑头、管道和树脂储但在试件即将破坏的瞬间，由于环氧树脂基体开裂存罐温度，注塑压力等工艺参数，并辅以抽真空工和玻璃纤维的大量断裂，试件产生剧烈的声响，表现序。第4步，预制件复合成型。将配制好的树脂基出明显的脆性破坏特性。三维全五向编织复合材料体注入模具，注塑过程中模具不可随意移动，待注塑压缩断口形貌如图1所示。由图可知，标准三维全 第8期曹海建等：三维全五向编织复合材料的压缩性能·71·件的编织角为19。，压缩应力为385．9MPa；1试件16(5)：7—12．LIXueming，LIJialu，WANGZheng．Effectof3-D＆的编织角为31。，压缩应力为194．0MPa，下降5一Dbraidingstructureonmechanicalpropertiesofthe49．7％；对于三维五向编织复合材料，4试件的编织composites[J]．JournalofTianjinInstituteofTextile角为19。，压缩应力为199．8MPa；2试件的编织角ScienceandTechnology，1997，16(5)：7一l2．为31。，压缩应力为118．5MPa，下降40．7％。这是r4]李嘉禄，杨红娜，寇长河．三维编织复合材料的疲劳因为，当编织角增大时，编织纱更多的趋向于横向，性能[J]．复合材料学报，2005，22(4)：172—176．导致其对轴向承载的贡献度下降，材料整体抗压性LIJialu，YANGHongna，KOUChanghe．Fatigue能下降¨“。propertiesofthreedimensionalbraidingcomposites[J]．ActaMateriaeCompositaeSinica，2005，22(4)：172—176．3结语[5]WUDL．Three—cellmodeland5一Dbraidedstructuralcomposites[J]．CompositesScienceandTechnology，1)观察三维全五向编织复合材料的压缩破坏1996，56(3)：225—233．形貌发现，标准试件断裂面与受力方向基本呈45。[6]刘振国．三维全五向编织预型件的概念[J]．材料工夹角，呈现弯剪破坏特征；存在复合缺陷的试件，易程，2008(S1)：305—312．LIUZhenguo．Conceptofthree—dimensionalallfive—出现弱承力区域，导致试件提前失效；上下底面不平directionalbraidedperforms『J]．JournalofMaterials整试件，易出现应力集中现象，导致试件局部破坏Engineering，2008(S1)：305—312．失效。[7]ZHANGFan，LIUZhenguo，WUZhe，eta1．Anew2)三维编织复合材料的压缩特性：在压缩起始schemeandmicrostructuralmodelfor3一Dfull5．阶段，应力随应变在短时间内呈非线性变化趋势；随directionalbraidedcomposites『J]．ChineseJournalof着载荷进行，应力随应变呈线性变化趋势，表现为明Aeronautics，2010，23(1)：61—67．[8]皮秀标，钱坤，曹海建，等．三维全五向编织复合材料显的弹性变形特征；当载荷达到最大值时，试件失效的细观结构分析[J]．宇航材料工艺，2011，41(6)：断裂，应力急剧下降。39—43．3)编织角、纤维体积分数相近时，三维全五向PIXiubiao，QIANKun，CAOHaijian，eta1．编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向结构；Microstructureanalysisof3-Dfull5-directionalbraided随着编织角的增加，三维五向、三维全五向编织复合composites[J]．AerospaceMaterials＆Technology，材料的压缩性能均明显下降。2011，41(6)：39—43．[9]BYUNJH．CHOUTW．Process—microstructure参考文献：relationshipof2-stepand4-stepbraidedcompo—sites[J]．CompositesScienceandTechnology，1996，张美忠，李贺军，李克智．三维编织复合材料的力学56(2)：235—251．性能研究现状[J]．材料工程，2004(2)：44—48．[10]李仲平，卢子兴，冯志海，等．三维五向碳／酚醛编织ZHANGMeizhong，LIHejun，LIKezhi．Progressingin复合材料的拉伸性能及破坏机理[J]．航空学报，thestudyonmechanicalpropertiesofthe3-Dbraided2007，28(4)：869—873．composites[J]．JournalofMaterialsEngineering，LIZhongping，LUZixing，FENGZhihai，eta1．2004(2)：44—48．Investigationofthetensilepropertiesandfailure[2]刘谦，李嘉禄，李学明．三维编织工艺参数对复合材mechanismofintegrally—braided5-Dcarh0n／phen0lic料拉伸性能的影响[J]．宇航材料工艺，2000，30(1)：composites[J]．ActaAeronauticaetAstronautica55—58．Sinica，2007，28(4)：869—873．LIUQian，LIJialu，LIXueming．Influenceof3-D[11]陈利，梁子清，马振杰，等．三维五向编织复合材料纵braidingtechnologyparametersontensilepropertiesof向性能的实验研究[J]．材料工程，2005(8)：3—6．composites[J]．AerospaceMaterials＆Technology，CHENLi，LIANGZiqing，MAZhenjie，eta1．2000，30(1)：55—58．Experimentalinvestigationonlongitudinalpropertiesof[3]李学明，李嘉禄，王峥．三维五向编织结构对复合材3．D&5一directionalbraidedcomposites『J]．Journalof料性能的影响[J]．天津纺织工学院学报，1997，MaterialsEngineering，2005(8)：3—6．