不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能

李翠玉，罗岳文，贾静艳，冯亚男，杨 雪

(1 天津工业大学 纺织学院，天津 300387; 2 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387)



不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能

李翠玉1,2，罗岳文1，贾静艳1，冯亚男1，杨 雪1

(1 天津工业大学 纺织学院，天津 300387; 2 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387)

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料，在电脑横机上编织出较理想的UHMWPE纤维纬平针、罗纹、畦编针织结构织物。采用VARTM工艺、(0°,90°)3s铺层方式成功制备了六层纬平针、六层罗纹以及六层畦编UHMWPE纤维纬编针织复合材料板。对三种复合材料板的弯曲性能及其影响因素进行研究，比较并分析其弯曲应力-挠度变化曲线和破坏形式。结果表明：三种UHMWPE纤维纬编针织结构增强复合材料的弯曲应力-挠度曲线具有非线性特征，曲线均类似于抛物线；其中，纬平针织结构复合材料的弯曲强度最大，罗纹次之，畦编最小；承受弯曲破坏的主要是树脂基体，没有出现增强体断裂、撕开等现象，表明由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力。

UHMWPE纤维；VARTM；纬编针织复合材料；弯曲性能

在纺织复合材料的发展中，纬编针织结构增强复合材料的发展是较晚的，但由于它所具有的一些独特性能，如，良好的成型性、优良的抗冲击性和较低的生产成本等[1-4]，国内外学者对其研究日益增多和深入，应用也越来越广泛[5-7]。UHMWPE纤维具有很多优异的性能，在国民经济的各个领域中发挥着重要的作用，被称为“奇异的塑料”[8]；且UHMWPE纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、耐冲击性好、介电性能及防弹性能高的特点，近几年得到了迅速的发展。而关于UHMWPE纤维纬编针织复合材料不同组织结构对其力学性能的影响方面的研究还较少[9-11]。

曹海建等[12]研究了三维全五向编织复合材料的弯曲性能，得出编织复合材料的弯曲性能随着编织角的增加而减少，随着轴纱、纤维体积分数的增大而增加；三维全五向编织复合材料的弯曲性能明显好于三维五向编织复合材料。梁倩囡[13]对缝合编织复合材料低速冲击及冲击后弯曲性能进行了研究，在3.2J/mm的冲击能量作用下，缝合编织复合材料的冲击损伤模式主要为基体开裂、裂纹，且冲击作用对试样的弯曲性能造成消极影响，其中相比于弯曲强度，弯曲模量对冲击损伤更加敏感。徐艳华等[14]对双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料做了弯曲性能测试，研究表明其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。

Allison等[15]研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的弯曲性能，用三点弯曲测试探究几何波对材料强度的影响，结果表明波纹会降低强度。Li 等[16]研究了集成3D编织垫片复合材料在室温和低温下的弯曲性能和破坏机理，结果表明，弯曲性质在液氮温度下比在室温下明显改善。Ren等[17]研究了连续复合波纹钢腹板桥梁的弯曲性能，经过探讨推导出波纹钢网复合梁的计算方法和有效弹性模量的计算公式。

Xue等[18]对SiC /铝复合材料的弯曲性能做了研究，得出弯曲强度开始呈增长趋势，达到最大值435 MPa后逐渐减小。

UHMWPE 纤维增强复合材料已被广泛应用于建筑、医学、运动、航空航天等重要领域，其力学性能的研究已受到学者的广泛关注和重视，而对UHMWPE 纤维纬编针织复合材料弯曲性能的研究却不多见。本工作探究不同组织结构等因素对纬编针织复合材料弯曲性能的影响，为UHMWPE纤维纬编针织复合材料的设计与应用提供参考。

1 实验

1.1 纬编针织物的编织

实验所用UHMWPE纱线是经过络筒、长丝加捻及纱线卷绕改造成为符合针织用纱要求(捻度均匀偏低、摩擦因数小等)的捻度为25捻/10cm的67tex纱线。

使用机号为12E的LXC-252SC龙星电脑横机编织纬平针、罗纹、畦编组织三种针织物。纬平针是针织物中最基础、最简单的织物，罗纹具有优良的弹性，畦编是既有集圈又有基本组织的织物，此三种针织物适合作对比参照实验。经过反复试织，不断调整参数，从而得到比较理想的编织工艺参数，即实验中度目(弯纱深度)为90，牵拉力25，机头速率0.4m/s，最终编织出比较理想的纬平针、罗纹和畦编纬编针织物，下机后得到三种不同组织结构织物的工艺参数如表1所示。

表1 三种不同组织结构织物的工艺参数

1.2 纬编针织复合材料试样的制备

复合材料试样的制备采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)。选择无色低黏度的GCC-135环氧树脂和蓝色GCC-137固化剂作为树脂基体体系，树脂与固化剂的质量比为100∶30，室温固化24h。为使制备的复合材料均衡对称，六层纬平针织物、六层罗纹织物以及六层畦编织物分别采用(0°，90°)3s铺层方式，如六层复合材料的对称铺层方式为(0°,90°,0°,90°，0°,90°)。

经过多次试制，优化实验条件，最终制备出比较理想的纬平针、罗纹和畦编UHMWPE纤维纬编针织增强复合材料，如图1所示，图1(a)为粘接好的真空膜试样图，图1(b)为制备完成后复合材料板。

制得的UHMWPE纤维纬平针、罗纹、畦编纬编针织复合材料的厚度分别为3.56，3.62，3.67mm，纤维体积分数分别为37.08%，34.46%，32.27%，纤维体积分数间存在微小差异的主要原因是织物本身结构的特点：不同组织结构的纬编针织物结构紧密度不同，复合时对称铺层方式使得织物横、纵列相互交叉，层间结合时紧密度存在差异，导致树脂浸润过程中树脂的渗透率不同，而最终三种结构纬编针织复合材料板的纤维体积分数存在差异。

图1 制备完成前后的复合材料 (a)粘好真空膜的试样;(b)制备好的复合材料Fig.1 The composite before and after fabrication (a)bonding with vacuum membrane；(b)the composite after fabrication

1.3 纬编针织复合材料弯曲实验

参照GB/T1449—2005[19]实验标准，采用三点弯曲方法进行实验，将试样对称的放在两支座上，在两支座间的试样中间施加集中载荷。采用的仪器为CSS-44100电子万能试验机，复合材料试样尺寸参照标准，将制得的三种纬编针织结构复合材料分别沿纵向(90°方向)和横向(0°方向)切割成标准尺寸，加载速率为2mm/min，实验中每种试样测试5块。由CSS-44100电子万能试验机得到载荷与挠度的数据，根据实验标准对得到的数据进行处理，计算并绘制出应力-挠度曲线。

2 实验结果与讨论

2.1 弯曲性能分析

不同结构纬编针织复合材料横、纵向弯曲性能比较见表2，90°表示纵向，0°表示横向。由表2的数据可以看出纬平针织结构复合材料所受弯曲应力最大，畦编最小，而在同种结构中横向与纵向的最大弯曲应力相差不大，表明采用(0°,90°)3s铺层方式，可以使复合材料板受力均匀，并使横向与纵向的抗弯能力几乎一致。

表2 三种纬编针织复合材料弯曲性能

采用origin画图得到三种纬编针织结构复合材料纵、横向弯曲应力-挠度特征曲线，如图2所示，图2中0°表示纬编针织结构复合材料沿横向裁剪试样的弯曲实验曲线，90°表示沿纵向裁剪试样的弯曲实验曲线。

从三种纬编针织结构复合材料的弯曲应力-挠度曲线和表2的数据可以看出：

(1)三种纬编针织结构复合材料的应力-挠度曲线均呈非线性，形态更似于抛物线，即弯曲应力随着挠度值的增加不是成比例增加，这主要是由于采用三点弯曲方法，支座只对试样垂直方向移动有约束，对水平方向移动没有限制，实验中复合材料增强体原料UHMWPE纤维为高性能纤维，强度高，随着跨距中央加载上压头的不断下降，试样弯曲度越来越大，最终试样与支座之间产生相对滑动脱落，承受抗弯力的主要是树脂基体，且没有出现树脂断裂的现象，表明树脂与增强体复合而成的UHMWPE纤维纬编针织复合材料具有较好的韧性和较高的抗弯强度。三种结构复合材料的弯曲曲线特征具有相似性，表明三种结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲破坏机制与方式相似。

(2)三种纬编针织结构复合材料的应力-挠度曲线初始阶段线性度较好，随着挠度值不断增加表现出呈非线性变化规律，曲线在最高点处呈圆弧形，随着试样挠度缓慢上升到一定高度时，弯曲应力直接下降为零，如图2所示。导致曲线有如此变化规律的原因是随着跨距中央加载上压头的不断下降，达到最大弯曲应力时，试样在支座位置发生滑移，弯曲应力开始缓慢下降，当试样挠度达到一定高度后，试样从支座上滑落。

(3)同一种UHMWPE纤维纬编针织结构复合材料板的纵、横向弯曲应力-挠度曲线相似，差别很小，表明实验中试样铺层均衡对称，使试样弯曲纵横向性能的差别减小；有微小差异的原因是由于织物结构虽相同，但在树脂中线圈的形态、几何参数、界面状况等不可能处处完全一致，导致对复合材料弯曲应力-挠度曲线有一定的影响。

图2 三种纬编针织复合材料0°，90°方向应力-挠度曲线 (a)纬平针；(b)罗纹；(c)畦编Fig.2 The stress-deflection curve of three kinds of weft knitted composites in 0°and 90°direction (a)weft plain;(b)rib;(c)cardigan

图3为三种纬编针织结构复合材料弯曲纵向应力-挠度曲线(图3(a))、横向应力-挠度曲线(图3(b))以及总的应力-挠度曲线(图3(c))。一般认为开始承受弯曲载荷的主要是基体树脂，在起始阶段三条曲线几乎重合，但随着加载上压头的不断下降，不同纬编针织结构体系也起一定的作用，从图中可以观察到，三种纬编针织结构复合材料的挠度曲线变化规律相近，纬平针织结构承受的弯曲力最大，罗纹次之，畦编最小。主要原因如下：一是由于三种针织物的横纵密度不同，其中纬平针的横纵密度最大，畦编最小，在实验中纬平针能够承受更大的弯曲载荷，且纬平针、罗纹、畦编复合材料的纤维体积分数、面密度等基本参数依次减小；二是由于三种织物结构之间的差异，纬平针结构较为紧密，延展性相对稍差，罗纹组织是由正反线圈圈套而成，延展性较好，而畦编结构是由反面集圈圈套而成，线圈长度不匀，因此其强度比纬平针织结构和罗纹针织结构的小，受到弯曲作用力时，其最大弯曲力最小。因此，UHMWPE纤维纬编针织结构复合材料抗弯强度也会受针织结构的工艺参数以及复合材料的纤维体积含量、面密度等因素的影响。

图3 三种纬编针织复合材料应力-挠度曲线 (a)90°方向；(b)0°方向；(c)0°和 90°方向Fig.3 The stress-deflection curve of three kinds of weft knitted composites (a)0°direction;(b)90°direction;(c)0°direction and 90°direction

2.2 弯曲破坏形式分析

弯曲断裂破坏与拉伸断裂破坏不同，试样拉伸断裂一般是从基体破坏开始，直至增强体脱层、撕开、断裂结束，而试样的弯曲破坏开始主要是树脂基体在起作用。实验采用目视检测方法和扫描电镜来观察内部破坏形态。弯曲损伤试样上表面受到挤压，受压面无明显变化，下表面受到拉伸作用，受拉面出现泛白现象，复合材料中增强体部分的线圈受弯曲力的作用而逐渐伸直，但并未发生断裂，直到试样滑离支座。一般认为随着树脂遭到破坏后，复合材料弯曲能力下降，即复合材料被破坏，试样在压头作用的位置上发生了永久的弯曲变形；由于与树脂相比，增强体织物更柔软，并没有出现增强体断裂、撕开等现象，这也表明了由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力。如图4所示为试样弯曲破坏图(以纬平针织结构为例)，从图中可以看到，织物结构并没有受到撕裂性破坏或出现脱层现象，只是由于基体的损伤使复合材料失去抗弯曲能力。

图4 试样弯曲破坏图 (a)上表面;(b)下表面Fig.4 The figure of curving and destructive sample (a)the upper surface;(b)the lower surface

图5为UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲处的纤维表面在SEM下的微观图，图5(a)为弯曲破坏后多根纤维与树脂整体图，图5(b)为单根纤维表面树脂破坏图，从图中可看出，试样的破坏主要是树脂遭到破坏，纤维并未抽拔出来，纤维增强体没有断裂情况发生。由于复合材料中增强体为纬编针织物，与树脂相比，增强体织物更柔软，所以并未出现增强体断裂、撕开等现象，这也表明了由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力。在纬编针织复合材料的弯曲中很少有树脂与增强体同时遭到破坏的情况，通常树脂遭到破坏后，复合材料便不再具备弯曲能力了，由图5(a),(b)可以看到浸润在纤维表面的树脂遭到了不同程度的破坏而纤维几乎不受影响，这正是纬编针织复合材料弯曲破坏的主要形式。

图5 弯曲后纤维表面SEM照片 (a)多根纤维;(b)单根纤维Fig.5 SEM images of fiber surface after bending (a)several fibers;(b)single fiber

图6(a)所示为弯曲正面树脂破坏的微观图，从图中可以看到，树脂在某些地方遭到较严重的破坏，而纤维并未抽拔出来，这也说明了树脂与增强体浸润良好。图6(b)为弯曲破坏处的截面图，由此可以反映出层间情况：有轻微的裂痕，但是裂纹不显著，说明并未有严重的脱层现象发生。从图5与图6的SEM图可知，UHMWPE纤维纬编针织复合材料是由于基体的解体导致其失去了弯曲能力，纤维并没有出现断裂、抽拔等破坏情况。

图6 弯曲后树脂破坏SEM照片 (a)弯曲正面；(b)弯曲截面Fig.6 SEM images of destructive resin after bending (a)the right side;(b)the section

3 结论

(1)三种UHMWPE纤维纬编针织结构增强复合材料的弯曲力学性能曲线具有非线性特征，弯曲应力-挠度曲线均类似于抛物线；当挠度达到一定值后，试样从支座上滑落，弯曲应力下降为零。

(2)三种纬编针织结构复合材料在最大应力处的挠度相差较小，同一种纬编针织结构的纵、横向弯曲应力-挠度曲线相近，数值相差甚小，这是由于采用(0°,90°)3s铺层方式使得材料的横纵向承受弯曲能力一致。

(3)三种纬编针织结构复合材料中纬平针的弯曲强度最大，罗纹次之，畦编最小，表明不同组织结构织物的工艺参数、不同组织结构针织复合材料的纤维体积含量等基本参数对复合材料弯曲性能均有一定影响。

(4)承受弯曲破坏的主要是树脂基体，没有出现增强体断裂、撕开等现象，这也表明了由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力。

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Bending Properties of UHMWPE Fiber Weft Knitted Composites with Different Structures

LI Cui-yu1,2,LUO Yue-wen1,JIA Jing-yan1，FENG Ya-nan1,YANG Xue1

(1 School of Textile, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China; 2 Key Laboratory of Advanced Textile Composites(Ministry of Education),Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Three kinds of weft knitting structure fabrics (weft plain, rib, cardigan ) based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) as raw materials were knitted by computerized flat knitting machine. Each kind of fabric was laminated from six layers into composite material plates respectively, which is laid up in (0 °, 90 °)3sby VARTM. The bending performance and the influencing factors of the three kinds of fabrics were studied, which were followed by the comparison and analysis of the stress-deflection curve and the failure mode. The results indicate that the bending stress-deflection curve of three kinds of UHMWPE weft knitting structure composites has nonlinear characteristics and the curves are all similar to a parabola; the bending strength of weft plain knitted fabric laminated plate is the best, rib is the second, cardigan is the last. This shows that the technological parameters of different fabric structures have a great influence on the bending performance of composite materials. The bending failure mainly occurs on the resin matrix, and no fracture, tearing occurs on the reinforcement. This also shows that the reinforcing material made by UHMWPE fiber has strong toughness and high strength.

UHMWPE fiber;VARTM;weft knitted composite;bending performance

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.014

TB332

A

1001-4381(2015)11-0084-07

国家自然科学基金(51403154)

2014-07-12；

2015-04-14

李翠玉(1974—)，女，副教授，研究方向：纺织复合材料，联系地址：天津市西青区宾水西道399号天津工业大学纺织学院(300387)，E-mail: lcytju@gmail.com