2.5维机织复合材料低速冲击性能研究.pdf

　８　　２．５维机织复合材料低速冲击性能研究　　２０１４年１月　２．５维机织复合材料低速冲击性能研究　　　　　　袁守忍，曹海建，钱坤　　　（１．江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡２１４１２２；　　　２．江南大学纺织服装学院，江苏无锡２１４１２２）　　摘要：本文以６４ｔｅｘ亚麻纤维、３３ｔｅｘ丙纶（ＰＰ）纤维为原料，在花式捻线机上形成ＰＰ包覆亚麻的包缠纱；分别以上述包缠　　　纱作为经纬纱，在ＳＵ１１１型全自动剑杆织样机上制织三种典型２．５维机织物（浅交弯联、浅交直联、深角联），并在Ｃａｒｖｅｒ热压　　　设备上热压制成２．５维机织复合材料板材。分别选取厚度为ｌｍｍ、纤维体积含量为４８％的上述三种２．５维机织复合材料进行　　低速冲击性能研究。结果表明，浅交弯联复合材料抗低速冲击时，最大载荷最大，为５７５．１Ｎ，深角联最小，为３０１．７４Ｎ；浅交弯　　联复合材料受低速冲击载荷时，吸收能量最多，达０．８１６Ｊ，深角联吸收能量最小，为０．７７１Ｊ。　　　　　　　　　　关键词：２．５维机织复合材料；低速冲击性能；浅交弯联；浅交直联；深角联　中图分类号：ＴＢ３３２　　———　文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）Ｏ１０００８０５　１前　言　纺织复合材料由纤维及其纤维制品为增强体复　　合而成。由于纺织复合材料的预制件结构多样，并　且具有良好的力学性能（高比强度和高比刚度）及　　　变形的能力，纺织复合材料被广泛应用于汽车、建筑　材料和航空领域。三维复合材料在厚度方向附加了　　　　　增强纤维，克服了脱层问题，增加了层间剪切强度，　使得三维复合材料相对二维复合材料，在整体抗冲…　　击性能和耐疲劳性能上有更大的优势。　　２．５维机织复合材料是三维复合材料的重要组　成部分，具有三维复合材料的传统优点，并且它可以一　　　　　次成型、完全自动化、连续化生产ｊ。所以２．５维　　　复合材料生产效率高，生产成本较低廉，目前已得到　　了广泛的应用。　近年来，随着２．５维复合材料的推广，其研究工　　　　作也在不断深入。李明等研究了２．５维机织复合　　　材料冲击后剩余强度；张艳红＿２研究了２．５维机织　　　　　　　　　增强材料结构参数对经向拉伸性能的影响；杨秋　　　　红等研究了织物结构对２．５维织物复合材料冲击　动态力学性能的影响。但是由于受到复合成型工艺　　　的局限，目前还没有在同一纤维质量百分比的情况　　下对比不同结构２．５维复合材料的力学性能，而纤　　维百分比是影响复合材料力学性能的主要因素。　本文选取亚麻作为复合材料的增强体，在花式　　　　　　捻线机上形成ＰＰ包覆亚麻的包缠纱（包缠纱可以　　　　较好的控制树脂的含量，以得到不同结构、纤维质量　　　　百分比一致的复合材料）。然后在全自动剑杆织　　　　样机上织造三种典型的２．５维机织物，并用热压的　　方法制得２．５维机织复合材料。本文重点研究了在　　　　经纬密一致和纤维质量百分比一致时，２．５维机织　复合材料的结构对冲击性能的影响。　　２２．５维复合材料冲击试验件的制备　　２．１原料设备　　　　　原料：亚麻（６４ｔｅｘ），宜兴市舜昌亚麻纺织有限　　　公司；聚丙烯（ＰＰ）纤维复丝（３３ｔｅｘ），浙江绍兴超特　　合纤。　　　　　　设备：ＹＣＨＮ５０５型花式捻线机，苏州新二机电　　　有限公司；ＳＵ１１１型全自动剑杆织样机，无锡中阳机　　　　　电有限公司；Ｃａｒｖｅｒ热压机，美国Ｃａｒｖｅｒ公司；３０５０一　　　　Ｂ型四通道加速度测试仪，比利时ＬＭＳ公司；双导　　轨落锤冲击装置，自制。　　　　２．２结构设计　２．５维机织复合材料是三维复合材料的重要组　成部分。其经纱与纬纱相互垂直，且在厚度方向以一　　定的深度与角度同纬纱交织ｊ。可以按照要求设　　—　收稿日期：２０１３－０４１０　　　　　　　　　　　基金项目：中国博士后科学基金面上资助项目（２０１２Ｍ５２０９９５）；苏北科技发展计划项目（ＢＣ２０１２４６５）；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：袁守忍（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向为纺织复合材料的设计与开发。　　通讯作者：曹海建（１９７９一），男，博士，副研究员，研究方向为纺织复合材料，ｃａｏｈａｉｊｉａｎ２００１０＠１６３．ｃｏｍ。　　　　ＦＲＰ／ＣＭ２￣ｉＮｉ　　　２０１４年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　９　　　　　　　　　　　计不同的经纱交联角度和厚度，得到结构不同的　　　　　２．５维机织物。另外，还可以通过设计不同层数、增　　　　加衬经、衬纬系统，得到结构更加丰富的２．５维机织　　　织物。本文设计了三种典型的２．５维机织复合　　材料：浅交弯联、浅交直联和深角联，如图１所示。３　种结构复合材料的层数均为４层，经纬密一致（经密　　１００根／ｌＯｏｍ，纬密２８０根／１０ｃｍ）。　　（ａ）浅交弯联　（ｂ）浅交直联　（Ｃ）深角联　　　　图１２．５维机织物的经向剖面示意图　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆ２．５Ｄｗｅａｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　２．３试样制备　　　　２．５维机织复合材料的制备工艺参照文献。　　３低速冲击试验　　　　３．１低速冲击试验件　　　　本实验参考层合板的低速冲击实验，制得试验件的尺寸为：１０×　１０ｃｍ。　　　３．２低速冲击性能测试　低速冲击测试系统由自制的双导轨落锤装置和　　ＳＣＭ０１型四通道声振分析仪组成。可以测得２．５维　　　　　　　　机织复合材料低速冲击实验的加速度动态响应过　　　　　　程，落锤装置如图２所示。试样件固定在中间开口　　　为圆形，直径为７６ｒａｍ的夹具之间；冲击头为９ｍｍ　的刚半球面，落锤的质量为３．３４３ｋｇ。每组测试５个　样，数据取其平均值。　　　图２落锤冲击装置　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｄｒｏｐｈａｍｍｅｒｉｍｐａｃｔｄｅｖｉｃｅ　　　低速冲击测试系统的响应流程如图３所示。先　由单轴向加速度传感器采集低速冲击过程中的动态　加速度，经四通道加速度测试仪处理后由７７７０．Ｎ４　型ＦＦＴ分析软件输出。其中单轴向加速度传感器型　　　号为４５１３一Ｂ－００１型。灵敏度为１００ｍＶ／ｇ（灵敏度偏　　　　差：小于＋５％），频率范围为（１０％）１～１０ｋＨｚ。　　　目前还没有２．５Ｄ复合材料低速冲击的国家标　　　准，根据板材的厚度及每平方米克重等实际情况，将　　冲击能量定为１Ｊ。　　图３低速冲击测试系统的响应流程　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｒｅｓｐｏｎｓｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗｓｐｅｅｄｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ　　３．３公式计算　　３．３．１落锤高度　确定低速冲击能量后，落锤高度可以由公式　　（１）计算：　　　Ｈ／５　（１）　　　　／一嗽４、　　２０１４年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　５００　５２０　５４ｏ　５６０　５８０　时间／ｍｓ　４ｏｕ　时间／ｍｓ　　图５低速冲击实验加速度．时间曲线　　—　　　　　　　Ｆｉｇ．５ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅＣＨＩＶｅｏｆｌｏｗｓｐｅｅｄｉｍｐａｃｔｔｅｓｔ　由公式（２）可知，低速冲击过程中，落锤所受的　　　载荷和其加速度呈线性关系，载荷．时间曲线与加速　度一时间曲线具有相似的形貌，只是载荷一时间曲线　　的纵坐标是加速度．时间曲线的ｍ倍。通过计算可　　　以得出２．５维机织复合材料低速冲击过程中最大载　　　荷的平均值，如图６所示。　６００　５５ｏ　５０ｏ　４卯　　种　３５０　　｛辜３００　２５０　　枷　ｌ卯　ｌ０Ｄ　５０　Ｏ　浅交弯联　浅交直联　深角联　　图６２．５维机织复合材料低速冲击最大载荷　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｏａｄｏｆｌｏｗｓｐｅｅｄｉｍｐａｃｔｔｅｘｔｏｆ　　　２．５Ｄｗｏｖｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　　由图６可知，２．５维机织复合材料抗低速冲击　　　性能为：浅交弯联＞浅交直联＞深角联。其中，浅交　　　弯联低速冲击载荷为５７５．１Ｎ，浅交直联为３４３．５Ｎ，　　　深角联为３０１．７Ｎ。　　　原因分析为：纤维增强复合材料在冲击试验中，　　　由Ｈｅｒｔｚ接触定律有：　Ｆ＝Ｋａ　（５）　　　　　　式中，Ｆ为接触力；ｏｔ为复合材料在冲击过程中　　　　　的变形量；Ｋ为接触刚度，其与材料的阻尼、质量及　　　　刚度等因素有关。纤维复合材料在冲击过程中，轴　　　　向剪切的阻尼最强，是其他方向阻尼的数十倍；而机织复合材料的纤维的屈曲能增强剪切的阻尼¨　　，且　浅交弯联的屈曲程度最高，深角联屈曲程度最低。　　４．２．２低速冲击能量吸收　图５反映了２．５维机织复合材料低速冲击的整　　　个动态过程，三种结构的加速度一时间曲线有很大的　　　　相似性。由图５可知，低速冲击的整个过程可以分　为两个阶段：落锤压迫机织复合材料做功和机织复　　　合材料推动落锤做功，两者之差即为机织复合材料　　　　在冲击过程中吸收的能量。通过上文已经给出的公　　　式，计算得出２．５维机织复合材料在低速冲击过程　　　　中吸收的能量，如图７所示。　浅交弯联　浅交直联　深角联　　　　　图７２．５维机织复合材料低速冲击吸收的能量　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．７Ｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｌｏｗｓｐｅｅｄｉｍｐａｃｔｔｅｘｔｏｆ　　　２．５Ｄｗｏｖｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　　　　　　　　　　由图７可知，浅交弯联吸收的能量最多，为　　　　　０．８１６Ｊ；深角联吸收的能量最少，为０．７７１Ｊ；浅交直　　联吸收的能量为０．８１３Ｊ。　　　机织复合材料的屈曲在冲击过程中，以震动的　　　方式将吸收的能量扩散，纱线的屈曲越大，其吸收能　　　　量越多且复合材料的韧性最差。而２．５维机织　复合材料中，浅交弯联的屈曲最大，深角联屈曲最　少。所以，浅交弯联吸收的能量最多；深角联韧性最　好，吸收的能量也最少。　２０　　　　∞　　　∞　　　旧ｍ啪啪西柏ｏ珈　　　珊瑚　目、憾镧曩∞　　鲫　砷　帕　勰　０　自蠡　曩　　　　２．５维机织复合材料低速冲击性能研究　　２０１４年１月　　　５结论　　（１）由２．５维机织复合材料低速冲击特性可知，　　　在较小能量冲击下，浅交弯联最易受冲击损伤，经纱　断裂，深角联受冲击损伤最小，经纬纱均未断裂，受　到低速冲击后，浅交直联介于两者之问；　　（２）２．５维机织复合材料抗低速冲击载荷能力　　　　　大小为：浅交弯联＞浅交直联＞深角联。在冲击过　　程中，浅交弯联吸收能量稍多于浅交直联，明显多于　深角联。　参考文献　　　　　　［１］易洪雷，丁辛．三维机织复合材料力学性能研究进展［Ｊ］．力学　—　进展，２００１，（２）：１６１１７１．　　　　　　　［２］张艳红．２．５维机织增强材料结构参数对经向拉伸性能的影响　　　［Ｄ］．无锡：江南大学，２００８．　［３］李明，周光明，王新峰．２．５Ｄ机织复合材料冲击后剩余强度研究　　—　［Ｊ］．材料工程，２００９，（增刊２）：３０７３１１．　　　　　　［４］杨秋红，王瑞，徐磊．织物结构对２．５维织物复合材料冲击动态　力学性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（５）：４４４７．　　　　　　　　　　　　　　　　　　［５］奚莺．亚麻增强热塑性树脂基复合材料［Ｄ］．上海：东华大　　学．２００７．　　　　　　［６］曹海建，钱坤，李鸿顺．２．５Ｄ机织复合材料的设计与织造［Ｊ］．上　　—　海纺织科技，２００９，（１）：１２１４．　　　　　　　［７］杨彩云，李嘉禄．复合材料用３Ｄ角联锁结构预制件的结构设计　　及新型织造技术［Ｊ］．２００５，３１（５）：５３－５８．　　［８］申小宏．组合式３Ｄ机织结构设计及其复合材料性能研究［Ｄ］．　　　杭州：浙江理工大学，２００５．　　［９］袁守忍，曹海建，钱坤等．汽车内饰用２．５维机织复合材料的制　—　备及拉伸性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（５）：７９８３．　　　　　　　　　［１０］周红涛，钱坤，曹海建等．铝蒙皮整体中空夹层复合材料低速　　　冲击的实验研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（１）：４９－５２．　［１１］张彦．纤维增强复合材料层合结构冲击损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