（纺织材料与纺织品设计专业论文）混编三维机织复合材料的结构与性能的关系研究.pdf

摘要 摘要 不同种纤维的混编结构用作增强体为复合材料的设计者提供了 一条设计具有特殊性能与用途材料的有效途径。通常采用不同纤维 混编增强体的目的是在不过多降低复合材料原有性能的前提下，获 取具有新功能或具有优异综合性能的新材料；或通过低成本材料的 混入，在保证材料使用性能的基础上，降低复合材料的成本。三维 机织技术具有高效的结构成型性，所得预形体结构的紧凑性且变化 多样，为混编增强体的制造提供了一种便捷方法。除原材料的性能 外，组分纤维的配比及其在材料中的分布形式是决定混编结构增强 复合材料性能的最重要因素。本研究的目的为：1 ) 通过三维机织 技术生产芳纶玻璃纤维混编增强体并制作三维机织复合材料。2 ) 分析复合材料的机械和介电性能与组分纤维混编形式之间的关系。 三维增强体，即三维织物的制造是在一种新型三维织机上进行 的。此类织造技术的特点是可同时形成多个梭口，一次投入多根纬 纱，一个织造循环可形成预形体所需厚度；所得织物结构规整，具 有优良的力学性能。为研究组分纤维含量与材料性能的关系，制作 了五种具有不同芳纶与玻纤层数比的增强体。其中两种分别为纯芳 纶增强体和纯玻纤增强体，对应的复合材料为p a c 和p g c 其它三种 为玻纤层位于中间，芳纶纤维层位于两边的对成分布结构。纤维层 与玻璃纤维层的比例分别为6 ：2 、4 ：4 和2 ：6 ，对应的复合材料依次 为6 a 2 g c 、4 a 4 g c 和2 a 6 g c 另外，一种与4 a 4 g c 具有相同组分纤 维层配比，但组分纤维层呈间隔分布的复合材料也被制造出来与 4 a 4 g c 做对比，以研究纤维分布形式对混编复合材料性能的影响。 为研究其力学性能，对所有材料进行了拉伸、三点弯曲与低速 冲击三种测试。拉伸测试结果表明，复合材料的拉伸强力并不随组 摘要 分纤维配比的变化而呈单一变化趋势，而是在组分纤纤维含量最为 接近时( 对应与4 a 4 g c ) 达到最小值。具有相同的组分纤维含量， a 4 a 4 g c 具有明显高于4 a 4 g c 的拉伸强力，这表明间隔结构比夹层结 构具有优异的拉伸性能。通过对三点弯曲性能的分析，具有高玻璃 纤维含量的材料具有较大的弯曲强度而具有较高芳纶纤维的材料 容易呈现多步强力下降的失效现象。在冲头重量为4 8 k g ，速度为 3 2 m s 的冲击条件下，最大载荷随玻纤的增加呈先下降后上升的 趋势，在组分纤维含量最接近达到最小值；而材料的总吸收能量随 玻纤的增加呈先上升后下降趋势，在组分纤维含量最为接近时达到 最低点。相比于4 a 4 g c ，a 4 a 4 g c 的最大载荷较大而总吸收能量较 低，说明组分纤维的间隔分布比集中分布可使复合材料具有较大的 冲击阻抗和较小的冲击韧性。 为研究混合形式与材料介电性能的关系，分别在低频范围 ( 1 m h z1 g h z ) 和高频范围( 1 g h z , 、一- 2 5 g h z ) 对材料的介电性能进 行了测试。结果表明材料的介电常数并不随玻璃纤维含量的增加而 呈单一变化趋势，而是在组分纤维的含量最接近时，达到最小值， 随后随玻璃纤维含量的增加而增长。而介电损耗正切值随玻纤的增 加呈单一下降趋势。经比较，4 a 4 g c 的介电常数与介电损耗明显低 于复合材料a 4 a 4 g c 比较所有材料的介电性能，当组分纤维的含量 最接近且纤维层呈集中分布状时( 对应于4 a 4 g c ) ，复合材料具有 最低的介电常数和较为理想的介电损耗，证明此类结构具有优良的 综合介电性能。 关键词：三维机织，复合材料，玻璃纤维，芳纶，混编， 机械性能，介电性能 h a b s t r a c t a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o no f t h eh y b r i d i z a t i o na n d3 dw e a v i n gt e c h n i q u e ，t h e o b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c ha r em a n u f a c t u r i n gh y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e sa n d i n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t so fh y b r i dp a t t e mo nt h ep r o p e r t i e so fh y b r i dc o m p o s i t e s i n c l u d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd i e l e c t r i cp r o p e r t i e s a ne f f e c t i v e3 dw e a v i n gt e c h n i q u ew a su s e dt om a n u f a c t u r et h ep e r f o r m sa n d t h ee s s e n c eo ft h i st e c h n i q u ei st h a tt w oo rm o r ef i l l i n g ( o rw e f t ) y a m sa r e s i m u l t a n e o u s l yi n s e r t e df r o mo n eo rb o t hs i d e s ，t h u sb u i l d i n ga ni n c r e m e n to f3 d f a b r i cl e n g t hw i t l le v e r yr e v o l u t i o no ft h em a c h i n e v a c u u mr e s i nt r a n s f e rm o l d i n g w a su s e dt of a b r i c a t et h ef i n a lc o m p o s i t e s a l lo fc o m p o s i t e sw e r er e i n f o r c e dw i t l l 3 dw o v e nf a b r i c f i v ek i n d so fc o m p o s i t e sw i t i lw e r ef a b r i c a t e df o ri n v e s t i g a t i n gt h e e f f e c to fc o n s t i t u e n tf i b e rc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s t w oo ft h e ma r e p u r ea r a i m e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ( p a c ) a n dp u r eg l a s sf a b r i cr e i n f o r c e d c o m p o s i t e ( p g c ) t h r e eo ft h e mr e i n f o r c e dw i t h3 dw o v e nf a b r i cc o m p o s e do f m i d d l eg l a s sf i b e rl a y e r sa n de q u i v a l e n ta r a m i df i b e rl a y e r si nb o t hs i d ei n c l u d i n g ：6 a r a m i df i b e rl a y e r sp l u s2g l a s sf i b e rl a y e r sr e i n f o r c ec o m p o s i t e ( 6 a 2 g c ) ，4a r a m i d f i b e rl a y e r sp l u s4g l a s sf i bl a y e r sr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ( 4 a 4 g c ) a n d2l a y e r s a r a m i df i b e rl a y e r sp l u s6g l a s sf i b e rl a y e r sr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ( 2 a 6 g c ) i n a d d i t i o n a n o t h e rc o m p o s i t e sw i t l lt h ep r e f o r mi nw h i c h4a r a m i df i b e rl a y e r sa n d4 g l a s sf i b e rl a y e r sw e r ea l t e r n a t i v e l ya s s e m b l e da r ea l s of a b r i c a t e df o ri n v e s t i g a t i n g t h ee f f e c to f c o n s t i t u e n tf i b e ra r r a n g e m e n ts e q u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so f c o m p o s i t e s f o ri n v e s t i g a t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t e n s i l e ，3p o i n tb e n d i n ga n dl o w v e l o c i t yi m p a c tt e s tw e r ep e r f o r m e do i la l lo f c o m p o s i t et y p e s i i i 丝! ! 堂l 一一一一 ：一一：一一一 。 t h er e s u l t so b s e r v e df o rt e n s i l et e s ts h o w e dt h a tt h et e n s i l em e n 酉ha n d y o u n g sm o d u l u s d i d n ts h o ws i n g l ec h a n g et e n d e n c yw i t ht h ev a r i a t i o no f c o n s t i t u e n tf i b e rc o n t e n t w h e nt h ec o n s t i t u e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o nw a st h ec l o s e s t ， c o m p o s i t e s h o w e dt h el o w e s tf a i l u r es t r e s sa n dy o u n g sm o d u l u s w i t l lt h e e q u i v a l e n tc o n s t i t u e n tf i b e rc o m e n t ，a 4 a 4 g cs h o w e dh i g h e rf a i l u r es t r e s st h a n 4 a 4 g c ，w h i c hw a sc a u s e db yt h ed i f f e r e n c eo fa s s e m b l i e so fc o n s t i t u e n tf i b e rl a y e r b e t w e e nt h e m t h er e s u l t sf o rb e n d i n gt e s ti n d i c a t et h a tt h ec o m p o s i t e sw i t hl o w e rg l a s sf i b e r c o n t e mw e r ee a s yt os o f tu n d e rb e n d i n gl o a d b u tc o m p o s i t e sw i t hh i g h e ra r a m i d f i b e rc o n t e n tw e r e e a s y t oe x p e r i e n c es j g n i f i c a n t m u l t i s t a g e f a i l u r eb e h a v i o r c o m p o s i t e sw i t hh i g h e rg l a s sf i b e rc o n t e ms h o w e dh i g h e rf i e x u r a ls t r e n g t h i n a d d i t i o n ，w i t he q u i v a l e n tc o n s t i t u e n tf i b e rc o n t e n t ，a 4 a 4 g cs h o w e das i g n i f i c a n t h i g h e rb e n d i n gs t r e n g t ht h a n4 a 4 g c t h er e s u l t sf o ri m p a c tt e s ts h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e m e n to fg l a s sf i b e rc o n t e n t ， t h ei m p a c tp e a kf o r c ed e c r e a s e df i r s t l y ，u n t i lt h ec o n s t i t u e n tf i b e ri st h ec l o s e s t ， c o r r e s p o n d i n gt o4 a 4 g c ，a n dt h e ne x p e r i e n c e dad e c r e a s e b e i n go p p o s i t et op e a k f o r c e ，w i t ht h ei n c r e m e n to fg l a s s 助e rc o n t e n t ，t o t a li m p a c te n e r g ye x p e r i e n c e da i n c r e a s ef i r s t l y ，t ot h em a x i m u mv a l u ea t4 a 4 g c ，a n dt h e ne x p e r i e n c e dad e c r e a s e i na d d i t i o n ，4 a 4 g cs h o w e dt h ea l m o s tt h ee q u i v a l e n ts p e c i f i ci m p a c tt o t a le n e r g y w i t hp a cw h i c hh a st h el a r g e s t s p e c i f i ct o t a le n e r g y c o m p a r e dw i t ha 4 a 4 g c ， c o m p o s i t e4 a 4 g cs h o w e dh i g h e rn o r m a l i z e dp e a kf o r c eb u tl o w e rt o t a li m p a c t e n e r g y ，i na d d i t i o n ，c o m p a r i s o nf o rd u c t i l i t y i n d e xs h o w e dt h a n4 a 4 g ca n d a 4 a 4 g cw e r em o r ed u c t i l et h a no t h e rc o m p o s i t e t y p e s f o ri n v e s t i g a t i n gt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，a l lc o m p o s i t et y p e sa r et e s t e db y i m p e n d e n c em e t h o da tl o wf r e q u e n c yr a n g e ( 1 m h z - 1 0 0 0 m h z ) a n dt r a n s m i s s i o n i v a b s t r a c t l i n ep r i n c i p l ea th i g hf r e q u e n c yr a n g e ( 1g h z 2 5 g h 幻i tw a sf o u n dt h a t4 a 4 g c h a v et h el o w e s td i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t ya n dt h et h i r dl o w e s tl o s st a n g e n t , w h i c h i n d i c a t e dt h a tp e r m i t t i v i t yd i d n ts h o wau n i q u ec h a n g et e n d e n c yw i t l lc o n s t i t u e n t m a t e r i a l s i na d d i t i o n ，c o m p a r e dw i t l l4 a 4 g c ，a 4 a 4 g cs h o w e db o t hh i 曲e r p e r m i t t i v i t ya n dl o s st a n g e n t ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ef i b e ra r r a n g e m e n ts e q u e n c e p l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f h y b r i dc o m p o s i t e s k e y w o r d s ：3 dw o v e nc o m p o s i t e s ，g l a s sf i b e r ，a r a m i df i b e r ，h y b r i d ， m e c h a n i c a lp r o s p e r i t i e s ，d i e l e c t r i cp r o p o a i e s v l i s to f t 矗l e s l i s to ft a b l e s t a b l e3 1 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o n s t i t u e n tf i b e r 2 6 t a b l e3 2 p h y s i c a lp r o p e r t i e so f h y b r i d3 dw o v e nf a b r i c 2 6 t a b l e3 3d e n s i t i e so f h y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 2 6 t a b l e3 4f i b e rv o l u m ef r a c t i o no f h y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 2 6 t a b l e4 1t e n s i l es t r e n g t ho f h y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 2 t a b l e4 2 y a n g sm o d u l u so f h y b n d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 2 t a b l e4 3 s p e c i f i ct e n s i l ed a t af o rv a r i o u sc o m p o s i t e s ，6 3 t a b l e4 4f l e x u r a ls t r e n g t ho f h y b r i d3 dw o v e n c o m p o s i t e s 6 3 t a b l e4 5f l e x u r a lm o d u l u so f h y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 4 t a b l e4 6s p e c i f i cf l e x u r a ls t r e n g t ha n dm o d u l u so f h y b r i d3 dw o v e n c o m p o s i t e s ，6 4 t a b l e4 7 i m p a c tp e a l ( f o r c ef o rh y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 5 t a b l e4 8 i m p a c te n e r g yf o rh y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 5 t a b l e5 1p e r m i t t i v i t i e so f v a r i o u sc o m p o s r ea tl o wf r e q u e n c yr a n g e 8 0 t a b l e5 2l o s st a n g e n to f v a r i o u sc o m p o s r ea tl o wf r e q u e n c yr a n g e 8 0 i x 生! 坠坐! ! 些壁： x l i s to ff i g u r e s f i g u r e3 1s c h e m a t i co f 3 dw e a v i n gp r o c e s s 2 3 f i g u r e3 2s c h e m a t i c so f r e i n f o r c e m e n t sf o rv a r i o u sc o m p o s i t e s 2 3 f i g u r e3 3 a t y p i c a lp h o t of o r3 dw o v e np r e f o m 2 4 f i g u r e3 4 s c h e m a t i co f c o n s o l i d a t i o n p r o c e d u r e 2 4 f i g u r e3 5 v a r t mf a b r i c a t i o no fa r a m i d g l a s sf i b e r3 dw o v e n c o m p o s i t e 2 5 f i g u r e3 6 p h o t o so f c r o s ss e c t i o nf o rs e v e r a lt y p i c a lc o m p o s i t e s ，2 5 f i g u r e4 1s p e c i m e nd i m e n s i o nf o rt e n s i l et e s t 4 3 f i g u r e4 2 at e n s i l es p a c e m e nb e i n gt e s t e d 4 3 f i g u r e4 3 a b e n d i n gs p e c i m e nb e i n gt e s t e d 4 3 f i g u r e4 4 p h o t o sf o ri m p a c tt e s t 4 4 f i g u r e4 5t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc u r v e so f p a c 4 4 f i g u r e4 6t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc u r v e so f 2 a 2 g c 4 5 f i g u r e4 7t y p i c a lt e n s i l es t r e s s - s t r a i nc n l w e so f 4 a 4 g c 4 5 f i g u r e4 8t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc h i v e so f2 a 6 g c 4 6 f i g u r e4 9t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc u r v e so f p g c 4 6 f i g u r e4 1 0t y p i c a lt e n s i l es t r e s s s t r a i nc u r v e so f a 4 a 4 g c 4 7 f i g u r e4 11t y p i c a ls p e c i m e n sa f t e rf a i l u r eu n d e rt e n s i l e1 0 a d 4 7 f i g u r e4 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n s t i t u e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o na n d t e n s i l e s t r e n g t h 4 8 f i g u r e4 1 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n s t i t u e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o na n dt e n s i l e s t r e n g t h 4 9 f i g u r e4 14s p e c i f i ct e n s i l ed a t a 5 0 f i g u r e4 15at y p i c a lf a i l e ds p e c i m e na f t e r3p o i n tb e n d i n gt e s t 5 1 f i g u r e4 1 6t y p i c a lf a i l u r ep a t t e ma f t e r3p o i n tb e n d i n gt e s t 5 1 f i g u r e4 1 7t y p i c a lb e n d i n gl o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e so f p a c 5 2 f i g u r e4 18t y p i c a lb e n d i n gl o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e so f 6 a 2 g c 5 2 f i g u r e4 19t y p i c a lb e n d i n gl o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e so f 4 a 4 g c 5 3 f i g u r e4 2 0t y p i c a lb e n d i n gl o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e so f 2 a 6 g c 5 3 f i g u r e4 2 1t y p i c a lb e n d i n gl o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e so f p g c 5 4 f i g u r e4 2 2t y p i c a lb e n d i n gl o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e so f a 4 a 4 g c 5 4 l i s to f f i g u r e s f i g u r e4 2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o r m a l i z e df l e x u r a ls t r e n g t ha n d c o n s t i t u e n t f i b e rv o l u m ef r a c t i o n ，5 5 f i g u r e4 2 4s p e c i f i cf l e x u r a ls t r e n g t ho f v a r i o u sc o m p o s i t e s ，5 5 f i g u r e4 2 7l o a d d e f l e c t i o nc u r v e so f v a r i o u sc o m p o s “e s ，5 7 f i g u r e4 2 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n s t i t u e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o na n d i m p a c tp e a kf o r c ei nw a r pd i r e c t i o n 5 8 f i g u r e4 2 9 l o a d - t i m ec u r v e so f 4 a 4 g c ，a 4 a 4 g c ，p g ca n da b g c 5 8 f i g u r e4 3 0l o a d d e f l e c t i o nc b r v e so f 4 a 4 g c ，a 4 a 4 g c ，p g ca n da b g c 5 9 f i g u r e4 3 1 p e a kf o r c en o r m a l i z e dt ot h i c k n e s sa n df i b e rv o l u m ef r a c t i o no f 4 4 , 4 g c ，a 4 a 4 0 c ，p g ca n da b g c 5 9 f i g u r e4 3 2r e l m i o n s h i pb e t w e e nc o n s t i t u e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o na n d i m p a c tt o t a le n e r g y 6 0 f i g u r e4 3 3 n o r m a l i z e dt o t a li m p a c t e n e r g yo f4 a 4 g c ，a 4 a 4 g c ，p g ca n d a b g c 6 0 f i g u r e4 3 4s p e c i f i ct o t a le n e r g yo f v a f i o u sh y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 1 f i g u r e4 3 5 a t y p i c a li m p a c tl o a d - d i s p l a c e m e n tc h i v ef o ri l l u s t r a t i n gt h e i n i f i a l e n e r g y ( e ) a n dp r o p a g a t i o ne n e r g y ( 点6 1 f i g u r e4 3 6d u c t i l i t yi n d e xo f v a r i o u sh y b r i d3 dw o v e nc o m p o s i t e s 6 1 f i g u r e5 1 t h es y s t e mu s e df o rh i 曲f r e q u e n c yt e s t ，7 4 f i g u r e5 2d i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yw i t hr e s p e c tt of r e q u e n c yf o rv a r i o u s c o m p o s i t e s 。7 5 f i g u r e5 3 d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t sw i t l lr e s p e c tt of r e q u e n c yf o rv a r i o u s c o m p o s i t e s ，7 5 f i g u r e5 4 d i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yv e r s u sg l a s sf i b e rv o l u m ef r a c t i o na sw e l la s t o t a lf i b e rv o l u m ef r a c t i o n ，7 6 f i g u r e5 5l o s st a n g e n tv e r s u sg l a s sf i b e rv o l u m ef r a c t i o na sw e l la st n t a l f i b e r v o l u m ef r a c t i o n 7 7 f i g u r e5 6c o m p a r i s o no f d i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yb e t w e e n4 a 4 g ca n d a 4 a 4 g c a tv a r i o u sf r e q u e n c i e s ，。，7 7 f i g u r e5 7c o m p a r i s o no f l o s st a n g e n tb e t w e e n4 a 4 g ca n d a 4 a 4 g ca t v a r i o u s f r e q u e n c i e s 7 8 f i g u r e5 8t y p i c a lc u r v e sf o rm i c r o w a v et e s t 7 8 f i g u r e5 9p e r m i u i v i t yo f v a r i o u sc o m p o s i t e sv e r s u sf r e q u e n c ya th i 曲 f r e q u e n c yr a n g e ，7 9 一x i 兰堕垡! ! 壁竺 x i i f i g u r e5 1 0l o s st a n g e n to f v a r i o u sc o m p o s i t e sv e r s u sf r e q u e n c ya th i g h f r e q u e n c yr a n g e 8 0 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，祟尚严谨学风。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。除文中己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：亏立匆屯 日期：铆多年f ? 月矽日 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 学位论文作者签名烤走娥 日期：州万年1 7 - ) j2 伯 指导教师签名 研点 日期：瞬，月，矿日 季 a c k n o w l e d g e m e n t s a c l ( n o w l e d g e m e n t s f o rt h ec o m p l e t i o no ft h i st h e s i s ，t h ea u t h o rw o u l dl i k et oe x p r e s sh i st h a n k st o p e o p l ew h o a l ei n v o l v e da n dh e l p e di ni sw o r k t h ea u t h o rw o u l dl i k