曲面三维横编间隔织物复合材料的压缩性能

李晓英， 马丕波， 聂小林， 蒋高明

(1. 江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122; 2. 广东工业大学 艺术设计学院， 广东 广州 510090)

三维横编间隔织物复合材料是一种新型的三维复合材料，其增强体为横编间隔结构。在外形上间隔织物的独特之处就是结构整体性好，硬度高，质量轻，中空一体化的结构稳定牢固，间隔层具有较好的耐热、隔音、耐冲击等优异性能[1]。这种特殊结构的织物在产业用纺织品领域的应用范围很广，其复合材料的抗冲击性能强，在桥梁、汽车、航空航天等工业制造领域中也有较好的发展前景。

Unal等[2-3]研究了纱线连接和织物连接的纬编间隔织物编织方法及结构；Abounaim等[1，4-5]研发了一种新型横编织物层连接间隔结构，进而编织出各种曲率的间隔织物；缪旭红等[6-7]对经编间隔织物受压变形进行了分析；曹海建等[8-9]对机织中空结构复合材料的力学性能进行了研究；张明星等[10-11]对双轴向间隔纬编复合材料的准静态和冲击弯曲性能进行了研究。目前，对于曲面横编间隔织物复合材料的研究较少，在不同曲率复合材料的低速冲击及压缩等力学性能方面的研究尚显不足。

本文应用芳纶纱线开发新型织物连接间隔结构，编织了平面间隔织物及曲面间隔织物[12]；然后分别制成2组不同曲率的复合材料；利用电子万能材料试验机测试其压缩性能，并分组比较其载荷与位移的曲线关系，以期为后续关于曲面三维横编间隔织物复合材料力学性能的研究提供数据。

1 实验部分

1.1 原材料

采用440 dtex/100 f芳纶(熔点为480～570 ℃)3根合股。实验在STOLL电脑横机上编织，机器型号为CMS530，机号为3.5.2，由德国STOLL公司生产制造。

树脂体系：树脂采用亚什兰194酚醛树脂，固化剂采用阿克苏V388。树脂基体配方为m(酚醛树脂)：m(固化剂)=100∶1.5。

1.2 间隔织物结构

试样为织物连接间隔结构。为提高织物的力学性能，将增强纱纬向衬入织物表层。图1示出平面间隔织物编织工艺步骤。

图1 编织工艺步骤Fig.1 Knitting flow chart of flat-knitted 3-D spacer fabrics. (a) Step 1; (b) Step 2; (c) Step 3; (d) Step 4; (e) Step 5

步骤1：平针组织在前后针床轮流编织，见图1(a)。

步骤2：将浮线衬入织物表层，可选择在织针上间隔做集圈以避免浮线过长，见图1(b)。轮流编织步骤1、2至达到要求高度。

步骤3：平针组织在前后针床轮流编织，通过一隔一选针编织达到间隔层高度的二分之一，见图1(c)。

步骤4：罗纹组织将2个中间层连接，见图1(d)。

步骤5：同步骤3，见图1(e)。

通过调整编织程序，在织物密度、厚度等结构参数不变的情况下，使2个表层的编织长度不同，进而开发出不同曲率的间隔织物，如图2所示。

图2 曲面3-D间隔织物编织示意图Fig.2 Diagram of flat-knitted 3-D curvilinrear spacer fabrics

1.3 复合材料制备

本文采用真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM技术)将增强体与树脂复合，通过模具(曲率半径r分别为120、160、300 mm)将平面织物和曲面织物制成不同曲率的横编三维间隔织物增强复合材料，见图3。织物样片尺寸为140 mm×140 mm，厚度为15 mm。

图3 不同曲率复合材料Fig.3 Composites with different curvature angles. (a) Small and medium curvature; (b) Maximum curvature

1.4 压缩性能测试

在英斯特朗3385H型电子万能非金属材料试验机上测试复合材料的压缩性能。通过支承夹具固定试样两端，在横、纵2个方向进行压缩实验，如图4所示。支承夹具直径为140 mm，压缩速度为0.000 1 m/s。实验环境温度为25 ℃，湿度为50%。

图4 样品压缩实验Fig.4 Sample compression test

2 结果与讨论

2.1 不同曲率复合材料的压缩性能分析

2.1.1平面间隔织物复合材料

图5 平面间隔织物复合材料压缩载荷-位移曲线Fig.5 Compression load-displacement curves for composites with flat-knitted spacer fabric.(a)Coursewise; (b)Waleswise

图6 曲面间隔织物复合材料压缩载荷-位移曲线Fig.6 Compression load-displacement curves for composites with curvilinear spacer fabrics.(a)Coursewise; (b)Waleswise

图5示出平面间隔织物复合材料的压缩载荷-位移曲线。从图5(a)横向压缩曲线可以看出：初始阶段载荷随着位移的增大呈近似线性变化；随着压缩载荷的持续增加，织物样片弯曲且表面出现裂纹，树脂基体开裂；当载荷继续增加至一定程度(峰值)时，材料屈服，载荷急剧下降。

从图5(b)纵向压缩曲线可以看出：初始阶段载荷随着位移的增大基本重合并呈线性变化；随着压缩载荷持续增加，差异逐渐增大。第1个压缩载荷峰值出现是因为样片弯曲部位的中空结构首先承受载荷；第2个载荷峰值出现是因为首先承受载荷的中空结构完全破坏，随着压缩位移不断增加，材料凸面张力不断增大达到峰值；当载荷继续增加至一定程度(峰值)时，材料屈服，载荷急剧下降。

2.1.2曲面间隔织物复合材料

图6示出曲面间隔织物复合材料的压缩载荷-位移曲线。从图6(a)横向压缩曲线可以看出：随着织物样片曲率的增大，压缩载荷峰值也明显增大；初始阶段载荷随着位移的增大呈近似线性变化；随着压缩载荷继续增加，样片压弯形变，树脂基体开裂；当载荷持续增加至一定程度(峰值)时，材料屈服，载荷急剧下降。

图6(b)纵向压缩曲线可以看出：随着复合材料曲率的增大，压缩载荷峰值明显增大；当载荷持续增加至一定程度(峰值)时，材料屈服，载荷急剧下降。

2.2 相同曲率复合材料的压缩性能分析

表1示出曲率对压缩载荷的影响。对比最小曲率复合材料在横、纵向的压缩载荷峰值可知：曲面织物复合材料的横向压缩载荷峰值小于平面织物复合材料；而其纵向压缩载荷峰值大于平面织物复合材料。

表1曲率对压缩载荷的影响
Tab.1Influenceofcurvatureoncompressionload

曲率半径/mm压缩载荷/kN平面织物复合材料曲面织物复合材料横向纵向横向纵向30011.350.5710.680.6116015.350.6316.810.7112016.390.6322.570.84

对比中等曲率复合材料在横、纵向的压缩载荷峰值可得出：曲面织物复合材料的横向压缩载荷峰值略大于平面织物复合材料，其纵向压缩载荷峰值亦大于平面织物复合材料。

对比最大曲率复合材料在横、纵向的压缩载荷峰值可得出：曲面织物复合材料的横向压缩载荷峰值明显大于平面织物复合材料，其纵向压缩载荷峰值亦明显大于平面织物复合材料。

3 结 论

1)对比分析不同曲率间隔织物复合材料的压缩性能发现：随着复合材料样片曲率的增大，压缩载荷峰值也逐渐增大；横向压缩峰值均明显高于纵向；平面织物复合材料的纵向压缩出现2个压缩载荷峰值；曲面织物复合材料的横向压缩载荷峰值差距明显。

2)对比分析相同曲率间隔织物复合材料的压缩性能发现：随着曲率的增大，曲面织物复合材料的横向压缩载荷优势逐渐明显；曲面织物复合材料的纵向压缩载荷始终高于同曲率平面织物复合材料，且随着曲率的增大，曲面织物复合材料的纵向压缩载荷优势逐渐增大。

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