针刺叠层复合材料剥离性能研究

张春燕,陈 利,邵明正,杜培建

(1.天津工业大学复合材料研究所，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)

针刺叠层复合材料剥离性能研究

张春燕1,2,陈 利1,2,邵明正1,2,杜培建1,2

(1.天津工业大学复合材料研究所，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)

采用单向编织扁带进行织物的织造，研究了针刺工艺参数(针刺密度、针刺深度)、织物结构、毡/基布比重对针刺叠层复合材料剥离强度的影响，优化出最优的工艺条件。结果表明：在更大的针刺密度范围内，针刺密度为70针/cm2、深度为16mm时，针刺叠层复合材料的剥离强度更高。平纹织物结构作为基布、毡/基布比重为30%时，针刺叠层复合材料的剥离性能最好。

针刺叠层复合材料 剥离强度 石英纤维

0 引言

石英纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、模量高、介电性能好等特点，是制备高性能雷达天线罩的重要基础材料。随着石英纤维复合材料天线罩在航空航天、国防、通讯等领域的广泛应用，高效低成本制造是亟待解决的关键问题[1-2]。采用针刺技术制备增强织物可以显著提高织造效率、缩短制造周期，是天线罩高效低成本制造方法之一。吴广力等人[3]对比分析了3种低成本的编织方法，发现针刺编织可半自动化编织，成本相对较低。而且针刺技术坏境友好，生产过程中不需要水与加热，节约了在机器运转上的花费，并且材料可以循坏利用。

近年来，国内外学者对针刺复合材料的力学性能开展了大量的研究工作[4-8]，但是研究多集中在C纤维，而对石英纤维针刺叠层复合材料的研究很少。本文采用具有低成本、高效率的二维编织技术生产单向编织扁带，制备针刺叠层复合材料，分析了影响石英纤维针刺叠层复合材料剥离强度的因素。

1 实验

1.1 实验材料

本实验中用到的原材料如图1所示。为了探讨影响针刺叠层复合材料的因素，本实验设计了四个变量，加工工艺参数见表1 。按照针刺石英纤维毡与石英纤维扁带织物依次逐层叠放在一起，即针刺石英纤维毡-扁带织物-针刺石英纤维毡-扁带织物-针刺石英纤维毡的铺层顺序。

(a)石英纤维扁带;(b)扁带结构示意图;(c)石英纤维针刺毡;(d)平纹织物;(e)斜纹织物;(f)缎纹织物

表1 试样的加工工艺参数

1.2 实验仪器

测试仪器为AG-1KN万能材料试验机，参照D6496-04a《Standard Test Method for Determining Average Bonding Peel Strength Between Topand Bottom Layers of Needle-Punched Geosynthetic Clay Liners》

2 结果与讨论

试样的剥离强度数据如表2所示。

表2 剥离强度实验数据

2.1 针刺密度对针刺叠层复合材料剥离强度的影响

剥离强度是Z向的拉伸断裂强度。针刺密度、针刺深度是影响剥离强度的最重要参数,其对针刺叠层复合材料剥离强度的影响是明显的。针刺密度与针刺叠层复合材料剥离强度关系如图2所示。不同针刺密度样品的微观结构图如图3所示。

图2 针刺叠层复合材料剥离强度随针刺密度变化曲线

从图2可以看出，剥离强度随着针刺密度的增加，先增大后减小，针刺密度达到70针/cm2时，剥离强度达到最大值。当针刺密度从40针/cm2增大到70针/cm2时，剥离强度从56.75N/m增加至87.58N/m，增大了54.33%。分析结果认为：在一定的范围内，针刺密度的增大使得Z向纤维的转移量增多，使得Z向纤维与X-Y方向纤维之间的作用力增大，剥离强度增大。针刺密度的增大使得预制件中Z向纤维体积含量增加，层间致密性增大，相同针刺深度的情况下，会使转移的Z向纤维穿透更多的层，产生更大的摩擦力。从图3可以看出，随着针刺密度的增大，样品表面针眼之间的距离变小，刺针的作用力变大。过高的针刺密度，针眼之间的距离变小，纤维毡固定，这样纤维毡中的自由纤维不容易被抓住，就会影响Z向转移的纤维量。针刺密度过高，纤维损伤加大，则引入的平均纤维长度减小，影响纤维的缠结和抱合，不利于增大剥离强度。当针刺密度较大时，刺针针刺同一位置的可能性就越大，造成纤维的断裂，甚至会在样品表面形成孔洞如图3(c)所示。

图3 针刺样品微观图

2.2 针刺深度对针刺叠层复合材料剥离强度的影响

图4 针刺叠层复合材料剥离强度随针刺深度变化曲线

从图4中可以看出，剥离强度随着针刺深度的增大，先增大后减小。当针刺深度从14mm增大到16mm时，剥离强度从32.77N/m增大至92.5N/m，增大了182.27%，达到剥离强度的最大值。分析结果认为：针刺深度增加，参与作用的针钩数目越多，会有更多的纤网表层纤维随刺针倒钩垂直进入纤网内层, Z向纤维就越多，纤维之间相互锁合,联系增强，剥离强度增大。当针刺深度超过针钩所在位置时，针刺深度的增加，不能使更多的纤维转移到纤网内层，反而会造成纤维的断裂，形成较大的孔洞，使得Z向纤维与X-Y向纤维之间的作用力减弱，剥离强度变小。针刺深度过大，可能使刺针在针刺过程中穿透叠层复合材料，将纤维带出，降低Z向纤维含量。所以剥离强度随着针刺深度的增加先增大后减小，针刺深度16mm是剥离强度的转折点。

图5 不叠层针刺复合材料微观图(a)针刺深度=14 mm(b)针刺深度=16 mm(c)针刺深度=18mm

从图5可以明显地看出，针刺深度为16mm时，形成的Z向纤维最多且纤维长度比较均一。针刺深度为14mm时，针刺过程形成的Z向纤维最短为2mm，针刺深度为16mm时，Z向纤维的长度为3.1mm，而当针刺深度为18mm时，Z向纤维的长度最长为4mm，但是Z向纤维少。针深深度过大，超过针钩所在位置，会将Z向纤维带出，使得Z向纤维含量降低，Z向纤维与X-Y向纤维之间的作用力减小，剥离强度变小。Z向纤维越长，剥离时作用力就越大，剥离强力就越大。Z向纤维越多，剥离时纤维抽拔所产生的摩擦力越大，剥离强度越高。综上所述，针刺深度为16mm时，剥离性能最优。

2.3 针刺毡/基布比重对针刺叠层复合材料剥离强度的影响

图6 剥离强度随毡/基布比重变化曲线

剥离强度随毡/基布比重的关系如图6所示，随着毡/基布比重的增加，剥离强度先增大后减小，当毡/基布比重达到30%时，剥离强度达到最大值。分析结果认为：基布提供面内的机械性能，在一定范围内，不规则分布的毡内纤维，提高了Z向纤维的缠结性能和叠层复合材料平面各方向分布的均匀性，从而提高预制件的各向同性，使得织物的剥离强度增大。当毡的比重增大时，在针刺过程中刺针的倒刺带着更多纤网表层纤维重新定向进入纤网内层, Z向与X-Y方向上的纤维之间的联系与锁合加强，Z向纤维不容易抽拔，剥离强度增大。但当毡的比重过大即毡过厚，由于针钩所能携带的纤维量是一定的，达到最大值后，毡比重的增加不能提高Z向纤维的含量，反而由于毡的厚度增大，减小了刺针所能穿透的层数，纤维之间的缠结力减小，剥离强度降低。综上所述毡/基布的比重为30%是最优的工艺选择。

2.4 基布规格对针刺叠层复合材料剥离强度的影响

图7 剥离强度随基布规格变化曲线

从图7可以明显看出平纹织物作为基布的针刺叠层复合材料的剥离强度最大，斜纹与缎纹织物的剥离强度虽然明显低于平纹织物，但是两者剥离强度相差不大。分析结果认为：平纹组织的浮长线最短，经纱与纬纱之间每次开口都进行交错，使纱线屈曲增多，经、纬纱的交织也最紧密，结构紧凑。平纹织物厚度最小，纱线之间的挤压力最大，毡中已转移到Z向(即层间)的纤维被平纹组织紧密束缚，并且与X-Y向的纤维形成巨大的作用力，所以Z方向的纤维不容易抽拔，剥离强度最大。对于缎纹、斜纹布，经、纬纱之间的交织点少，结构松散，Z向和X-Y方向之间的缠结力弱，针刺时容易被破坏。Z向的纤维容易抽拔，剥离强度低。综上所述，平纹扁带织物作为基布时，针刺叠层复合材料的剥离强度最大。

3 结论

本实验以石英纤维针刺毡以及单向编织扁带织物为原材料，制备出针刺叠层复合材料。通过研究针刺工艺对叠层针刺复合材料剥离强度的影响，发现针刺密度为70针/cm2、针刺深度为16mm，剥离性能最佳。通过研究毡/基布比重对石英纤维叠层针刺复合材料的影响，发现毡/基布比重为30%、平纹织物作为基布时，针刺叠层复合材料的剥离性能最优。

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[2] 陈绍杰,朱珊.大丝束碳纤维应用研究[J].飞机设计，2004(3):13-16.

[3] 吴广力,樊友刚,佘平江等.低成本石英复合陶瓷天线罩罩体制备技术研究[J].质量与可靠性，2016(4):50-53.

[4] 刘建军,李铁虎,郝志彪等.针刺碳布/网胎复合织物的组分形态及性能研究[J].固体火箭技术,2005,28( 4) :299 -303.

[5] Chen T,Liao J,Liu G, et al.Effects of needle-punched felt structure on the mechanical properties of carbon/carbon composites[J].Carbon,2003,41(5):993-999.

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2016-11-04

国家自然科学基金项目 (11502164)，天津市科技计划项目(15ZCZDGX00340)。

张春燕( 1990-) ，女，硕士研究生，研究方向: 针刺罩体工艺设计。

陈利(1968-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS101.92+1

A

1008-5580(2017)01-0061-04