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）

三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能

薛再年1，曹海建1，钱 坤1，徐文新2，李 雅2

（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）

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.

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

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间性能弱、抗冲击性能差的缺点，在航空航天及民用领域具有广泛的应用［1-2］.目前，三维编织复合材料大致可分为三维四向、三维五向及三维全五向编织复合材料.其中，三维五向编织复合材料是在传统三维四向编织结构基础上发展起来的，它通过在三维四向结构的部分编织空隙沿轴向添加轴纱来实现，这种结构使材料的纤维体积分数和轴向力学性能获得一定程度的提高，为编织结构材料作为主承力构件提供了可能［3-5］.近年来，国内外许多学者发现，三维五向编织复合材料中仍剩余较多编织空隙无轴纱占据，复合时承力较弱的树脂易在空隙处富集，限制了三维五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［6］提出在所有编织空隙中加入轴纱以最大程度提高编织复合材料的纤维体积分数和力学性能，并将此结构材料称为三维全五向编织复合材料.

目前关于三维全五向编织复合材料的制备及力学性能研究的报道极少，为此，本文基于四步法1×1编织工艺，分别制备了三维五向、三维全五向编织结构复合材料，并对比分析两类结构材料的拉伸性能，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.

1 编织物的制备

图1 三维编织物的携纱器排列及运动规律Fig.1 Arrange and movement traces of carriers on threedimensional braided fabrics

三维五向、三维全五向结构材料以四步法1×1四向编织工艺为基础，在编织纱围成的空隙中沿编织成型方向添加不参与编织的轴纱（第五向纱）编织而成，其携纱器排列和运动规律如图1所示.其中“○”代表挂编织纱的携纱器，其运动方式与三维四向编织结构中编织纱运动规律一样，由行、列交替运动组成，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＝（mn＋m＋n）／（m与n的最小公倍数），m和n分别为编织纱行数和列数，如编织纱 H［7］；“”代表只沿x方向，即随行往复运动的轴纱携纱器，如携纱器M，第一步由M运动到N，第二步保持不动，第三步由N运动到M，第四步保持不动；“”代表轴纱携纱器位置固定，不沿任何方向运动，如携纱器Q.每完成四步一个编织循环后，所有携纱器在编织机底盘上的排列方式回复到初始状态，并通过沿z向的打紧工序，使纱线间紧密接触，编织结构趋于稳定，此时所获得织物的长度定义为一个花节h.重复上述运动，可获得相应尺寸的预制件.

2 编织复合材料的制备

2.1 原料与设备

纤维原料：1 200 tex高强无碱玻璃纤维，中材科技股份有限公司提供.

树脂基体：E51环氧树脂（黏度为19 Pa·s，密度为2.54 g／cm3），固化剂70＃酸酐（四氢邻苯二甲酸酐），无锡树脂厂提供.

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.

2.2 复合成型

三维编织复合材料预制件（编织物）的制备工艺参照文献［8］，三维编织复合材料制备工艺如图2所示.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，取出称其净质量，备用.第2步，模具表面处理.利用浸有乙酸乙酯的清洁布擦除模具表面残留的脱模剂和油污，并晾干.第3步，预制件放入模具.将预制件放入模具，合上模具，放入烘箱中预热30 min，烘箱温度为60℃，然后设置注塑速率，注塑头、管道和树脂储存罐的温度，注塑压力等工艺参数，并辅以抽真空工序.第4步，预制件复合成型.将配制好的树脂基体注入模具，注塑过程中模具不可随意移动，待注塑完毕后，切断树脂流动管道，密封模具注塑口和树脂回流口，关上烘箱，保温固化处理24 h，待模具冷却后，打开模具、取出制备好的三维编织复合材料备用.

图2 三维编织复合材料制备工艺流程Fig.2 Technological process of three-dimensional braided composites

3 拉伸性能

3.1 测试设备

拉伸测试设备为美国3385 H型INSTRON万能材料试验机，最大施加载荷为250 k N，位移分辨率为0.001 mm.所有试验均采用位移加载的方式进行，纵向拉伸速度为5 mm／min.采用电子引伸计测量试样在拉伸过程中的微小变形，最大量程为10 mm，同时系统会根据试样的位移、载荷、变形等数据自动绘出相应的应力-应变曲线.

3.2 测试标准

参照文献［9］对三维编织复合材料进行拉伸性能测试.在制作拉伸试样时，为防止试样的头端在拉伸测试过程中因夹具的夹持受损、变形，产生应力集中、受力不均等现象，在试样的两端用环氧型强力黏合剂分别粘贴尺寸为50 mm×20 mm×1 mm、一端加工成45°倒角的加强型铝片，每组试样测试数目为5个，试样工艺参数如表1所示.表1中编织角α为编织纱在编织物表面的投影与编织物成型方向的夹角；纤维体积分数为编织复合材料所含纤维的体积占其总体积的百分比.

表1 拉伸试样的工艺参数Table 1 Process parameters of tensile samples

4 结果与分析

4.1 拉伸形貌

三维全五向编织复合材料拉伸形貌如图3所示.在拉伸初始阶段，当编织角较小时，三维编织复合材料易产生树脂基体开裂，且裂纹规律性地分布在试样中心线的两侧，如图3（a）所示；当编织角较大时，三维编织复合材料的树脂基体裂纹则在整个试样上均有分布，且在中间部位最为稠密，如图3（b）所示.在拉伸测试过程中，随着拉伸载荷的增加，可以陆续听到基体开裂和纤维断裂的爆鸣声；在试样达到最大拉伸载荷时，试样急剧断裂，传出剧烈的爆鸣声，并伴有较大的震动，且在试样断口附近出现大块基体脱落现象.对比三维全五向编织复合材料断口形貌可以发现，当编织角较小时，材料断面较平整，纤维整束被拉断，纤维拔出较少，表现出明显的脆性断裂特性，如图3（c）所示；当编织角较大时，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，如图3（d）所示.

图3 三维全五向编织复合材料的拉伸破坏形貌Fig.3 Tensile breakage pictures of three-dimensional full five-direction braided composites

4.2 拉伸性能

图4 三维编织复合材料拉伸应力-应变曲线Fig.4 Tensile stress and strain curves of threedimensional braided composites

三维五向、三维全五向编织复合材料的拉伸应力-应变曲线如图4所示.由图4可知，三维五向、三维全五向编织复合材料的拉伸应力-应变曲线规律相似.在拉伸测试起始阶段，应力随应变在短时间内呈现非线性变化趋势；随着载荷的增加，应力随应变呈现线性变化趋势，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.当编织角相同时，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.①当编织角为20°时，三维全五向1＃试样的拉伸强度为835 MPa，三维五向3＃试样的拉伸强度为372 MPa；当编织角为30°时，三维全五向2＃试样的拉伸强度为465 MPa，三维五向4＃试样的拉伸强度为285 MPa.这是因为三维全五向编织结构较三维五向结构有更多的轴纱，极大地提高了材料的轴向拉伸性能.当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好于三维五向结构.三维全五向2＃试样的纤维体积分数为52.4%，拉伸强度为465 MPa；三维五向3＃试样的纤维体积分数为52.8%，拉伸强度为372 MPa.这是因为三维全五向编织复合材料中所有空隙均有轴纱占据，导致编织物与树脂基体复合时，树脂富集区大大减少，从而极大提升了材料的抗拉强度.随着编织角的增加，三维编织复合材料的拉伸性能明显下降.对于三维全五向编织复合材料，1＃试样的编织角为20°，拉伸强度为835 MPa；2＃试样的编织角为30°，拉伸强度为465 MPa，下降44.3%；对于三维五向编织复合材料，3＃试样的编织角为20°，拉伸强度为372 MPa；4＃试样的编织角为30°，拉伸强度为285 MPa，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，导致其对轴向承载的贡献度下降，材料整体拉伸性能下降［10-11］.

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.

（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，应力随应变在短时间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.

（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；随着编织角的增加，三维五向、三维全五向编织复合材料的拉伸性能均明显下降.

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Tensile Properties and Preparation of Three-Dimensional Full Five-Direction Braided Composites

XUEZai-nian1，CAOHai-jian1，QIANKun1，XUWen-xin2，LIYa2

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China；2.Jiangsu Kuangda Automobile Textile Group Co.Ltd.，Changzhou Jiangsu 213179，China）

High strength alkali-free glass fibers were used as raw materials，three-dimensional fivedirection and full five-direction braided fabrics were both prepared on full-automatic modular braided machine by using braided craft of four-step rule 1×1.Three-dimensional five-direction and full fivedirection braided composites were prepared by combined braided fabrics with resin matrix，which including epoxy resin E51 and firming agent 70＃ （tetralin phthalic anhydride）.Tensile properties of above braided composites were tested，and influence of structure parameters on tensile properties was studied，including axis yarns，braided angles and fiber volume fraction.The results showed that tensile properties increased with the increase of axis yarns and fiber volume fraction，and decreased with the increase of braided angles.Tensile property of three-dimensional full five-direction composites was better than that of three-dimensional five-direction ones.

three-dimensional five-direction；three-dimensional full five-direction；braided composites；tensile property；braided angle；axis yarn；fiber volume fraction

TB 332

A

2012-07-17

江苏省科技支撑计划资助项目（BE2011014）

薛再年（1961—），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-118＠163.com

曹海建（联系人），男，副研究员，E-mail：caohaijian20010＠163.com

1671-0444（2012）06-0646-04