多层机织预成型体结构及力学性能研究

刘希艳

(西安工程大学 协同创新中心,陕西 西安 710048)

三维机织预成型体是三维纺织复合材料中应用最为广泛的增强体结构,它使复合材料成为第一承力的结构件或具有特殊的功能,并具有较高的损伤容限和稳定性[1-3]。作为三维纺织结构中的一个重要分支,角联锁结构因尺寸稳定性能好、结构整体性优[4]、层间力学性能优异、可实现多层整体织造,满足高厚一体化的使用要求,在航天器天线罩性能测试用随炉试样、战术导弹空气舵等结构功能一体化部件上得到应用。然而,传统的三维机织复合材料只包括平面内0°和90°纱线,这导致平面内剪切性能差,因此不能用于具有高剪切性能要求的结构航空航天应用,如航空关节板和扭转舵轴[5-6]。目前,随着我国武器型号的升级换代和更高的性能要求,对其面内±45°方向和经向力学性能提出了进一步强化的指标要求。对几种典型角联锁机织结构及其力学性能做了对比分析,研究了其发展现状,为多层角联锁机织预成型体的应用研究提供理论参考。

1 多层角联锁机织预成型体结构类型

角联锁机织预成型体的结构设计是影响其力学性能的主要因素,它由接结经纱、纬纱、衬经和衬纬等纱线系统组成,前两个系统是构成三维角联锁结构所必需的纱线,后两个系统纱线可随需求进行选择[7-9]。与正交组织相比,角联锁组织的交织规律更为复杂[10],织物结构多种多样,可细分为浅交弯联、浅交直联、衬经浅交弯联和衬经浅交直联等组织类型。

1.1 浅交弯联

如图1浅交弯联纱线结构图所示,接结经纱为波浪形的弯曲结构,纬纱为伸直的直线,织物交织点多,经纱弯曲大。如图2浅交弯联立体结构图所示,接结经纱沿预成型体成形方向,将预成型体层与层之间接结相连,纱线在预成型体内部呈正弦曲线状态,纬纱垂直于预成型体成形方向,纱线在预成型体内部呈直线状态。

图2 浅交弯联立体结构图

1.2 浅交直联

如图3浅交直联纱线结构所示,接结经纱为弯曲结构,纬纱和衬纬纱为伸直结构,层间织物交织点较少,经纱弯曲相对弯联较小。如图4浅交弯联立体结构图所示,浅交直联结构是在浅交弯联结构的基础上,增加了平口衬纬的引入。接结经纱沿预成型体成形方向,将预成型体层与层之间接结相连,纱线在预成型体内部呈正弦曲线状态,纬纱和衬纬均垂直于预成型体成形方向,纱线在预成型体内部呈直线状态。

图3 浅交直联纱线结构图

图4 浅交直联立体结构图

2 多层角联锁机织预成型体性能对比

参与织造的各种纱线参数决定了织物的几何结构,不同的机织参数(经密、纬密等)决定纱线的最终截面形状,因而不同的织物幅面和打紧过程将生成不同几何尺寸的织物,其性能也不完全相同[11]。在经纱密度和纬纱密度相同的情况下,浅交直联比浅交弯联的织物更柔软、松散(表1、表2)。

表1 角联锁结构增强树脂基复合材料弯曲性能测试数据

表2 角联锁结构增强树脂基复合材料拉伸性能测试数据

综上结论:浅交直联的经向、纬向弯曲强度和弯曲模量高于浅交弯联;浅交直联的经向拉伸强度和拉伸模量最低低于浅交弯联。为了综合提升预成型体的拉伸强度和拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量,设计了两种新结构:一种是浅交直联和浅交弯联的组合结构,其纱线结构图和立体结构图分别如图5和图6所示。另一种是斜交联结构,其纱线结构图和立体结构图分别如图7和图8所示。

表3 角联锁结构浅交弯联和浅交直联综合性能对比

图5 浅交弯联+浅交直联纱线结构图

图6 浅交弯联+浅交直联立体结构图

图7 斜交联纱线结构图

图8 斜交联立体结构图

3 角联锁结构对力学性能影响的研究现状

周洪涛等[12]对5层2.5 D层间弯交浅联预制件织物组织和各项参数进行了设计并试织,探讨了其可织性。高雄[13]以不同三维机织结构为基础,设计织造并对比3种典型三维机织结构(浅交弯联、浅交直联和三向正交)的复材板结构性能差异,通过综合分析得出正交三向的经向力学性能好,浅交直联整体力学性能均衡,可织性好;相比之下浅交弯联虽然抗分层效果好,但其他力学性能较差。杨彩云等[14]评价了4种不同结构的层-层正交角联锁机织复合材料沿不同角度方向的力学性能。试验结果表明:4种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异,经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳,而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳。充分认识并合理利用这种正交各向异性的力学性能是复合材料设计及应用人员面临并急需解决的问题[15]。

冯古雨等[16]对比分析了含衬经结构与不含衬经结构的浅交弯联机织物的经纬向拉伸性能和弯曲性能,发现在拉伸载荷下,含衬经结构的织物经纬向都呈现出更高的弹性模量。郭瑞彦[17]等设计了几种不同参数的衬经角联锁织物,通过测试分析织物结构对复合材料拉伸性能的影响,得出织物结构中,衬经密度能够显著提高织物增强树脂基复合材料经向的拉伸性能,提高程度最高达60.06%。Labanieh等[18]对比分析了多轴向三维机织技术中斜向纱的引入方式,开发了导块式斜向纱引入技术。Kadir Bilisik[19]对表层含有±45°斜向纱的机织复合材料的面内剪切、层间剪切和弯曲性能进行了试验研究,并与相同纤维体积含量的三向正交复合材料进行对比,测试结果显示,含斜向纱的复合材料试样面内剪切模量和强度均高于三向正交复合材料,而层间剪切和弯曲性能均低于三向正交复合材料试样。陈利[20]等在层联机织结构基础上开发了一种多轴向层联机织结构,发现通过引入面内倾斜纱线改善了层联机织结构的面内剪切性能。郭瑞清等通过引入面内倾斜纱线改善了层联机织结构的面内剪切性能。

4 结论

机织预成型体结构对复合材料的力学性能具有重要影响,因此材料的力学性能可通过设计新型的角联锁机织预成型体结构来改善机织材料性能。(1)采用浅交直联和浅交弯联的组合结构,可取长补短使预成型体的抗分层能力得到提高,整体力学性能得到改善。(2)在基础结构中引入沿预成型体成形方向伸直状态的衬经纱可提高复合材料的经向拉伸性能和弹性模量。(3)斜向纱的引入可有效改善复合材料面内各向同性的特点,从而提高面内剪切性能,基于此原理,可设计出斜交联结构来改善此性能,其工艺设计较引入斜向纱简单。