三维间隔织物复合材料的制备及拉伸性能研究*

刘 洋 黄晓梅 曹海建 陈红霞 沈浩清

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

三维间隔织物复合材料的制备及拉伸性能研究*

刘 洋 黄晓梅 曹海建 陈红霞 沈浩清

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

介绍三维间隔织物复合材料的制备方法，并采用Instron 5969型万能材料试验机对三维间隔织物复合材料的拉伸性能进行测试，重点分析间隔高度、经纬向等结构参数对三维间隔织物复合材料拉伸性能的影响。结果表明：三维间隔织物复合材料拉伸性能随间隔高度的增加而下降；纬向拉伸性能优于经向。

三维间隔织物复合材料，拉伸性能，间隔高度，经向，纬向

三维间隔织物复合材料是由垂向纱线连接上下两层平行织物制备的三维间隔织物，再经与树脂复合等工艺，制成的一种新型夹芯结构材料，具有质轻、整体性、可设计等特点，常被用于飞机机身、船身、装甲车身、油管夹层、保温隔声材料、轨道交通等领域[1-3]。

目前，国内对三维间隔织物复合材料的研究已较为成熟。追本溯源，三维间隔织物最早由比利时鲁汶大学、德国斯图加特大学研发成功，并开展了相关研究，进行了部分性能测试与模拟[4]；同时，国内外其他学者还进行了一些其他性能的测试，如低速冲击[5-6]、压缩[7-9]等。本文主要研究三维间隔织物复合材料的制备工艺，重点分析结构参数与材料拉伸性能的相关性。

1 试验

1.1 原材料与设备

三维间隔织物：原料为136 tex的E-Glass纤维束，织物间隔高度为5和10 mm，由南京玻璃纤维研究设计院提供。

树脂基体：环氧树脂E51(南通星辰合成材料有限公司生产)、固化剂聚醚胺H023(无锡仁泽化工产品有限公司生产)。

试验设备：101A -4S型电热鼓风干燥箱(南京沃环科技实业有限公司)；Instron 5969型万能材料试验机(美国英斯特朗公司)(图1)。

1.2 三维间隔织物复合材料的制备

1.2.1 树脂基体的复配

树脂基体的作用一方面是保护织物免受外部环境破坏，另一方面是传递载荷，使外部载荷通过树脂基体能均匀地传递到织物中的每根纤维上，让织物中的纤维成为承载的主体，提高复合材料的整体力学性能。

本试验使用的树脂基体是由环氧树脂E51和固化剂聚醚胺H023按质量比4.0∶1.0配制，并经充分搅拌获得的。

另外，本试验根据树脂基体与三维间隔织物1.2∶1.0 的质量比确定树脂基体的用量。

1.2.2 复合成型工艺

三维间隔织物复合材料的复合成型工艺：

(1) 将30 cm×30 cm的玻璃平铺于桌面上，如图2(a)所示；

(2) 在玻璃表面放置35 cm×35 cm的聚酰亚胺薄膜，并在薄膜表面倾倒五分之一的树脂基体，使其分布均匀，如图2(b)所示；

(3) 将28 cm×28 cm的三维间隔织物置于涂覆有树脂基体的薄膜表面，如图2(c)所示；

(4) 将剩余五分之四的树脂基体倾倒于三维间隔织物表面，如图2(d)所示；

(5) 使树脂基体分布均匀，以便于充分吸收，如图2(e)所示；

(6) 在4个角上放置等同于织物高度的铁质垫片，盖上薄膜，如图2(f)所示；

(7) 盖上玻璃，一起放入75 ℃烘箱中处理3 h后取出，如图2(g)所示；

(8) 去除玻璃和聚酰亚胺薄膜，即得三维间隔织物复合材料，如图2(h)所示。

2 测试标准

按照GB/T 1447—2005《夹层结构拉伸性能测试方法》标准[10]，对三维间隔织物复合材料进行拉伸性能测试。

使用长条形测试样品，尺寸为250 mm×25 mm， 测试时端部加强部分为50 mm、夹持部分为40 mm，如图3所示。测试时加载速度设定为2 mm/min。

图3 测试样品

拉伸强度计算式：

(1)

式中：σ——拉伸强度，MPa；F——破坏载荷或最大载荷，N；b——测试样品宽度，mm；d——测试样品厚度，mm。

3 拉伸特性分析

以间隔高度为5 mm的三维间隔织物复合材料为例(图4)介绍三维间隔织物复合材料的拉伸特性：

首先，测试开始阶段，拉伸载荷随着位移的增加而线性增加，此时试样夹芯层与上表面接触处出现发白现象，三维间隔织物复合材料表面有小部分的树脂开裂及碎屑脱落，并伴随断断续续的树脂破裂声；

其次，随着测试的进行，拉伸载荷逐渐增大，试样表面的树脂破裂严重，并陆陆续续地有纤维断裂现象发生，此时可听到纤维断裂所发出的爆鸣声；

最后，随着测试的继续进行，一声清脆的爆鸣声后，试样从中部断裂，拉伸载荷迅速下降，材料完全被破坏。

(a) 拉伸载荷-位移曲线

(b) 试样破坏形貌

所得三维间隔织物复合材料拉伸性能如表1所示。

表1 三维间隔织物复合材料拉伸性能

3.1 间隔高度对材料拉伸性能的影响

由表1可知，三维间隔织物复合材料的拉伸性能随间隔高度的增加而下降。究其原因在于材料的特殊结构——“8”字型。当材料间隔高度较小时，组成“8”字型的2根经纱在树脂的作用下会紧密贴合在一起，形成1根较粗的芯柱，此时三维间隔织物复合材料的弯曲强度较大；当材料间隔高度较大时，组成“8”字型的2根经纱相对独立(呈细弯杆样式)，树脂没有将它们紧密贴合，此时易受弯失稳，因此三维间隔织物复合材料弯曲强度较小[11]。

3.2 经纬向拉伸性能

由表1可知，三维间隔织物复合材料的纬向拉伸性能明显优于经向，其原因：

(1) 纬向纤维排列较经向纤维排列更紧密，对三维间隔织物复合材料上、下表面的支持较大；

(2) 纬向纤维较为平直，经向纤维屈曲较大，故不利于经向纤维强度的发挥；

(3) 纬向拉伸时，夹芯层纤维与纬向成一定的夹角，故能分担部分载荷，从而导致纬向拉伸强度高于经向[12]。

4 结论

(1) 三维间隔织物复合材料的拉伸强度随着间隔高度的增加而下降；

(2) 三维间隔织物复合材料的纬向拉伸强度优于经向。

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Study on manufacturing and tensile properties of 3D spacer fabric composites

LiuYang,HuangXiaomei,CaoHaijian,ChenHongxia,ShenHaoqing

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The manufacturing methods of 3D spacer fabric composites were introduced, and the Instron 5969 universal material testing machine was used to test tensile properties of the 3D spacer fabric composites, and the influence of structural parameters, like spacer height, warp and weft direction, on the tensile properties of the 3D spacer fabric composites was emphatically analyzed. The results showed that the tensile properties of the 3D spacer fabric composites decreased with the increase of the spacer height, and the tensile properties in weft direction was better than that in warp direction.

3D spacer fabric composite, tensile property, spacer height, warp direction, weft direction

2016-11-03

刘洋，男，1994年生，在读本科生，研究方向为纺织复合材料的设计与制备

黄晓梅，E-mail:h.xmei@ntu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2017)01-0019-04