经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料的压缩性能

陈　思， 龙海如

(东华大学 纺织学院， 上海 201620)

经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料的压缩性能

陈思， 龙海如

(东华大学 纺织学院， 上海 201620)

将经编间隔织物与软质聚氨酯泡沫复合，制备了5种经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料试样.对复合材料进行了平板压缩试验，探讨间隔丝针背横移数、间隔丝直径和织物厚度对复合材料压缩和能量吸收性能的影响.利用有限元分析方法和ANSYS软件建立了复合材料的单胞有限元模型，对其压缩性能进行了模拟，得到复合材料的应力云图和应力-压缩率曲线.有限元模拟结果与试验结果显示出较好的吻合度.

经编间隔织物； 聚氨酯泡沫； 压缩性能； 有限元分析

一直以来，聚氨酯材料因出众的弹性和韧性被广泛应用于各种领域[1].但是，作为一种结构材料，仅仅具有出众的弹性和韧性是不够的，实际工程应用中对材料的强度也有较高的要求，而强度较低正是聚氨酯材料的软肋.因此，在使用过程中，需要使用增强体来增强聚氨酯材料，使之兼备良好的弹性、韧性以及强度.

间隔织物以其独特的三维结构、高强度和组织结构变化多样性等优点，被广泛地作为增强体材料使用[2-3].关于间隔织物增强复合材料的压缩性能已有不少研究.文献[4]研究了纬编间隔织物增强复合材料在不同压缩速率下的压缩响应.间隔织物的结构参数通常作为复合材料压缩性能的影响因素被提及.文献[5]建立了间隔织物增强复合材料的单胞有限元模型，并对复合材料的压缩性能进行预测.文献[6]利用3种具有不同结构参数的经编间隔织物，制备出新型三明治复合材料板，并对其压缩性能进行探讨，研究结果表明，间隔织物的面密度、间隔丝的直径和垫纱角度是影响复合材料压缩性能的重要因素.一般而言，要提高复合材料的抗压性能，需选用弹性模量较高的间隔丝、较大垫纱角、直立或交叉编织较为紧密的织物表面组织结构[7-8].现有研究均是针对间隔织物增强树脂基刚性复合材料进行探讨[5-6, 8]，对间隔织物增强柔性复合材料的研究尚未涉及.

本文将经编间隔织物与软质聚氨酯泡沫材料进行复合，得到一种新型的经编间隔织物增强柔性复合材料.通过压缩试验和有限元分析，探讨平板压缩状态下经编间隔织物的结构参数对聚氨酯基复合材料压缩及能量吸收性能的影响，以期为不同应用条件下选择合适的织物结构参数提供依据.

1　试样的制备与结构

1.1经编间隔织物的结构及参数

本文选取了5种具有不同织物结构参数的经编间隔织物.间隔丝的类型及间隔织物的结构参数如表1和2所示.所选经编间隔织物均在机号为E18的拉舍尔双针床经编机上织造.

表1　间隔丝类型Table 1　Types of spacer yarns

表2　经编间隔织物原料与结构参数Table 2 Structure parameters and material of warp-knitted spacer fabrics

1.2复合材料试样制备

本文所采用聚氨酯材料是一种亲水性聚氨酯发泡剂，可以采用一步法制备聚氨酯弹性体泡沫.该发泡剂是由异氰酸酯和多羟基聚醚进行化学合成的高分子浆料，可以与水在室温下以m(发泡剂) ∶m(水) =10∶0.8反应发泡，且发泡速率适中，发泡均匀.聚氨酯基复合材料的制备在一个模具中完成.该模具上下表面的距离可以根据间隔织物厚度的不同进行调整.在制备过程中，模具上下表面的距离可以调整成与间隔织物厚度相同，聚氨酯浆料沿间隔织物的经向注入，确保制备出的聚氨酯复合材料的厚度与间隔织物的厚度一致.发泡成型后的聚氨酯基复合材料在室温中放置72 h，以确保聚氨酯材料形态稳定.制备出的聚氨酯基复合材料见图1，其结构参数见表3.

(a) 示意图

(b) 实物图图1　聚氨酯基复合材料示意图与实物图Fig.1　Schematic illustration and real appearance of polyurethane-based composites

表3　聚氨酯基复合材料结构参数Table 3　Structure parameters of polyurethane-based composites

2　复合材料压缩性能测试与分析

使用上海HL WDW SERIES型万能材料试验机对试样进行平板压缩性能测试，见图2所示(图中F为施加压力载荷，Z为压缩位移，H为试样厚度).

图2　平板压缩试验Fig.2　Plate compression test

试样压缩试验参照GB/T 8168—2008《包装用缓冲材料静态压缩试验方法》进行.选取的压缩速率为12 mm/min，接近于静态力.在压盘下压过程中，仪器自动记录压力随位移的变化值，据此可以得到对应的力-位移曲线.为了消除受力面积对压缩性能的影响，对试验结果进行处理：力除以受力面积(压盘直径为60 mm，试样直径为50 mm)得到应力值，位移除以原始厚度得到压缩率值，据此得到应力-压缩率曲线，如图3所示.所有曲线均为在相同条件下5次测试后所得平均值.

从图3可以看出，就间隔丝的垫纱方式而言，试样C1(针背横移3针距)和C2(针背横移4针距)抗压能力随着间隔丝针背横移数的增大而减小；试样C2(间隔丝直径为0.20 mm)和C3(间隔丝直径为0.16 mm)的抗压性能随着间隔丝直径的减小而减小；试样C4(厚度为6.12 mm)具有最佳的抗压性能，对于试样C1(厚度为7.68 mm)和C5(厚度为10.62 mm)而言，在小压缩率情况下，试样C1的抗压性能略高于C5，而当压缩率超过50%时，试样C5的抗压性能高于C1.

图3　试样的应力-压缩率曲线Fig.3　The stress-compression ratio curves of specimens

3　复合材料压缩过程中的能量吸收性能

作为缓冲材料，材料自身的能量吸收性能是工程应用最为关心的问题.一般用能量吸收率E来表征材料的能量吸收特性，其计算方法如式(1)所示.

(1)

其中：σ为应力；ε为在应力σ下的压缩率.

根据式(1)，利用Matlab软件可以计算得出在不同载荷作用下，上述不同试样的能量吸收率曲线如图4所示.从图4可以看出，经编间隔织物的结构参数对聚氨酯基复合材料能量吸收性能有显著的影响.当应力值小于0.5 MPa时，试样C1(针背横移3针距)能量吸收率值高于C2(针背横移4针距)；当应力值大于0.5 MPa时，试样C2能量吸收率值高于C1.由此说明，间隔丝针背横移数较大的试样(C1)在小应力下具有较高的能量吸收率.反之，间隔丝针背横移数较小的试样(C2)在大应力条件下具有较好的能量吸收特性.试样C2(间隔丝直径为0.20 mm)能量吸收率的最大值大于C3(间隔丝直径为0.16 mm)，但间隔丝较细的试样(C3)在小应力的作用下具有较高的能量吸收率，而用较粗间隔丝制备的试样(C2)在大应力值的条件下达到能量吸收率的最大值.由此可知，间隔丝较细的试样适合在小应力条件下作为能量吸收材料使用.而在大应力条件下，间隔丝较粗的试样拥有较高的能量吸收率.试样C1(厚度为7.68 mm)，C4(厚度为6.12 mm)和C5(厚度为10.62 mm)的能量吸收率值随着试样厚度的变化而变化.当应力值小于0.5 MPa时，试样C5具有最大的能量吸收率；当应力值大于1.5 MPa时，试样C4的能量吸收率大于其他两个试样.这说明，较厚的试样适合在应力值较小的阶段吸收能量，而厚度较小的试样则适合在大应力条件下被当作能量吸收材料使用.

图4　试样的能量吸收率曲线Fig.4　Energy absorption efficiency curves of specimens

通过以上对比分析可知，间隔织物的结构参数对复合材料的能量吸收性能有明显的影响.在实际使用过程中，可以通过改变织物结构参数来调整复合材料的能量吸收性能.

4　复合材料压缩性能有限元分析

通过聚氨酯基复合材料的平板压缩试验可知，经编间隔织物的结构参数对聚氨酯基复合材料的压缩性能有明显的影响，结构参数的变化体现在材料的能量吸收性能中.因此，希望通过计算机仿真技术为设计不同压缩性能的聚氨酯基复合材料提供依据.

为了简化计算难度，结合之前学者的研究，作出如下假设[4-5]：(1)间隔丝被聚氨酯泡沫完全固定，不发生水平滑动及转动，间隔丝之间相互独立，压缩过程中没有相互挤压摩擦；(2)在压缩过程中，织物上下面层不发生水平方向的相对位移；(3)在压缩过程中，材料发生弯曲变形，并且随着压力的增大，压缩变形也随之增大.虽然间隔织物的上下表面承受压力载荷，但由于聚氨酯泡沫的作用，织物上下表面的应力都传给了聚氨酯基体材料；(4)聚氨酯基复合材料被视为理想的弹性体，间隔丝截面近似成圆形，且间隔丝大小、形态均匀一致.

利用有限元软件ANSYS，建立间隔织物增强复合材料结构模型,进行压缩性能分析.以试样C2为例，依据实际结构参数，选取最小受力单元建立有限元实体模型，模型建立过程如图5所示.复合材料实体模型包括间隔织物和聚氨酯泡沫两部分.建模时，首先对间隔织物(图5(a))和聚氨酯泡沫(图5(b))分别建立最小受力单元实体模型，然后利用合并功能将两部分模型合并得到复合材料单胞模型(图5(c)).

(a) 间隔织物　　(b) 聚氨酯泡沫　　(c) 复合材料图5　几何模型创建过程Fig.5　Process of geometry model establishing

复合材料的几何参数：材料厚度H=7.72 mm，间隔层高h=6.28 mm，上下面板的长a=0.42 mm，宽b=1.79 mm，间隔丝直径D=0.20 mm.模型采用SOLID 10 node 92单元，间隔织物和聚氨酯泡沫的材料属性设置见表4[9-10]，其中，I为材料弹性模量，G为材料的剪切模量，μ为材料的泊松比，下标1表示间隔织物的经向，2表示间隔织物的纬向，3表示垂直于1和2平面方向.间隔织物的材料属性设置为正交各向异性，聚氨酯泡沫材料属性设置为正交各向同性.模型采用自由网格划分方式.

表4　单胞模型材料属性设置Table 4　Material properties of unit cell model

根据实际压缩过程设定加载和边界约束条件.由压缩试验结果可知，试样的压缩曲线呈非线性变化，因此，在施加载荷时需要分多个载荷步施加，以求精确解.在有限元模型的上表面分10个载荷步施加压缩位移载荷，每步压缩0.45 mm，而对模型的下表面施加所有自由度的约束.通过ANSYS软件对实体模型施加载荷后，经过通用后处理功能，得到材料的应力分布云图.图6为单胞模型在整体坐标系下的应力分布云图.从图6可以看出，在聚氨酯基复合材料的压缩过程中，聚氨酯材料是主要的受力载体，聚氨酯区最大应力值约为间隔织物最大应力值的68.6倍.因为在整体坐标系下，聚氨酯的弹性模量高于间隔织物的弹性模量，在相同的压缩率条件下，聚氨酯内部将产生大于间隔织物的应力.间隔织物在压缩过程中，主要是间隔丝发生了弯曲变形.从图6还可以看出，间隔丝应力的最大值在间隔丝中点附近(图中MX标记处)，这表明间隔丝的中点附近是易损区域，并且应力随着压缩变形的增大向间隔丝的两端扩展.

(a) 复合材料

(b) 间隔织物

(c) 聚氨酯泡沫图6　复合材料压缩过程中应力分布Fig.6　The stress distribution of composite during compression process

间隔丝在压缩过程中的应力响应如图7所示.从图7可以看出，间隔丝压缩应力的最大值为5.0 kPa，最大值出现在复合材料厚度约为3 mm时，从另一方面证明间隔丝的中点附近是易损区域.

图7　间隔丝压缩应力响应Fig.7　Compression stress response of spacer yarn

将有限元分析得到的应力-压缩率曲线与压缩试验曲线进行对比，结果如图8所示.由图8可以看出，有限元模拟的复合材料压缩应力-压缩率曲线和试验得出的压缩变形曲线总体吻合较好，但存在少量偏差.因为在有限元分析过程中，复合材料被假设为理想的弹性体，它的变形完全遵从胡克定律，并且忽略了聚氨酯泡沫和间隔丝之间的摩擦，在实际的压缩过程中，复合材料的压缩变形并不完全服从胡克定律，而且聚氨酯泡沫和间隔丝之间的摩擦也是客观存在的.

图8　试样C2的应力-压缩率试验曲线与有限元模拟曲线对比Fig.8　Comparison of simulation and test stress-compression ratio curves of C2

尽管复合材料有限元模拟的应力-压缩率曲线和试验曲线存在少量的偏差，但本文的有限元模拟结果还是能很好地反映试样压缩性能的变化趋势，可以为实际工程中的应用提供结构设计的理论依据.

5　结　语

(1) 经编间隔织物的结构参数对复合材料的能量吸收性能有明显的影响.间隔丝针背横移数较大、间隔丝较细、厚度较大的复合材料，在小应力值条件下具有较高的能量吸收率.反之，间隔丝针背横移数较小、间隔丝较粗、厚度较小的复合材料更适合在大应力条件下作为能量吸收材料使用.因此，在实际的工程应用中，可以通过调整织物结构参数的方法来获得不同能量吸收性能的聚氨酯基复合材料，以满足不同的应用需求.

(2) 有限元方法为材料的力学性能分析提供了便利条件.本文建立的有限元模型仿真结果与试验结果基本吻合，可以用来模拟聚氨酯基复合材料的压缩受力情况.但是由于条件假设以及模型的简化，模拟结果与试验结果还是存在少量的偏差，这需要在后续的工作中继续完善.

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Compression Behaviors of Polyurethane-Based Composites Reinforced with Warp-Knitted Spacer Fabrics

CHENSi,LONGHai-ru

(College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620,China)

Five kinds of polyurethane-based composite samples were prepared by impregnating the warp-knitted spacer fabrics with flexible polyurethane foam. A compression test was carried out to investigate the influence of fabric structure parameters including the movements of spacer-guide-bar, diameters of spacer yarns and thicknesses on the compression behaviors and energy-absorption efficiency of the composites. By using finite element (FE) analysis method and ANSYS software, the unit cell models of the composites were built to simulate the compression properties and get the stress distributing graph and strain-stress curves of the compasites. To compare the FE simulation and experimental curves, it can be found that they exhibited good consistency.

warp-knitted spacer fabrics; polyurethane foam; compression behavior; finite element analysis

1671-0444(2015)03-0282-06

2014-02-26

陈思(1985—)，男，内蒙古包头人，博士研究生，研究方向为针织结构复合材料.E-mail:ansn9119@126.com

龙海如(联系人)，男，教授，E-mail:hrlong@dhu.edu.cn

TS 186.1

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