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三维纬编间隔针织增强复合材料压缩应变率效应 摘要 三维纬编间隔针织增强复合材料是一种新型的三维复合材料， 由于它优良的机械性能和较低的生产成本，已经引起人们的极大兴趣 和广泛关注。纬编间隔针织物是一种典型的三维针织结构，它有两个 表面层和一个中间层，间隔纱线在厚度方向将上下两个表层连接，三 维纬编间隔针织增强复合材料具有较大的抗分层力和良好的破坏韧 性，这种特殊的结构使得复合材料具有卓越的抗冲击性能，广泛应用 在航海，汽车和军事等领域，因此研究它在高应变率下的力学性能以 及分析它在冲击载荷下的响应对材料的设计和应用具有非常主要的 意义。然而到目前为止，对这种材料的研究还很少，本文对三维纬编 间隔针织增强复合材料在动态下的力学性能进行了探讨，有效的填补 了这一空白。 本文利用s c r i m p 成型工艺完成三维纬编间隔针织增强复合材料 的成型，并分别利用分离式的h o p k i n s o n 压杆装置( s h p b ) 和in e w m t s 材料试验机对复合材料试样以及树脂基体进行了动态和准静 态的压缩试验，动态的应变率从7 0 0 s 至2 4 0 0 s 间变化。通过分析和 对比准静态压缩和动态压缩试验。我们发现三维纬编间隔针织增强 复合材料和树脂基体均为应变率敏感材料，随着应变率的增大，三维 纬编间隔针织增强复合材料面内、面外的压缩刚度和失效应力线性增 大，而失效应变则线性减小。通过分析试样的破坏形态，三维纬编间 隔针织增强复合材料的面外、面内的破坏模式也存在着差异，复合材 料在冲击破坏时面外主要的破坏模式是层间的剪切，而面内的破坏 模式主要为分层破坏。 关键词三维纬编间隔针织增强复合材料，分离式s h p b 压杆，压缩， 冲击，应变率 c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fb i a x i a ls p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i c r e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e a b s t r a c t a san o v e lt y p eo f3 - dk n i t t e dc o m p o s i t e sm a t e r i a l ，t h es p a c e rw e f t k n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e si sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ei n t e r e s t sa n d a t t e n t i o nd u et oi t so u t s t a n d i n gm e c h a n i c a la n dc o m p e t i t i v ep r o d u c t i o n c o s t t h es p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i ci st h e3 - dc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi s m a d eo ft h r e el a y e r s ，t h eu p p e ra n dl o w e rl a y e r so ft h ef a b r i ca r e i n t e r l a c e dw i 戗1t h ec h a i ny a m st h r o u g ht h et h i c kd i r e c t i o n t h e c o m p o s i t e sm a d ef r o mt h i sf a b r i ch a v eh i i g hr e s i s t a n c eo fd e l a m i n a t ea n d f r a c t u r e t h es t r u c t u r eo ft h es p a c e rw e f tk n i t t e dl e a dt ot h ec o m p o s i t e s h a v et h eo u t s t a n d i n gd a m a g et o l e r a n c eu n d e rt h ei m p u l s i v el o a d i n g i t p o s s e s s e sag r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h ef i e l do fa u t o m o t i v e ，m a r i n e p a r t s ，m i l i t a r y i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ha n da n a l y z et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so nt h ei m p a c tl o a d i n gf o rt h em a t e r i a ld e s i g na n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n h o w e v e r ，t h e r ei s n or e f e r e n c e sc o n c e r n e dw i t ht h o s eu pt o n o w t h i sp a p e rf i l l st h eb l a n k s p a c e rw e f tf a b r i c i sm a d ei nt ot h ec o m p o s i t e sb yt h es c r i m p p r o c e s sa n dt h e nt e s t e db yt h es h p b a th i g hs t r a i nr a t ea n dn e wm t sa t q u a s i s t a t i c s t a t er e s p e c t i v e l y , h i g hs t r a i nr a t ev a r i e sf r o m7 0 0 s t o 2 4 0 0 s b yc o m p a r e dt h er e s u l to fh i 【g h s t r a i n - r a t et ot h eo n e so ft h e q u a s i s t a t e ，i ti sf o u n dt h a tt h es p a c e rw e f tk n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s i ss e n s i t i v i t yt ot h es t r a i nr a t e ，w h a t e v e rt h eo u t p l a t eo ri n - p l a t ed i r e c t i o n c o m p r e s s i v es t i f f n e s sa n df a i l u r e s t r e s s l i n e a r l yi n c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo ft h es t r a i nr a t e ，w h i l ef a i l u r es t r a i nl i n e a r l yd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s e do f t h es t r a i nr a t e a st h es t r a i nr a t e i n c r e a s e d ，t h e r e i sad e f e r e n c eb e t w e e nt h e o u t - p l a t ea n dt h ei n - p l a t ec o m p r e s s i v e t h em a i nf a i l u r em o d ea to u t - o f - p l a n ec o m p r e s s i o ni st h ei n t e r l a m i n a rs h e a rf a i l u r ea n dt h ei n - p l a n e d i r e c t i o ni st h ed e l a m i n a t i o n w h e nt h es t r a i nr a t ei sl o w ，t h ec o m p o s i t e s i sd e s t r o y e ds l i g h t l yw h i l ei ti sc o m p l e t e l yb r o k e na th i 【g hs t r a i nr a t e l i u w e n j i a n ( t e x t i l em a t e r i a la n d t e x t i l ed e s i g n ) s u p e r v i s e db yd r g ub o h o n g k e yw o r d s3 - ds p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ， s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r , c o m p r e s s i o n ，i m p a c t ，s t r a i n r a t e 附件一： 东华大学学位论文原刨性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：支l l 曼建 日期： ) 霸巧年d 月0 8 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：立1 谴 日期：抛年2 月加 指导教师签名：顾筠连 日期：) d 旺纠拍辑 第一帝综述 第一章综述 1 1 引言 复合材料是一种新型材料，它具有强度高，刚度大，重量轻等优点，并且它 可以根掘使用条件的要求进行优化设计，以满足各种特殊需要，从而极大的提高 了工程结构的性能。近二十年柬，复合材料得到了飞速的发展，它最初在航天、 航空等尖端技术领域显示其优越性，继而在建筑、机械、汽车、能源、化工等部 门得到r 益广泛的应用。到t 2 0 世纪3 0 年代，出现了玻璃纤维增强塑料复合材料， 这种材料性能良好，广泛应用在船舶、航空等领域，然而仅仅局限在单向或短纤 层合复合材料的形式。尽管层合板已经长期使用，但是由于制造原因和某些力学 性能较差，例如层合结构需要人工铺叠，劳动强度大，费用高，生产周期长，不利 于生产复杂的形状构件，而且层合板的冲击损伤抗力和面内的力学性能较差，使 得二维的层合板的断裂韧性较差，不易承受横向和层问的剪切，在冲击载荷的作 用下很容易产生分层，使得它在许多结构上的应用受到限制。为了提高复合材料 的层日j 强力，人们结合传统的复合材料成型工艺和纺织技术研究丌发了三维纺织 结构增强复合材料，f l p 3 - d 纺织结构复合材料，它是将高性能的纤维或纱线利用 纺织技术编织而成三维结构，再经树脂浸渍整理而成的新型复合材料，这种结构 就能有效地克服层合复合材料的各种缺陷。用于三维复合材料的增强结构，具有 完全整体而连续的、在空间多轴向面内及面外纤维取向，尤其是厚度方向的增强， 从根本上克服了层合板的严重分层现象，而且预制件厚度方向的整体结构性使复 合材料的性能如强度、刚度、抗冲击性等性能得到了全面的提高。 距今为止，典型的三维纺织结构复合材料主要有三维编织、三维机织、三 维针织和三维缝合复合材料川。三维纺织结构复合材料能够适应大批量生产，既 可以裁减出各式各样的纺织预成形件，又可以直接加工获得所需的形状，以适应 特殊的需要。在这几种成形技术中针织技术特别适合制造形状复杂的构件，例如 t 形管，央层织物等，尤其针织的全成形技术可以一次成形复杂构件，有效的降 低了生产成本和减少了生产周期【2 1 。 然而人们对针织复合材料的研究并不多，针织复合材料被忽视的原因主要有 第一章综述 两个，其一是针织线圈结构，其二是它的纤维体积含量不足1 3 1 ，它们一方面赋予 针织复合材料良好的成形性，但是另一方面它又导致材料中纤维的卷曲，致使其 拉伸和压缩强度均低于相同纤维体积含量的其它类三维纺织复合材料。 1 23 d 纬编间隔针织增强复合材料的现状 三维纬编日j 隔针织增强织物是种典型的3 d 针织增强结构，它是近年柬出 现的一种新型结构。它作为聚酯复合材料的增强结构始于= 十世纪九十年代，纬 编间隔织物一般通常用高性能纤维或纱线制成，它具有两个表面层和一个i 日j 隔 层，该织物的两个表面分别在两个针床上完成【4 l ，在针织过程中，甘j 隔纱线在厚 度方向将上下两个表层连接，最后完成整个织物的织造。其可以根据不同的设备、 工艺编织不同的表面层，而且可以调节织物的厚度，即问隔距离可以从2 6 0 m m 范围内变化，因此纬编问隔针织物是真乖意义上的三维针织物。纬编l 丑j 隔针织增 强织物是在纬编问隔织物的基础上在线圈横列以及线圈纵列的方向分别称入增 强纱线，这些面内方向存在的增强纱线，使得织物在面内方向的变形减少到零， 同时也使复合材料的面内性质，譬如强度和刚度都会显著的增加。 三维纬编日j 隔针织物具有卓越的性能，它容易被压缩，在加工过程中，织物 可以自适应铸模的外形而改变，用高性能的玻璃纤维制成的纬编间隔增强针织物 在经树脂浸渍后制成的复合材料具有较高压缩强度和抗撕裂性能，抗压载荷可到 达2 0 0 0 k g c m 2 ，可以用于工业地板1 5 】挚子6 1 等材料。 三维纬编问隔针织增强复合材料的日j 隔层可以有效地减少复合材料的重量， 可以很好的满足重量要求轻，压缩和弯曲强度要求好的材料要求，例如汽车工业。 用玻璃纤维制成的问隔织物复合材料车身具有重量轻，刚度商和良好的抗冲击性 能，而且i 日j 隔结构还常用在央芯材料上，它比传统材料具有重量轻，加工快，不 易腐蚀等优点，而且碰撞后不易发生芯部脱层，广泛应用在储罐、船泊等工业制 造中。 第一章练述 1 3 复合材料的动态力学性能研究 应变率即应变变化的速率，复合材料的动态力学性能的研究就是分析材料在 不同应变率下的力学响应，包括应力，应变，刚度的变化以及破坏模式的变化等 等。不同的材料在不同的应变率的响应是不同的，国内外对复合材料的动态力学 性能的研究比较多，然而大部分的文献针对的是二维的单层或层合板，对三维复 合材料的研究比较少，而对三维纬编1 日j 隔针织增强复合材料的动态力学性能的研 究至今还没有。 高应变率下材料的动态力学性质的研究必须采用合适的动态加载和动态测 量技术。目l i f 最有效、方便的动态试验装置是分离式s h p b 技术【7 1 以及其它的辅 助装置。 c t s u n f 8 i 利用分离式s h p b 装冒研究了偏轴玻纤环氧复合材料在不同应变 率下的力学性质，并分机了实验中影响分离式s h p b 装胃的因素，譬如试样与压 杆的界面摩擦，剪切波以及输入波上升沿的加载时1 日j 等因素，并对其作了详细的 理论分析。他的研究表明复合材料为应变率敏感材料，随着应变率的提高，材料 的力学性能也随之发生显著的变化，其变化规律是随着应变率的增大，应变减小， 应力增大，模量也随之变大。c t s u 玎并针对影响试验的各个因素提出了一些建 设性的意见和建议。 h m h s i a o 和m d a n i e l 9 1 对碳纤维环氧复合材料的压缩和剪切的动态力学性 质进行了研究，同时也对复合材料中纤维的卷曲对复合材料应变率响应的影响进 行了探讨。他们对不同纤维方向复合材料的力学性能进行了测试，得到了面内和 面外的应力一应变曲线，试验结果显示，随着应变率的提高，在对材料9 0 。方向 的测试中，他们发现材料的刚度变化不明显，而强度和应变却显著变化，在材料0 。方向上，复合材料的强度和刚度明显的增大，而应变并没有显著的变化，他们 认为这可能与发生在复合材料中的剪切作用以及其破坏模式的变化存在着一定 的关系。在3 0 。和4 5 。方向上的压缩测试则可以考察应变率对复合材料面内剪切 性能的影响，其应变率效应是剪切强度明显变大。与此同时他们还测试了纤维弯 曲状态下复合材料的动念力学性能，它呈现的应变率响应与非弯曲状态下的较相 似。 第一帝综述 孙宝忠，杨柳，顾伯洪【】研究三维编织复合材料的压缩应变率响应，通过准 确的试验他们发现三维编织复合材料为应变率敏感材料。它的压缩刚度随着应变 率的增大而增大，而失效应力，失效应变的变化不明显。 a m o lj a d h a v l 】等对纤维复合材料的动态压缩应变率效应的作用进行了研 究。研究结果表明虽然纤维不是应变率敏感材料，但是复合材料却存在的较强的 应变率效应。在测试纤维方向上随着应变率的增大，失效应力和失效应变也随之 增大，但是当失效应力达到某数值之后，失效应力随应变率变化的趋势不再像 原来明显了，丽失效应变上f j 会随着应变率的增大而一直变大，另一方面随着纤维 角度的变小，其应变率效应逐渐的变大，这种现象可能是因为纤维复合材料的破 坏模式随应变率变化而引起的。 m g u d e a 和u y i l d i r i m l l2 l 等对s 2 玻纤s c 5 环氧机织复合材料的动态力学 性能进行了研究，研究表明材料的刚度和失效应力对应变率都是敏感的，并通过 电子显微镜发现复合材料的破坏模式主要是韧性破坏而且还同时伴随着基体和 纤维层的丌裂。 t e t a y 和h g a n y 等 1 3 1 对机织缎纹环氧复合材料以及纯环氧树脂基体的动 态压缩力学性质进行了研究，他们比较了这两种材料的动态压缩应变率行为，尤 其在低应变率范围内，试验表明它们的刚度部随应变率的增大而变大，在动态加 载下应力应变的响应不仅是应变的函数，而且还是应变率的函数，他们并根掘 试验数掘建立了一系列的经验公式。 孙宝忠，顾伯洪等【1 4 】通过分离式s h p b 装置研究了三维机织复合材料的压缩 应变率效应，并通过对比准静态和动态的试验，发现三维机织为应变率敏感材料。 压缩刚度和失效应力随着应变率的增大而增大，失效应力则减小。 m v h o s u r ；和j a i e x a n d e r 【1 5 j 等利用分离式：s h p b 装霄分析了碳纤环氧层合板 的高应变率的压缩效应，分别对厚度方向和面内方向进行了测试，并将动态的应 力- 应变与静念条件下的结果进行了比较，在试验的应变率范围内，材料的强度 存在着明显的增大趋势，而刚度的变化取决于多方面的原因，譬如纤维的排列方 向，基体的粘弹特性、破坏界面的作用时i 日j 等。在破坏模式上，面外存在典型的 剪切破坏，面内主要是分层破坏。最重要的是h o s u r 提出了分离式s h p b 压缩试验 只有在试样完全被破坏后，其试验所得的数掘爿具有可信性的重要观点。 第一帝综述 o k e n w a1 o k o l i i 怕i 针对应变率以及破坏模式对机织玻纤增强复合材料的能量 吸收性能的影响进行了试验和理论的分析。通过拉伸和剪切实验，发现复合材料 的能量吸收与应变率呈线性关系，这种关系在高、低应变率范围内都存在。在低 应变率下复合材料的破坏模式主要是纤维的断裂和抽拔，而在高应变率下主要的 破坏模式则是基体的破坏。复合材料的能量吸收随应变率的变化而线性增大，可 以认为这与复合材料破坏模式的发尘变化是存在着相互联系的。随后他还研究了 玻纤环氧【0 。9 0 。】复合材料在不同应变率下的泊松比效应7j ，结果发现泊松比 对应变率并不敏感。 a m o sg i l a t a ，r o b e r tk g o l d b e r g b i s l 等利用反射式s h p b 装霄对碳纤佣：氧 i m 7 9 9 7 2 【0 。4 5 。9 0 。似5 。】复合材料进行了动态的拉伸试验，通过大量的试 验数掘，得到了随着应变率的增大，材料各个方向上的刚度都会随之增大，而断 裂应力和应变在各个方向上的变化并不一致的结论，在0 。和9 0 。方向上应力、 应变的变化不明显，在+ 4 5 。方向上却存在这显著的增大，这表明复合材料的应 变率效应是与基体的性质密不可分的。 r 0 o c h o l a ，k m a r c u s l l 9 1 等分别对玻纤、碳纤维增强复合材料在不同应变 率下的力学性能进行了研究，并将动念试验结果与静态下的进行了对比，试验发 现这两种材料均是应变率敏感材料，随着应变率的增大，玻纤、碳纤增强复合材 料的断裂应力变大，断裂应变减小，而且还比较了其能量吸收性能，他们认为复 合材料能量吸收的变化与复合材料在高应变率下破坏模式的变化有关。 b a z l e 。a g a m a , j o h n ，w g i l l e s p i e l 2 0 l 等研究了平纹s 一2 玻纤复合材料高应变率 的响应。一方面通过面内、面外两个方向的大量试验发现，复合材料的最大应力 一应变呈非线性变化，而且高应变下的断裂应力和断裂应变均比静念下要大，另 一方面又利用s e m 技术研究了其破坏模式，面外的破坏模式主要是基体丌裂、纤 维断裂以及纤维束的抽拔，而面内的破坏模式主要是分层、基体丌裂，以及径向 的丌裂等。 国内对复合材料的高应变率的研究也取得了一定的进展。 顾红军，赵囡志【2 1 等对高聚物复合材料动力学性能进行了实验研究，通过分 离式s h p b 装詈分析了四种不同材料层合板以及橡胶复合的高聚物复合材料在冲 第章综述 击载荷下的动力学性质，分杌了良好的吸能效果，实验中发现四种高聚物复合材 料透射波幅值与入射波幅值的比值较低，表明其吸能率较高。 刘瑞堂，张晓欣用h o p k i n s o n 压杆技术测试材料动态断裂韧性，他们采用 三点弯曲试样进行动态断裂试验，应用试验数值法确定动态应力强度因子的响应 曲线，进而测试材料动态断裂韧性。 燕瑛，楼畅等【2 州对二维和三维机织复合材料力学性能的细观分析与实验研 究，建立了预测机织复合材料弹性性能和强度的方法并进行了相应的实验研究， 系统地研究了织物几何和结构参数对机织复合材料性能的影响，研究了冲击后的 拉伸与压缩性能及疲劳剩余强度和寿命，建立了基于有限元分析和失效准则预 测冲击能门槛值的方法，给出了预估疲劳寿命的公式。 1 4 目i j i 研究工作存在的问题 随着针织复合材料应用领域的不断扩大，人们对针织复合材料尤其是三维针 织复合材料的力学性能的研究也不断的深入，然而在动态力学研究领域，对三维 纬编间隔针织增强复合材料的研究还比较少，还存在着很大的空白。为了能够充 分了解三维纬编间隔针织增强复合材料在不同应变率的力学响应，我们还需要对 以下两个方面进行更深入的研究。 i 三维纬编间隔针织增强复合材料的应变率效应 通过文献，我们得知复合材料在不同的应变率下其力学性质存在着或多或少 的差异，尤其对于三维纬编l 日j 隔针织增强复合材料，其动态力学性质，譬如各个 力学指标与应变率存在着怎样的关系? 三维纬编间隔针织增强复合材料面内、面 外的动态力学性质是否存在着差异? 各个应变率下复合材料的破坏模式的差 异? 2 基体的应变率效应 不同的基体具有不同的物理机械性能，在基体j 增强材料形成一个完整的整体 后，其性质会发生显著的变化。为了研究三维纬编间隔针织增强复合材料的动态 压缩性能，就有必要研究基体在高应变率下的动态力学响应。 第一章综述 1 5 本文工作任务和内容 到目| j i 为止，国内外对三维复合材料的动态力学性质的研究较少，而对三维纬 编间隔针织增强复合材料的研究至今还没有，因此丌展这方面的研究是十分迫切 和具有实际意义的，此研究可以为三维纬编间隔针织增强复合材料的研究、生产 以及设计应用提供理论根掘和试验指导。本论文将从以下几个方面进行试验研 究。 1 三维纬编| 日j 隔针织增强复合材料的制备。 2 对三维纬编| 日j 隔针织增强复合材料以及树脂基体进行动态压缩试验。 3 树脂基体的动态压缩应变率效应。 4 三维纬编问隔针织增强复合材料面外、面内的动态压缩应变率效应。 参考文献 川z h e n gm i n gh u a n 昌s r a m a k r i s h n a ，m i c r o m e c b a n i c a lm o d e l i n ga p p r o a c h e sf o rt h e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho f k n i t t e df a b r i cc o m p o s i t e s ：ar e v i e wa n dc o m p a r a t i v es t u d y ， c o m p o s i t e s ：p a r ta 2 0 0 0 ；3i ：4 7 9 - 5 0 1 【2 】2k h l e o n g ，e j f a l z o n ，m k b a n n i s t e ra n di h e r s z b e r y a ni n v e s t i g a t i o no f t h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f w e f t - k n i tm i l a n o - r i bg l a s s e p o x yc o m p o s i t e s ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ；5 8 ：2 3 9 2 5 1 【3 】b g o m m e r s ，1 v e r p o e s ta n de v a nh o u r e 。a n a l y s i so fk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ： p a r t o n e f i b e r o r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n c o m p o s i t e s ：p a r t a ，1 9 9 8 ；2 9 a ：1 5 7 9 1 5 8 8 【4 】k o w a l s k ik ，b e d n a r s k ig s t r u c t u r ea n df e a t u r e so fan e wg r o u po fk n i t t e ds p a c e rf a b r i c s m e l l i a n dt e x t i l b e r i c h t e ，1 9 9 9 ，8 0 ( 5 ) ：e 9 8 一e 9 9 【5 】邱冠雄间隔织物在纺织复合材科中的戍川针织j 业，1 9 9 8 。4 【6 】b a r t e l sv t t h e r m a lc o m f o r to fa e r o p l a n es e a t s ：i n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts e a tm a t e r i a l sa n dt h e 7 第一审综述 u o f l a b o r a t o r yt e s tm e t h o d s a p p l i e de r g o n o m i c s ，2 0 0 3 ，3 4 ( 4 ) ：3 9 3 3 9 9 【7 】b a z l eag a m e , s e r g e yll o p a t n i k o v j o h nwg i l l e s p i ej r h o p k i n s o nb a re x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e ：ac r i t i c a lr e v i e w a p p lm e c hr e v ，2 0 0 4 ；5 7 ( 4 ) 【8 t a ln i n a n ，j t s a i ，c t s u n u s eo f s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rf o r t e s t i n go f f - a x i sc o m p o s i t e s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f i m p a c te n g i n e e r i n g2 0 0 1 ；2 5 ：2 9 1 - 3 1 3 9 】h m h s i a n aa n di m d a n i e l b s t r a i nr a t eb e h a v i o ro fc o m p o s i t em a t e r i a l s c o m p o s i t e sp a r t b ，1 9 9 8 ；2 9 b ；5 2 1 5 3 3 【1 0 】b a o z h o n gs u n ，l i uy a n ga n d8 0 h o n gg u s t r a i nr a t ee f f e c to nf o u r - s t e pt h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d e dc o m p o s i t e sc o m p r e s s i v eb e h a v i o r a i a aj o u r a l ，2 0 0 5 ；4 3 ( 5 ) ： 【1i a m o lj a d h a v ，e y a s s uw o l d e s e n b e t ，s u - s e n gp a n g h i g hs t r a i nr a t ep r o p e r t i e so fb a l a n c e d a n g l e - p l y g r a p h i t e e p o x yc o m p o s i t e s c o m p o s i t e s ：p a r cb 2 0 0 3 ；3 4 ：3 3 9 3 4 6 【1 2 】m g u d e n ，u y i l d i r i m ，i w h a l l e f f e c to fs t r a i n r a t eo nt h e c o m p r e s s i o nb e h a v i o ro f a w o v e ng l a s s f i b e r s c 1 5 c o m p o s i t e p o l y m e r t e s t i n g2 0 0 4 ；2 3 ：7 1 9 - 7 2 5 【1 3 t e t a y 。h g a n y a n dv p w s h i m a n e m p i r i c a l s t r a i n r a t e d e p e n d e n t c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p f o r g l a s s f i b e r r e i n f o r c e d e p o x y a n d p u r ee p o x y c o m p o s i t e s s t r u c t u r e ，1 9 9 5 ；3 3 ：2 0 1 - 2 1 0 【1 4 】b a o z h o n gs u n ，b o h o n gg u ，x i nd i n g c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro f3 - da n g l e - i n t e r l o c kw o v e n f a b r i cc o m p o s i t e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e s p o l y m e rt e s t i n g ，2 0 0 5 ；2 4 ：4 4 7 - - 4 5 4 【1 5 】m v h o s u r , j a l e x a n d e r u k v a i y a , s j e e l a n i h i g hs t r a i n r a t ec o m p r e s s i o nr e s p o n s eo f c a r b o n e p o x y l a m i n a t ec o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss t r u c t u r e 2 0 0 1 ；5 4 ：4 0 5 - 4 1 7 【1 6 1o k e n w a1 o k o l i t h ee f f e c t so f s t r a i nr a t ea n df a i l u r em o d e so nt h ef a i l u r ee n e r yo f t h ef i b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss t r u c t u r e 。2 0 0 1 ；5 1 ：2 9 9 - 3 0 3 【1 7 o i o k o l i ，g f s m i t h t h ee f f e c to f s t r a i nr a t ea n df i b e rc o n t e n to nt h ep o i s s o n sr a t i oo f # a s s e p o x yc o m p o s i t e s 【1 8 1 a m o sg i l a t , r o b e r tk g o l d b e r g ，g a r yd r o b e r t s e x p e d m e n t a ls t u d yo fs t r a i n r a t e d e p e n d e n tb e h a v i o ro fc a r b o n e p o x yc o m p o s i t e c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 2 0 0 2 ；6 2 ：1 4 6 9 1 4 7 1 9 r o o e h o l a ，k m a r c u s ，g n n u r i c k ，t f r a n z m e c h a n i c a lb e h a v i o u ro f g l a s sa n dc a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa tv a r y i n gs t r a i nr a t e s c o m p o s i t es t r u c t u r e s 2 0 0 4 ；6 3 ：4 5 5 4 6 7 【2 0 】b a z l e g a m a , j o h nw g i l l e s p i e ，j r h a s s a nm a h f u z , r o s h a np r a i n e s ，a n w a r u lh a q u e ， 8 第一审综述 s h a i kj e e l a n i ，t r a v ia b o g e t t i ，b r u c k ek f i n k j o u r n a lo f c o m p o s i t e sm a t e r i a l s 。2 0 0 1 ： 3 5 ：1 2 0 1 1 2 2 7 【2 l 】顾红军，赵国，占，张海波，张伟高聚物复合材料动力学性能实验研究材，料科学与 1 ：科，2 0 ( 4 ) ： 【2 2 】刘瑞堂，张晓欣，姜风春，欧贵宝h j h o p k i n s o n , q ；, 杆技术测试材料动态断裂韧性的方法研 究哈尔滨i 科人学学报，2 0 0 0 ；2 1 ( 6 ) ：1 8 - 2 5 【2 3 】燕瑛，楼畅，成传贤，章怡j ，杨旭机织复合材料力学性能的细观分析与实验研究复 合材料学报，2 0 0 1 ：1 8 ( 2 ) ：1 0 9 1 1 3 - o 第一市 二维纬编间阮针织增强复合村 的成型 第二章三维纬编间隔针织增强复合材料的成型 2 1 引言 复合材料的力学性能除了与它的预构件结构和材料有关外，还受基体和复合 材料成型工艺的影响。本章主要介绍了选择合适的树脂以及利用s c r i m p 成型工 艺完成对三维纬编间隔针织增强复合材料的制作。 2 2 三维纬编间隔针织增强织物预构件 纬编| 1 日j 隔织物通常指在织造机器( 机织、针织机) 上直接制成的具有长、宽， 厚的三维针织物，其结构如图2 1 所示。纬编间隔针织织物通常具有三层结构， 即两个表面层和一个i 日j 隔层，一般来说在双层拉舍尔针织机上完成，两个针床能 独立生产不同结构和性能的表面层，在针织过程中纱线问歇于两组针之日j 交换形 成穿过厚度的纱线芯杠，连接在表面层预形件的芯杠有垂直方向白霄或成4 5 。倾 斜，纬编i 日j 隔针织物的外形上的独特之处在与它具有较大的厚度，但是这种厚度 不单单是指通过使用较裉的纱线简单织造而成，或者是下机后通过与其它织物拼 合而成，而是指在厚度方向存在着增强纤维，并将上下两个表层连接成一个整体 结构，因此它的厚度是实际意义上的。 三维纬编问隔针织增强织物，是在纬编间隔针织物的基础上，在线圈横列和 线圈纵列分别添入增强的纤维或纱线由于增强纱线呈伸直状态，不存在弯曲，则 可以有效的增加织物的强力，并将纬编1 h j 隔针织物的变形降到了最低。其结构如 图2 - 2 所示，图2 - 3 为三维纬编h j 隔针织增强织物实物图。 第一辛 二维纬编间隔针织增强复合材 的成型 图2 1 = 维纬编间隔针纵物结构幽 i 玺1 2 - 2 二维纬编问隔针织增强织物结构幽 第一审 二维纬编问碥针织增强复合材 的成型 幽2 3 二维纬编间隔针织增强织物实物蚓 本课题组所使用的三维纬编日j 隔针织增强织物预构件的工艺规格如下表2 一l 所示 表2 - 1 二维纬编间隔针织增强织物规格 结构参数参数值 纤维材料e 玻璃纤维 单纤肖静( u m ) 8 针织纱线细度( t e x ) 8 1 2 增强纱线细度( t e x ) 2 4 0 0 间隔纱线细度( t e x ) 2 4 0 0 线网 针织物横列( c m )1 2 密度 线圈 纵列( c m ) 1 2 - 1 2 - 第一章 二维纬编旧船针织增强复合村f 的成型 2 3 树脂的选择 作为复合材料基体的高性能树脂体系，它的各项性能必须满足实际应用的需 要，首先基体要具有适当的粘度，能够适应工艺的要求。本试验根据纬编间隔针 织物的结构特性，选用s c r i m p 工艺，所以基体的粘度不易过大，树脂粘度太大， 树脂流动时需要较大的真空压力，这样就容易使l 日j 隔层的增强纱线被冲刷错位， 而粘度太小，树脂可能在浸涧纤维束之前就充满模具，导致制品中的疏松缺陷， 其次树脂应具有较长的适用期以及当树脂充满后又能快速地固化，以缩短制品的 成型周期【2 】。在树脂的性能上，所选的树脂应住强度、模量、韧性、刚温、刚环 境老化和纤维粘结性能等方面满足制品的技术要求。 目i i 使用的树脂多为聚合物基树脂，它可以分为两种：热固性和热塑性树 脂。热固性树脂又分不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂和酚醛树脂等。经综合 考虑，本试验选用上海新华树脂厂生产的3 0 7 3 不饱和聚酯，固化剂为过氧化甲 乙酮，促进剂为辛酸钴，树脂液的配置比例为1 0 0 ：4 ：2 。不饱和聚酯的技术参 数如表2 2 所示。 表2 - 23 0 7 3 不饱和聚熊的技术参数 外观 酸值车占度 凝救时间土要特性 在过氧化物的引发r 可以 微黄至淡黄色液 2 6 ，3 4o 3 6 o 。6 63 0 r a i n 胶联，聚合抗水性灯。强度 体高 2 4s c r i m p 成型 s c r i m p ( s e e m a n nc o m p o s i t er e s i ni n f u s i o nm o l d i n gp r o c e s s ) 即西曼复 合材料树脂注入成形法。此成型工艺是近年束在r t m 工艺基础上发展起来的一种 第一帝 二维纬编问骗针织增强复合材f 的成型 独特的复合材料成型工艺1 3 l