三维管状编织复合材料的制备及轴向压缩性能研究

曹海建　陈红霞

摘要：采用1 200 tex的EGlass纤维为原料，利用3DBJ1008型模块式三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物；以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂体系，与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料；利用Instron 3385H型万能材料试验机测试材料的轴向压缩性能，观察材料压缩特性，并研究编织结构、编织角等结构参数对材料轴向压縮性能的影响。结果表明，三维管状编织复合材料的破坏特性表现为明显的脆性破坏；同时，材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、界面脱粘等。三维四向、三维五向管状编织复合材料的轴向压缩性能均随着编织角增加而增强；三维五向编织结构轴向压缩性能明显好于三维四向结构。研究结果将为该类材料的结构优化设计和性能分析奠定理论基础。

关键词：三维四向；三维五向；编织复合材料；轴向压缩性能；编织角；破坏模式

中图分类号：TB332

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0007-03

Abstract：Tubular threedimensional fourdirection （3D4D） and threedimensional fivedirection （3D5D） braided fabrics were prepared from EGlass fibers （1 200 tex） with 3DBJ1008 modular threedimensional braiding machine； resin system was composed with epoxy resin E51 and polyethenoxyamines H023， which， together with the foregoing braided fabrics， was made into tubular threedimensional braided composites （3D braided composites）； axialdirection compressive properties of the 3D braided composites were tested with 3385H Instron universal material testing machine， the compression characteristics of the 3D braided composites were observed， and the influence of structure parameters （such as braided structure and braided angles） on axialdirection compressive properties of the composites was studied. The results show that the tubular 3D braided composites suffers from obvious brittle failure， of which the concrete phenomena include resin fracture， fiber breakage and interface debonding， etc. The axialdirection compressive properties of both 3D4D and 3D5D braided composites are enhanced with the increase of braided angles； the axialdirection compressive properties of 3D5D braided composites are significantly better than that of 3D4D. The results will lay a theoretical basis for structure optimization design and performance analysis of such materials.

Key words：threedimensional fourdirection； threedimensional fivedirection； braided composite； axialdirection compressive property； braided angle； failure mode

三维编织结构复合材料是一种新型结构材料，具有整体性、可设计性、高强、高模、抗冲击等特性，在航空航天、交通工具、体育休闲等领域得到了广泛应用[12]。三维编织结构复合材料大致可分为三维四向、三维五向和三维全五向编织复合材料。其中三维五向编织复合材料是在传统三维四向编织复合材料结构基础上发展起来的，它通过在三维四向编织复合材料的编织空隙沿轴向添加轴纱来实现，这种结构使材料的纤维体积分数、轴向力学性能均获得一定程度的提高，为编织复合材料作为主承力构件提供了可能[35]。

陈利等[6]研究了三维五向编织结构材料的纵向拉伸、压缩性能，结果表明材料拉伸、压缩模量比较接近，但拉伸强度远大于压缩强度；刘谦等[7]制备了三维编织结构复合材料，研究了材料的弯曲和压缩性能，研究表明材料的压缩、弯曲等性能与纤维和基体的界面性能关系密切；Chen[8]、皮秀标等[9]建立三维编织复合材料的细观结构模型，并对材料细观结构进行了研究；刘振国[10]提出可在所有编织空隙中加入轴纱以最大程度提高三维编织复合材料纤维体积分数和力学性能。

本文以EGlass纤维为原料，采用3DBJ1008型模块式组合三维编织平台制备三维编织物，并与环氧树脂进行复合制成三维编织复合材料。利用Instron 3385H型万能材料试验机测试三维编织复合材料的轴向压缩性能，研究编织结构、编织角等结构参数对材料轴向压缩性能的影响。研究结果将为该类材料的结构优化设计和工程化应用奠定理论基础。

1实验

1.1原料与设备

1.1.1原料

EGLass纤维（山东泰山玻璃纤维有限公司），纤度1 200 tex；环氧树脂E51（南通星辰合成材料有限公司）；聚醚胺H023（无锡仁泽化工有限公司）；脱模剂XTEND807（北京科拉斯科技有限公司）。

1.1.2主要设备及测试仪器

3DBJ1008型模块式组合三维编织平台；Instro 3385H型万能材料试验机；RTM注射系统（法国Isojet公司）；JA2003型电子精密天平（上海菁海仪器有限公司）；101A4S型电热鼓风干燥箱（南京沃环科技实业有限公司）；S212型恒速搅拌器（上海申顺生物科技有限公司）。

1.2三维管状编织复合材料制备

三维管状编织物制备工艺见文献[9]。三维管状编织复合材料制备工艺：a）编织物预处理。将编织物置于烘箱中加热烘干，去除水分，待烘干后，取出称其净重。b）模具表面处理。利用浸有乙醇的清洁布擦除模具表面残留的脱模剂和污渍，并晾干。c）编织物放入模具。将编织物放入模具并合上模具，放入烘箱中预热30 min，烘箱温度40 ℃；设置注塑速率，注塑头、管道和树脂储存罐的温度，注塑压力等工艺参数，并对模具抽真空。d）编织物复合成型。将配好的树脂基体注入模具，待注塑完毕后，切断树脂流动管道，密封模具注塑口和树脂回流口。e）复合材料制备。树脂注射完成后，在烘箱中加热固化，固化温度80 ℃，固化时间3 h；固化完成后，取出模具，待模具冷却后，脱模即得三维管状编织复合材料。

1.3性能测试

三维管状编织复合材料的轴向压缩性能按照GB/T 5350—2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验标准》的相关规定进行[11]。试样件内径24 mm，壁厚2 mm，高50 mm，夹持段长度10 mm，测试加载速度为2 mm/min。

三维管状编织复合材料工艺参数与轴向压缩测试结果见表1。

2结果与分析

2.1压缩特性

三维管状编织复合材料的轴向压缩特性如图1、图2所示。由图1可知，三维四向、三维五向管状编织复合材料的轴向压缩性能变化趋势相似，均表现为明显的脆性破坏方式。三维管状编织复合材料的轴向压缩破坏特性：首先，轴向压缩刚开始时，材料表面没有发生明显变化，压缩载荷随位移增加呈现线性变化趋势；其次，随着轴向压缩载荷进一步增加，材料发出脆裂的声响，树脂基体裂纹逐渐增加，部分纤维开始断裂；最后，当轴向压缩载荷继续增加直至最大时，材料出现纤维和树脂均沿着编织角方向（大约45°角）倾斜破坏（图2）。

2.2压缩性能

三维管状编织复合材料轴向压缩性能如图3、图4所示。由图可知，三维五向管状编织复合材料的轴向压缩强度、轴向压缩模量均明显优于三维四向结构。这是因为三维五向管状编织结构中有轴纱加入，使得材料轴向承载能力明显增强[6]

同时，还可以看出三维四向、三维五向管状编织复合材料的轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量均随着编织角增大而增加。这是因为编织角的增加会导致材料的纤维体积含量增加，而纤维体积含量的增加会明显增强材料的轴向压缩性能，因此表现为材料的轴向压缩性能随着编织角的增大而增加[67]。

3结论

a）三维四向、三维五向管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏；同时，材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、纤维与树脂界面脱粘等。

b）三维五向管状编织复合材料轴向压缩强度、轴向压缩模量均明显好于三维四向结构。

c）三维管状编织复合材料的轴向压缩强度、轴向压缩模量均随着编织角的增大而增加。

参考文献：

[1] 张美忠，李贺军，李克智.三维编织复合材料的力学性能研究现状[J].材料工程，2004（2）：44-48.

[2] 刘谦，李嘉禄，李学明.三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响[J].宇航材料工艺，2000，30（1）：55-58.

[3] 李学明，李嘉禄，王峥.三维五向编织结构对复合材料性能的影响[J].天津紡织工学院学报，1997，16（5）：7-12.

[4] 李嘉禄，杨红娜，寇长河.三维编织复合材料的疲劳性能[J].复合材料学报，2005，22（4）：172-176.

[5] WU D L. Threecell model and 5D braided structural composites[J]. Composites Science and Technology， 1996，56（3）：225-233.

[6] 陈利，梁子清，马振杰，等.三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究[J].材料工程，2005（8）：3-6.

[7] 刘谦，李嘉禄，李学明.三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J].材料工程，2000（8）：3-6.

[8] CHEN L. On the microstructure of threedimensional braided preforms [J]. Composites Science & Technology， 1999， 59（3）：391-405.

[9] 皮秀标，钱坤，曹海建，等.三维全五向编织复合材料的细观结构分析[J].宇航材料工艺，2011，41（6）：39-43.

[10] 刘振国.三维全五向编织预型件的概念[J].材料工程，2008（S1）：305-312.

[11] 全国纤维增强塑料标准化技术委员会，中国标准出版社第五编辑室.纤维增强塑料（玻璃钢）标准汇编[M].第二版.北京：中国标准出版社，2006，653-657.

（责任编辑：张会巍）