机织针织复合结构增强复合材料的弯曲性能

袁新林，徐艳华

（常熟理工学院 艺术与服装工程学院，江苏 常熟 215500）

机织针织复合结构增强复合材料的弯曲性能

袁新林，徐艳华

（常熟理工学院 艺术与服装工程学院，江苏 常熟 215500）

选用玻璃纤维作为经纬纱，高强涤纶作为针织纱，编织机织针织复合（CWK）织物，并以其为增强体采用真空辅助树脂传递模塑工艺制作增强复合材料.对该增强复合材料的横向、纵向和斜向弯曲性能进行了测试，分析各个方向的弯曲载荷-挠度特征曲线及其弯曲断裂形态.研究结果显示：该增强复合材料具有较好的轴向弯曲性能，其横向和纵向弯曲性能均优于斜向，且弯曲断裂都表现出一定的塑性，横向的弯曲能量低于其他方向.

机织针织复合织物；增强复合材料；弯曲性能；破坏形态

由于本身的成型性和灵活性好，纬编轴向结构工艺取得了较快的发展，尤其是横机编织工艺，可以用于生产一些对经编或圆型纬编工艺而言难度较大的产品.据此，国外开展了纬编轴向织物在产业用纺织品方面的应用研究，且主要集中于织物的编织技术和性能两方面.研究表明针织技术更为适合制作复杂形状的预制件，用纬编轴向织物制作成复合材料，将更为有效地利用纬编轴向织物，并进一步扩大其在产业中的应用［1-2］.国内自首次研制成功多层双轴向纬编（MBWK）结构以来［3］，对纬编轴向结构的性能研究主要集中于织物及其复合材料性能方面，得出 MBWK 织物具有良好的成型性能［4-6］，其复合材料具有很好的拉伸性能［7］和弹道冲击响应［8］，适合制作复杂形状复合材料.文献［9-12］研究了机织针织复合（CWK）纬编轴向结构，得出CWK织物在拉伸前阶段表现为机织物的性能，后阶段表现为针织物的性能［13］，其复合材料具有很好的拉伸性能，其断裂为脆性断裂［14］，在高应变率拉伸和压缩试验中均表现为对应变率敏感，属轻质吸能复合材料.文献［15］建立了CWK织物的几何模型，研究结果为CWK结构的应用提供参考.目前，对CWK织物复合材料的弯曲性能的研究还未见报道.为此，本文通过试验的方法，对文献［14］所制CWK织物增强复合材料的不同方向的弯曲性能进行测试、分析和比较，旨在进一步为这种CWK织物增强复合材料的应用提供参考.

1 试 验

1.1 复合材料参数

以线密度分别为2 400 tex和900 tex的无捻玻璃纤维粗纱作为经纱和纬纱、线密度为83.3×2 tex的高强涤纶纱为针织纱，在经改造后的针织横机［9］上编织预制件，预制件的结构如图1所示.纬纱衬入密度为93.79根／10cm、经纱衬入密度为25.61根／10cm.预制件结构和复合材料制作方法同文献［14］，复合材料厚度为1.84 mm，纤维体积分数为42.5%.

图1 机织针织复合结构预制件Fig.1 Co-woven-knitted composites perform structure

1.2 试验标准与条件

弯曲试验参照GB 1446—2005和GB 1449—2005进行.根据标准和复合材料厚度计算出试样规格如图2所示.按尺寸要求将复合材料切割成横向、纵向和45°斜向3种试样各5块，并对试样边缘修磨以确保其尺寸，在试样上标出30 mm跨距标线.试验仪器为电子万能试验机，加载上压头位于支座中间，且使上压头与支座面轴线平行，试验速度为2 mm／min.

图2 三点弯曲试样规格Fig.2 Three point bending sample specification

2 试验结果与分析

2.1 弯曲曲线特征分析

根据万能试验机记录的弯曲试样的载荷与挠度数据，可计算并绘制出相应的弯曲载荷-挠度曲线及弯曲能量-挠度曲线分别如图3和4所示，其中0°、90°和45°分别表示在横向试样、纵向试样和45°斜向试样的弯曲曲线.

从图3和4可以看出，CWK织物增强复合材料横向、纵向和斜向试样弯曲曲线特征表现出较大的相似性，说明弯曲破坏机理和形式相似，试样所发生的形变先是随负载的增加而增大，在达到最大弯曲负荷之后，形变增大而负载逐渐变小，直至试样完全破坏.

从图3还可以看出，弯曲初期3种试样的弯曲曲线均表现出较好的线性，而在达到一定弯曲挠度值（横向试样弯曲挠度1.6 mm左右，纵向和45°斜向试样弯曲挠度1 mm左右）后，曲线上凸，显示非线性变化.这是因为在弯曲初期，复合材料以一个整体来承受外力，纤维和树脂同时发生弹性变形，试样上表面受挤压作用，而下表面受拉伸作用，弯曲曲线呈现较好的线性.在弹性变形达到一定值时，试样上表面区域压应力增大，挤压方向的纤维相互挤压导致纤维／基体界面发生剪切破坏，下表面区域拉应力也增大，拉伸方向的纤维束发生滑移导致纤维／基体界面也发生剪切破坏，纤维和树脂不再同时发生弹性变形，材料弹性模量逐渐减小，弯曲曲线表现出上凸形状.

复合材料所承受弯曲载荷达到最大载荷时，材料发生弯曲破坏，并伴有树脂开裂的噼啪声，弯曲曲线表现出小的波动，材料逐渐卸载而发生塑性破坏，弯曲曲线则呈波浪式缓慢下降，呈现一定的韧性破坏断裂特征.这是因为材料中的经纱、纬纱和针织纱均为弯曲状态，弯曲过程中受力和伸直程度均不同，纤维发生分时断裂，因而材料逐渐卸载，弯曲曲线呈缓慢下降.这也说明材料损伤破坏在逐渐积累.图4表明，材料3个方向的弯曲能量以横向试样为最低.3种试样的最大载荷、破坏挠度以及计算所得到的弯曲强度、弯曲弹性模量和弯曲能量平均值如表1所示.

表1 试样弯曲性能测试值Table 1 The values for bending properties of samples

由表1可见，横向试样弯曲强度最大、纵向试样次之、45°斜向试样的弯曲强度最小.这主要是由于弯曲过程中，承担载荷的纤维主要沿试样长度方向分布，而3种试样中沿试样长度方向分布的纱线线密度总量不同，如表2所示.与纵向试样相比，横向试样中沿其长度方向分布的纱线总线密度高出约24.1%，最大载荷高出28.2%，而最大载荷与试样方向纱线总线密度之比（即纱线强度利用）仅高出5.4%，说明试样方向分布的纱线总线密度与弯曲载荷密切相关，但不影响纱线的强度利用.而45°斜向试样中经纱、纬纱和针织纱均为斜向分布，承担弯曲载荷的贡献最小，最大载荷、弯曲弹性模量和弯曲强度均最低，在图3的载荷-挠度曲线上表现出一定程度的韧性.

表2 试样内纱线总线密度与纱线强度利用Table 2 Total values of linear density and strength utilization of yarns for different samples

2.2 弯曲破坏形态分析

图5为复合材料纵向、横向和45°斜向试样典型的弯曲破损照片.从图5可以看出，试样的破坏主要表现为试样上表面出现白斑和拱起，部分纤维因挤压而发生断裂；试样下表面出现白斑和裂纹，侧面有裂口，部分纤维因拉伸而断裂.白斑和裂纹处在与试样边缘垂直方向上；而45°斜向试样下表面有不规则裂纹，边缘有明显的分层裂纹.原因可能是在弯曲过程中，试样的上表面和下表面分别承受压缩应力和拉伸应力，在试样受力达到一定值时，受压的上表面最先发生破坏，表现为树脂基体塑性形变而发生拱起，同时纤维随拱起变形而发生弯曲甚至断裂，并有部分纤维束被挤压出来，发生纤维／基体界面的脱黏，在上表面形成白斑，白斑大小反映界面脱黏程度的高低.随着载荷的进一步增大，试样受拉的下表面受拉伸应力作用，基体发生开裂，在下表面形成裂纹，并有纤维发生断裂，部分纤维被拉出，发生纤维／基体界面脱黏，在下表面形成白斑，脱黏越严重则白斑越大.而在45°斜向试样中，纤维束是斜向分布的，经纱和纬纱处于相互垂直的状态，在试样承载弯曲时，纱层中拉伸和压缩应力也处于相互垂直的状态，导致试样在破坏过程中出现劈裂分层现象.

图5 CWK织物增强复合材料弯曲破坏形态Fig.5 Rupture forms of the CWK fabric reinforced composites

3 结 语

本文研究了机织针织复合结构增强复合材料的弯曲性能，通过试验和分析，得到如下的结论.

（1）CWK织物增强复合材料在弯曲初期表现出较好的线性特征，后期表现为塑性破坏特征；轴向分布的纱线线密度总数与试样轴向弯曲力学性能密切相关，但其不影响纱线的强度利用.

（2）CWK织物增强复合材料的弯曲破坏形式主要为聚乙烯树脂遭受挤压或出现裂纹时，在试样上表面产生白斑和拱起，下表面产生白斑和裂纹，部分纤维因压缩应力或拉伸应力而断裂；白斑和裂纹贯穿整个试样宽度方向，并与试样边缘垂直；而45°斜向试样下表面有不规则裂纹，边缘有明显的分层裂纹.

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Bending Properties of Co-woven-knitted Structure Reinforced Composites

YUANXin-lin，XUYan-hua

（School of Arts ＆Garments Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu Jiangsu 215500，China）

The co-woven-knitted （CWK）fabric was produced using glass filaments as warp and weft inserted yarns and high tenacity polyester as stitch yarn.Then the CWK fabric was used as reinforcing to produce the CWK reinforced composites by vacuum assisted resin transfer molding process.The width

wise，longitudinal，and diagonal bending of the CWK reinforced composites was tested.The bending properties of the composites were investigated by analyzing the load-deflection curves and breaking modes.The strength comparison was made between the warp and weft of the composites.The results revealed that the bending strength in the axial direction was relatively higher，and the bending strength in weft and warp directions was better than that in diagonal direction.Plastic fracture breaking was observed and bending energy absorbing in the weft direction was less than those in other directions.

co-woven-knitted fabric；reinforced composites；bending properties；damage mode

TS 181.8；TB 332

A

2012-02-05

袁新林（1971—），男，江苏姜堰人，副教授，硕士，研究方向为针织新结构及其复合材料性能.E-mail：xingling-1971＠163.com

1671-0444（2013）02-0181-04