针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究.pdf

纺织科学与工程学报 第 卷第 期(总第 期)年 月 ()收稿日期:第一作者简介:田振亚()男硕士研究生研究方向:复合材料通信作者简介:吴晓青()女博士教授博士生导师:/针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究田振亚吴晓青(天津工业大学纺织科学与工程学院天津)摘 要:当下二维编织复合材料应用广泛特别是在特定的结构件上这主要是二维编织拥有较好的一体性但是与三维编织等其他材料相比二维编织复合材料的层间连接性并不突出将针刺工艺引入二维编织复合材料并对、编织角的复合材料的弯曲和短梁弯曲性能进行考察结果显示:针刺工艺确实增强了复合材料的层间强度其中提升最明显的属于 编织角的二维编织双轴针刺复合材料层间剪切强度提升了.并且针刺对于双轴二维编织复合材料层间剪切强度的提升要优于二维编织三轴复合材料但是针刺工艺也让复合材料的部分面内性能有所下滑 二维编织复合材料随着编织角度的增加复合材料的弯曲和层间剪切强度等性能都会有所下降其中性能最好的属于 编织角的二维编织复合材料三轴 编织复合材料弯曲强度和模量达到了.、.与三轴 编织角的复合材料相比强度和模量分别提升了.和.关键词:二维编织 针刺工艺 复合材料 力学性能中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言先进纤维增强树脂基复合材料将不断向高性能、多功能和低成本的方向发展制备复合材料的纤维预制体成型方法多样这也赋予了复合材料不同的结构与性能二维编织物便是其中一种 二维编织物是一种通过沿织物成型方向取向的三根或多根纤维(纱线)按照特定的规律倾斜交叉使纤维(纱线)交织在一起的工艺 在编织过程中喇叭状齿轮驱动携纱器分别沿顺时针和逆时针方向运动使两组纤维(纱线)分别沿 和 角交织形成织物 二维编织特有的编织方式赋予了其特有的结构与性能其编织角的变化可以有效控制复合材料的面内力学性能 并且二维编织工艺拥有机械自动化程度高、生产效率高、质量容易控制等优点就拿缠绕工艺和预浸料铺贴工艺来比二维编织预制件成型工艺这些优势突出 相对于三维编织而言二维编织拥有更简单有效的成型方法但是二维编织物多为管状或层状结构缺乏 向纤维的引入其层间连接性不如三维编织 面对二维编织的种种可控性优点将针刺工艺引入其中弥补其层间连接性的缺点将是一种有效方法针刺工艺可以以较低的成本并有效提高层间连接性将二维编织工艺与针刺工艺结合可有效避免二维编织复合材料的分层 虽然将针刺工艺引入到二维编织物中的研究甚少但对于针刺工艺引入各种织物的研究有很好的参考价值刘延友等采用针刺工艺方法制备了碳纤维复合材料 结果表明:随着针刺密度、针刺深度的增加碳纤维复合材料拉伸性能呈下降趋势其层间剪切性能呈先增后减趋势针刺深度对拉伸性能、层间剪切性能的影响比针刺密度更显著 刘建军等指出了针刺过程中所带来的纤维转移损伤针刺虽然成功将纤维由面内转移至面外增强了复合材料的层间性能但是也会对复合材料的面内性能造成损伤 殷忠义等研究了环氧树脂基针刺复合材料发现针刺工第 期针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究艺是增强了复合材料的 向性能但是 向纤维引入的离散性也将导致层间强度有较大的偏差 等比较了碳纤维机织物增强环氧树脂基复合材料和碳纤维毡增强环氧树脂基复合材料的平面拉伸和压缩性能且编织方式和针刺密度对复合材料平面拉伸和压缩性能都有影响 研究表明针刺工艺制备的复合材料已得到了普遍应用但是将针刺工艺引入二维编织复合材料并不多见本文将针刺工艺引入到二维编织复合材料的制备工艺中探究几种编织角下的复合材料短梁弯曲与弯曲力学性能此工艺与三维编织相比将以更低的成本提高复合材料的层间性能并且拥有二维编织复合材料的特有性能 实验.针刺二维编织预制件的制备二维编织预制件的制备试验采用巨石集团有限公司生产的 无捻粗纱作为编织纱线密度为 玻纤密度./编织机采用传统径向二维编织机编织纱锭数 锭轴纱数 锭 制备了、四种角度的二维编织双轴与三轴玻纤预制体具体参数在表 和表 中给出表 二维双轴编织预制件参数编号编织角/直径/厚度/纱宽/花节长度/.表 二维三轴编织预制件参数编号编织角/直径/厚度/纱宽/花节长度/.针刺二维编织纤维预制体制备所用刺针规格为.所用玻璃纤维毡为常州桦立柯新材料有限公司生产的 /玻璃纤维表面毡 根据预制件尺寸裁剪玻璃纤维毡与预制件尺寸一致将玻璃纤维毡与二维编织预制件按如图 所示结构交替铺层总共为 层织物 层毡管状二维编织预制件中间要穿插一层毡进行针刺针刺密度为 针/图 针刺二维编织预制件铺层结构.二维编织复合材料的制备本实验采用(真空辅助树脂传递模塑)工艺将干燥的预制件放置在模具中在真空下将低粘度树脂转移到预制件上然后进行树脂固化程序图 是本次实验采用 制备复合材料层合板的示意图 实验所用环氧树脂为四川东树新材料有限公司生产树脂型号为 固化剂型号为 树脂固化剂配比:对不同织物、不同角度、针刺与不针刺的预制体进行复合材料的制备图 工艺.复合材料短梁弯曲与弯曲性能测试短梁弯曲实验标准参照 进行裁样实验设备采用 万能强力 试 验 机 量 程 实 验 夹 具 采 用 专用夹具上压头直径 下压头 实验加载速度按照标准设定为 /实验正式开始之前必须调整压头是的加载压头接触试样表面对初始载荷与位移进行调零弯曲实验标准参照 进行裁样这里试样长度约为跨距的.倍长度方向为纤维轴向方向 据标准本次调整夹具间的距离为 且与刻度零点对称实验加载速度按照标准设定为/实验正式开始之前必须调整加载压头接触试样表面对初始载荷与位移进行调零测试纺织科学与工程学报 年 月 实验结果与分析.短梁弯曲实验结果与分析测试过程中试样侧面会逐渐出现层间发白出现白色条纹加载直至载荷出现波动下降趋势式样本身层间分裂侧面出现白色条纹现象符合标准中的可接受的层间剪切失效模式 根据测试结果图()和图()对比可以明显看出针刺前试样出现白色裂纹更为明显并且失效时白色条形裂纹更长这主要是材料层间连接性较差复合材料出现分层现象引起的而针刺之后条纹主要集中在加载区域条纹延申较短分层现象明显降低图 针刺前后试样短梁弯曲测试对比(.针刺前测试结果.针刺后测试结果)根据每组试样实验参数拟合载荷位移曲线图 为不同织物不同角度的短梁弯曲位移/载荷曲线由图可以看出二维三轴编织复合材料的失效位移在.之间而针刺之后失效位移在.之间二维编织双轴织物复合材料位移在.而针刺之后也会有所增加由下页图 可以明显看出同种织物针刺工艺增加了材料的层间剪切性能这主要是因为针刺工艺将 向纤维引入织物增加了织物层间的连接性对于不同角度的同种织物而言整体短梁弯曲性能呈现下降趋势 这主要跟织物编织角度有关对于三轴玻纤织物、的强度分别是.、.、.、.针刺之后复合材料短梁弯曲强度分别提高了.、.、.、.对于双轴玻纤织物、的强度分别是.、.、.、.针刺之后复合材料短梁弯曲强度分别提高了.、.、.、.对比可以明显看出针刺工艺对二维编织双轴织物复合材料的层间性能提高更多图 针刺前后不同织物不同角度复合材料短梁弯曲位移/载荷曲线(.玻纤三轴复合材料.玻纤三轴针刺复合材料.玻纤双轴复合材料.玻纤双轴针刺复合材料)第 期针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究图 针刺前后不同织物不同角度复合材料短梁弯曲强度.弯曲实验结果与分析测试过程中试样会逐渐弯曲变白出现裂纹直至试样加载到失效试样本身弯曲劈裂如图 所示 根据每组试样实验参数拟合载荷位移曲线图 为不同织物的弯曲位移/载荷曲线由图可以看出二维三轴编织复合材料的失效位移在 左右而针刺之后失效位移在 左右对于双轴织物来说位移较大达到了 左右针刺同样降低了失效位移 二维三轴编织复合材料失效载荷呈现断崖式下降而双轴则表现出比较好的圆滑曲线这主要是因为三轴织物轴纱的断裂和滑移现象引起的而双轴织物复合材料在实验的过程中表现出较好的韧性图 弯曲测试完成试样状态由下页图 可以看出同种织物随着角度的增加弯曲性能呈现出下降的趋势对于不针刺的玻纤三轴复合材料表现出最大的弯曲强度与模量分别达到了.、.但对于 和 编织角的双轴织物相对而言并没有表现出明显的下降趋势 整体表现出玻纤三轴编织复合材料针刺玻纤三轴编织复合材料玻纤双轴编织复合材料针刺玻纤双轴轴复合材料图 针刺前后不同织物不同角度复合材料的弯曲位移/载荷曲线(.玻纤三轴复合材料.玻纤三轴针刺复合材料.玻纤双轴复合材料.玻纤双轴针刺复合材料)纺织科学与工程学报 年 月图 针刺前后不同织物不同角度复合材料弯曲强度与模量对于针刺复合材料而言针刺工艺降低了材料的弯曲性能三轴、的针刺复合材料弯 曲 强 度 与 未 针 刺 织 物 相 比 分 别 下 降 了.、.、.、.双轴、的针刺复合材料弯曲强度与未针刺织物相比分别下降了.、.、.、.同样对于不同角度的三轴编织复合材料模量分别下降了.、.、.、.对于不同角度的双轴复合材料模量分别下降了.、.、.、.由此可以看出随着编织角度的增加针刺工艺对弯曲性能的影响降低并且针刺对双轴、的织物模量影响远高于其他织物复合材料 对于三轴织物而言因为其轴纱的存在在编织角都趋于轴向(、)时针刺工艺对弯曲强度影响较大这主要是因为针刺迫使纱线受损导致弯曲性能的降低当纤维角度趋于垂直于轴向的 和时影响就相对而言没那么明显了 对于双轴织物而言和 角度的模量急剧下降主要是因为双轴织物复合材料本身具有较好韧性当针刺破坏到趋于轴向的编织纱时这对复合材料的弹性模量影响较大 相对而言三轴织物因轴纱的存在模量并没有就降低很多 结论()本文主要对二维编织复合材料的弯曲和短梁弯曲性能进行考察 针刺工艺损伤了纤维导致复合材料面内弯曲性能下降但针刺工艺引入了 向纤维从而增加了复合材料的层间强度 短梁弯曲测试得到的层间剪切强度针刺复合材料得到了明显的提升其中提升最明显的属于 编织角的二维编织双轴针刺复合材料层间剪切强度提升了.并且针刺对于双轴二维编织复合材料层间剪切强度的提升要优于二维编织三轴复合材料 但是针刺工艺也让复合材料的部分面内性能有所下滑对于针刺二维编织复合材料弯曲性能测试中编织角的双轴二维编织复合材料下降最为明显强度和模量分别下降了.和.()对于编织角度对复合材料的影响是随着编织角度的增加复合材料的弯曲和层间剪切强度等性能都会有所下降 其中性能最好的属于 编织角的二维编织复合材料三轴 编织复合材料弯曲强度和模量达到了.、.与三轴 编织角的复合材料相比强度和模量分别提升了.和.()轴纱的加入会显著提高二维编织增强树脂基复合材料的轴向性能并且因为轴纱的缘故针刺工艺对三轴编织复合材料的轴向性能影响会相对较小 并且因为轴纱的加入让复合材料的断裂呈现出断崖式的断裂曲线二双轴织物则表现出较好的韧性失效之后并不会瞬间断裂参考文献 赵展.李炜.编织机及编织工艺的发展.玻璃钢/复合材料():.():.:第 期针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究():.李丹曦马亚运等.两轴向经编复合材料风机叶片拉伸性能试验研究.上海纺织科技():./.():.邵国为孙志宏王振喜等.三维突变截面预制件的编织工艺.东华大学学报:自然科学版():.刘延友程海霞乔志炜等.叠层针刺工艺参数对碳纤维复合材料力学性能的影响.上海纺织科技():.刘建军李铁虎郝志彪等.针刺炭布/网胎复合织物中的纤维转移和损伤研究.炭素技术():.殷忠义邓海亮等.碳纤维针刺预制体增强 树脂材料细观研究.电子工艺技术():.:.():.():.: