經編間隔織物增強復合泡沫塑料的制備與力學性能研究.pdf

1、經編間隔織物作為一種近年來發(fā)展較快的紡織結構材料，具有優(yōu)異的抗壓、抗沖擊和緩沖性能，將其作為增強材料加入基體中可以有效提高復合材料的剪切強度及厚度方向的壓縮性能。結合經編間隔織物作為紡織結構材料所特有的結構整體性，使得經編間隔織物特別適合作為各種復合材料的“增強骨架”使用。
　　復合泡沫塑料是用空心微珠填充基體而制成的新型泡沫材料，其特殊的帶壁泡孔結構使得復合泡沫塑料不僅保持了傳統泡沫塑料輕質的優(yōu)點，而且力學性能相對較高，因此在航

2、空、航海、汽車制造及建筑等領域均有應用。但是，傳統復合泡沫塑料在絕對力學性能方面普遍不足，這嚴重限制了此種材料的發(fā)展。
　　基于以上原因，本研究將經編間隔織物加入到傳統復合泡沫塑料中復合成為新型的經編間隔織物增強復合泡沫塑料，詳細研究了此種新型材料的界面結合情況及壓縮、彎曲、沖擊等力學性能，旨在為該復合材料力學性能的優(yōu)化設計提供理論指導和試驗支持。
　　為了研究增強相結構和參數對經編間隔織物增強復合泡沫塑料力學性能的影響，本

3、研究設計并織造了4種具有不同結構和參數的間隔織物樣品，包括2種不同的間隔梳櫛針背橫移針距數，2種不同的表面組織及2種間隔絲直徑。結合3種不同種類的空心玻璃微珠，通過手糊成型方法共制備了8種經編間隔織物增強復合泡沫塑料樣品及1種傳統復合泡沫塑料對比樣品。
　　作為三相復合材料，增強相的分布均勻程度和各組分間的界面結合情況對材料的各項性能有直接影響。基于上述原因，本論文首先通過樣品斷面的SEM圖對材料中空心玻璃微珠的分布情況及微珠與基

4、體的界面結合情況進行了觀察分析。結果表明空心微珠在復合材料基體和間隔絲周邊分布均勻，微珠與基體的界面結合狀況良好。為了探究間隔絲與復合泡沫塑料基體的界面結合情況，本文采用3種不同參數的微珠及4種不同直徑的滌綸纖維制備了多種纖維/微珠/環(huán)氧樹脂三相復合材料樣品，并在Instron5567萬能材料試驗機上對其進行了經典的微滴試驗。結果表明，纖維與復合泡沫塑料基體的整體結合情況良好，說明本研究的樣品制備工藝合理，材料選擇得當。同時，纖維直徑、

5、微珠體積分數以及微珠內外徑比等參數對復合材料的界面結合狀況有較大影響，采用較細纖維、較低微珠體積分數及較小內外徑比微珠的復合材料具有更好的界面結合。鑒于微滴試驗結果離散性較大的不足，本研究創(chuàng)新性的采用ANSYS接觸分析并基于庫侖摩擦模型對纖維/玻璃微珠/環(huán)氧樹脂三相復合材料的界面剪切強度和應力分布狀況進行了模擬。結果顯示，有限元模擬可以較好的重現試驗結果及其變化趨勢，同時借助于有限元模型的von Mises應力云圖及界面接觸摩擦應力云圖

6、，可在一定程度上對此種材料的微滴試驗機理進行解釋。
　　為了探究經編間隔織物增強復合泡沫塑料的壓縮性能，本研究采用 MTS810萬能材料試驗機對經編間隔織物增強復合泡沫塑料進行了準靜態(tài)壓縮試驗。通過試驗發(fā)現，經編間隔織物增強復合泡沫塑料的應力-應變曲線為由線彈區(qū)及平臺區(qū)組成的兩段式形態(tài)，這與傳統復合泡沫塑料樣品三段式的應力-應變曲線形態(tài)不同。經編間隔織物的結構參數對經編間隔織物增強復合泡沫塑料的壓縮性能有較大影響，具有較小間隔梳櫛

7、針背橫移針距數及較密實間隔織物面層的復合材料顯示出較大的壓縮模量和屈服強度。采用較大間隔絲直徑(0.2mm)的復合材料樣品與較小間隔絲直徑(0.16mm)的樣品相比，具有略高的屈服強度及相近的壓縮模量。同時，適當增加 S60HS型空心玻璃微珠的體積分數及采用內外徑比較小的微珠也可以較為明顯的提升復合材料的壓縮性能。
　　本文采用Mori-Tanaka方法，對經編間隔織物增強復合泡沫塑料的壓縮模量進行了理論預測。結果顯示，理論預測模

8、型可以較好的模擬出不同樣品的壓縮模量值及變化趨勢，該模型尤其適合對微珠內外徑比較小、微珠體積分數適中的樣品的壓縮模量進行預測。同時，為了對經編間隔織物增強復合泡沫塑料的壓縮強度進行預測，本文基于纖維屈曲理論和橫向拉裂理論給出了經編間隔織物增強復合泡沫塑料間隔絲軸向壓縮強度的兩種預測模型。研究表明基于橫向拉裂理論的壓縮強度模型預測結果較差，而基于纖維屈曲理論的間隔絲軸向壓縮強度預測模型則可以較好的模擬出不同參數復合材料的壓縮強度及變化趨勢

9、。
　　考慮經編間隔織物增強復合泡沫塑料的實際使用場景，本文對此種新型材料進行了三點彎曲測試以探究其彎曲性能。同時，還利用樣品三點彎曲宏觀、細觀破壞形貌結合最小路徑原理對復合材料的彎曲性能進行了理論解釋。研究結果顯示，在密度相當的情況下，經編間隔織物增強復合泡沫塑料與傳統復合泡沫塑料相比具有更高的彎曲強度及彎曲模量。經編間隔織物的結構及參數，S60HS型空心玻璃微珠的體積分數及微珠內外徑比對復合材料的彎曲性能有較大影響，具有較小間

10、隔梳櫛針背橫移針距數，較緊密面組織結構的復合材料具有較好的彎曲性能。適當提升 S60HS型微珠體積分數及采用更高強度的微珠也可起到提升材料彎曲性能的目的。
　　為了探究此種材料的動態(tài)力學性能，在Instron Dynatup9250 HV落錘式沖擊儀上對8種經編間隔織物增強復合泡沫塑料樣品及1種傳統復合泡沫塑料樣品進行了低速沖擊試驗。采用沖擊載荷峰值、主破壞能量值和吸收能量值3個指標對樣品的沖擊性能進行表征，沖擊速度選擇為1m/s

11、、1.5m/s和2m/s。結果顯示，除了面層組織為六角形網孔的復合材料，嵌入其它3種間隔織物的復合材料相比于傳統復合泡沫塑料具有更高的沖擊載荷峰值，更高的主破壞能量值和較低的吸收能量值，從而具有更優(yōu)秀的抗沖擊性能。另一方面，具有較大間隔絲直徑、較小間隔梳櫛針背橫移針距數及較密實間隔織物面層組織結構的復合材料顯示出相對更好的沖擊性能。同時，適度提高S60HS型空心微珠體積分數及采用內外徑比較小的微珠也可以提高材料的沖擊載荷峰值和主破壞能量

12、值，并減少能量吸收，進而提升材料的抗沖擊性能。
　　在經編間隔織物增強復合泡沫塑料低速沖擊性能的有限元模擬方面，采用沖頭、復合泡沫塑料芯層、面層復合材料板及間隔絲4部分組成了有限元模型，并借助于ANSYS/LS-DYNA及LS-PrePost兩款軟件對代表性樣品的沖擊性能進行了動力學模擬。其中ANSYS/LS-DYNA用來建立有限元模型、定義接觸參數、劃分網格、添加約束、設置求解參數、求解以及進行后處理，而LS-PrePost被用