經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的制備與力學(xué)性能研究.pdf

1、經(jīng)編間隔織物作為一種近年來(lái)發(fā)展較快的紡織結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的抗壓、抗沖擊和緩沖性能，將其作為增強(qiáng)材料加入基體中可以有效提高復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度及厚度方向的壓縮性能。結(jié)合經(jīng)編間隔織物作為紡織結(jié)構(gòu)材料所特有的結(jié)構(gòu)整體性，使得經(jīng)編間隔織物特別適合作為各種復(fù)合材料的“增強(qiáng)骨架”使用。
　　復(fù)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(jié)構(gòu)使得復(fù)合泡沫塑料不僅保持了傳統(tǒng)泡沫塑料輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，而且力學(xué)性能相對(duì)較高，因此在航

2、空、航海、汽車制造及建筑等領(lǐng)域均有應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料在絕對(duì)力學(xué)性能方面普遍不足，這嚴(yán)重限制了此種材料的發(fā)展。
　　基于以上原因，本研究將經(jīng)編間隔織物加入到傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料中復(fù)合成為新型的經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料，詳細(xì)研究了此種新型材料的界面結(jié)合情況及壓縮、彎曲、沖擊等力學(xué)性能，旨在為該復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和試驗(yàn)支持。
　　為了研究增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的影響，本

3、研究設(shè)計(jì)并織造了4種具有不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)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(shù)，2種不同的表面組織及2種間隔絲直徑。結(jié)合3種不同種類的空心玻璃微珠，通過(guò)手糊成型方法共制備了8種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料樣品及1種傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料對(duì)比樣品。
　　作為三相復(fù)合材料，增強(qiáng)相的分布均勻程度和各組分間的界面結(jié)合情況對(duì)材料的各項(xiàng)性能有直接影響。基于上述原因，本論文首先通過(guò)樣品斷面的SEM圖對(duì)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(jié)合情況進(jìn)行了觀察分析。結(jié)果表明空心微珠在復(fù)合材料基體和間隔絲周邊分布均勻，微珠與基體的界面結(jié)合狀況良好。為了探究間隔絲與復(fù)合泡沫塑料基體的界面結(jié)合情況，本文采用3種不同參數(shù)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(fù)合材料樣品，并在Instron5567萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)典的微滴試驗(yàn)。結(jié)果表明，纖維與復(fù)合泡沫塑料基體的整體結(jié)合情況良好，說(shuō)明本研究的樣品制備工藝合理，材料選擇得當(dāng)。同時(shí)，纖維直徑、

5、微珠體積分?jǐn)?shù)以及微珠內(nèi)外徑比等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合狀況有較大影響，采用較細(xì)纖維、較低微珠體積分?jǐn)?shù)及較小內(nèi)外徑比微珠的復(fù)合材料具有更好的界面結(jié)合。鑒于微滴試驗(yàn)結(jié)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(kù)侖摩擦模型對(duì)纖維/玻璃微珠/環(huán)氧樹脂三相復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度和應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，有限元模擬可以較好的重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果及其變化趨勢(shì)，同時(shí)借助于有限元模型的von Mises應(yīng)力云圖及界面接觸摩擦應(yīng)力云圖

6、，可在一定程度上對(duì)此種材料的微滴試驗(yàn)機(jī)理進(jìn)行解釋。
　　為了探究經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的壓縮性能，本研究采用 MTS810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為由線彈區(qū)及平臺(tái)區(qū)組成的兩段式形態(tài)，這與傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料樣品三段式的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)不同。經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)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(shù)及較密實(shí)間隔織物面層的復(fù)合材料顯示出較大的壓縮模量和屈服強(qiáng)度。采用較大間隔絲直徑(0.2mm)的復(fù)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(qiáng)度及相近的壓縮模量。同時(shí)，適當(dāng)增加 S60HS型空心玻璃微珠的體積分?jǐn)?shù)及采用內(nèi)外徑比較小的微珠也可以較為明顯的提升復(fù)合材料的壓縮性能。
　　本文采用Mori-Tanaka方法，對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的壓縮模量進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，理論預(yù)測(cè)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(shì)，該模型尤其適合對(duì)微珠內(nèi)外徑比較小、微珠體積分?jǐn)?shù)適中的樣品的壓縮模量進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，為了對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文基于纖維屈曲理論和橫向拉裂理論給出了經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料間隔絲軸向壓縮強(qiáng)度的兩種預(yù)測(cè)模型。研究表明基于橫向拉裂理論的壓縮強(qiáng)度模型預(yù)測(cè)結(jié)果較差，而基于纖維屈曲理論的間隔絲軸向壓縮強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型則可以較好的模擬出不同參數(shù)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度及變化趨勢(shì)

9、。
　　考慮經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的實(shí)際使用場(chǎng)景，本文對(duì)此種新型材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測(cè)試以探究其彎曲性能。同時(shí)，還利用樣品三點(diǎn)彎曲宏觀、細(xì)觀破壞形貌結(jié)合最小路徑原理對(duì)復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了理論解釋。研究結(jié)果顯示，在密度相當(dāng)?shù)那闆r下，經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料與傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料相比具有更高的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，S60HS型空心玻璃微珠的體積分?jǐn)?shù)及微珠內(nèi)外徑比對(duì)復(fù)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(shù)，較緊密面組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有較好的彎曲性能。適當(dāng)提升 S60HS型微珠體積分?jǐn)?shù)及采用更高強(qiáng)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能，在Instron Dynatup9250 HV落錘式?jīng)_擊儀上對(duì)8種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料樣品及1種傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料樣品進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)。采用沖擊載荷峰值、主破壞能量值和吸收能量值3個(gè)指標(biāo)對(duì)樣品的沖擊性能進(jìn)行表征，沖擊速度選擇為1m/s

11、、1.5m/s和2m/s。結(jié)果顯示，除了面層組織為六角形網(wǎng)孔的復(fù)合材料，嵌入其它3種間隔織物的復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)復(fù)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(shù)及較密實(shí)間隔織物面層組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料顯示出相對(duì)更好的沖擊性能。同時(shí)，適度提高S60HS型空心微珠體積分?jǐn)?shù)及采用內(nèi)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(jìn)而提升材料的抗沖擊性能。
　　在經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料低速?zèng)_擊性能的有限元模擬方面，采用沖頭、復(fù)合泡沫塑料芯層、面層復(fù)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(duì)代表性樣品的沖擊性能進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬。其中ANSYS/LS-DYNA用來(lái)建立有限元模型、定義接觸參數(shù)、劃分網(wǎng)格、添加約束、設(shè)置求解參數(shù)、求解以及進(jìn)行后處理，而LS-PrePost被用