浅析树脂基体配比对三维织物夹芯复合材料力学性能的影响

　　1引言
　　三维织物夹芯复合材料是一种新型的轻质夹层结构复合材料，这种材料具有高强高模、隔热耐压、抗冲击性好、整体性优异、不易分层的特点，近年来在航空航天、交通行业以及建筑行业中的应用越来越广泛。
　　姚秀东等利用有限元软件ANSYS，对增强型复合材料夹层板建立物理模型，研究树脂柱分布和材料特性对芯层与而层间的应力分布以及板竖向位移的影响;徐颖等采用刚度退化技术和改进的ChanceChang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤的过程;张天才困等研究了不同配比聚醚胺/酚醛胺环氧树脂体系的力学性能，并采用DSC测试方法研究其固化过程，确定其固化工艺的温度参数。Hosur等研究了三维整体中空复合材料的成型工艺，并对不同面板的材料进行了低速冲击实验研究。
　　本文以100%E-Glass玻璃纤维为经纬纱原料，采用改良后的三维织造工艺，在SUA598型全自动剑杆织样机上织造三维夹芯织物，以环氧树脂E-51、固化剂聚醚胺H023组成树脂基体，利用手糊成型工艺，以树脂基体配比(环氧树脂:固化剂)为2:1:3:1:4:1制备三维织物夹芯复合材料。对3种树脂基体配比的复合材料的压缩性能与弯曲性能进行研究，对比改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的材料的力学性能，得到一些有益的结论，为进一步研究三维织物夹芯复合材料的结构与性能提供了实验依据。
　　2试验过程
　　2.1实验材料与设备
　　无碱玻璃(E-Glass)纤维由泰山玻璃纤维有限公司提供，线密度为2400 Tex;环氧树脂E-51由南通星辰合成材料有限公司提供;固化剂聚醚胺H023由无锡仁泽化工产品有限公司提供;洁模剂CX-500与脱模剂XTEND 807由北京科拉斯科技有限公司提供。
　　SUA598型全自动剑杆织样机由江阴市通源纺机有限公司生产;lOlA-4S型电热鼓风干燥箱由南京沃环科技实业有限公司生产;Instron 3385H型电子万能试验机由美国英斯特朗公司生产;5212型恒速搅拌器由上海申顺生物科技有限公司生产;JA2003型电子精密天平由上海著海仪器有限公司生产。
　　2.2三维夹芯织物的制备
　　2.2.1三维夹芯织物的设计(1)设计6根经纱、26根纬纱作为三维夹芯织物的一个组织循环，复合材料的夹芯层高度为12mm，夹芯层间距为24mm。
　　(2)三层网状结构，经纱1,3织上面板层，经纱2,4织下面板层，经纱5,6织中间的夹芯层，按矩形方式接结为一整体，接结后的立体结构网眼呈矩形，各层组织均采用平纹组织。
　　(3)本次织造采用改良的三维织造工艺，具有多综眼、多开口、双动程的优点，上面板层与下面板层可以同时进行引纬，所以实际引纬顺序数只有18，大大增加了织造效率。
　　2.3三维织物夹芯复合材料的制备
　　三维织物夹芯复合材料的制备工艺如下:
　　(1)用清洁剂清洗模具，待干燥后在模具上涂覆一层脱模剂，3分钟后再涂一层脱模剂，并把织物平铺在模具上;
　　(2)将环氧树脂E-51与固化剂聚醚胺H023分别以2：1：3：1：4：1的比例进行混合，搅拌均匀，混合后的树脂基体的总质量均为300g;
　　(3)分别将三种配比的树脂基体涂覆在对应织物的上表而，让其充分吸收一段时间后，将织物分别翻而，把乘」余的树脂基体倾倒在织物上，用辊子滚压均匀;
　　(4)将织物与模具同时放入电热鼓风干燥箱，设定温度为70 ，烘燥时间为8h，制得三维织物夹芯复合
　　3结果与讨论
　　3. 1树脂基体配比对力学性能的影响
　　3. 1. 1树脂基体配比对压缩性能的影响(1)三种树脂基体配比的三维织物夹芯复合材料压缩性能的应力。
　　树脂基体配比采用3:1，三维织物夹芯复合材料的压缩强度最大。树脂基体配比为2:1时，压缩强度为1. 81MPa;树脂基体配比为3:1时，压缩强度为2. 32MPa;树脂基体配比为4:1时，压缩强度为1. 73MPa。这是由于环氧树脂自身具有较高的交联密度，是个内应力较大的脆性体系，存在着质脆、韧性低的缺点，当加入适量的(3:1)聚醚胺柔性组分时，降低了体系的内应力，提高了体系的抗压能力，从而使压缩强度增大。当继续提高聚醚胺组分时(如2:1),增加了交联点之间的空间大小，降低了体系的交联密度，从而使体系的内聚强度也随之降低，导致压缩强度减。
　　(2)三种树脂基体配比的三维织物夹芯复合材料的压缩弹性模量。
　　随着聚醚胺含量的减少，三维织物夹芯复合材料的压缩弹性模量逐渐增大。当加入适量的(如4:1)聚醚胺柔性组分，与环氧树脂之间产生较好的协同效应，明显改善复合体系的力学性能;当柔性组分继续增加(如3:1:2:1)，更长的链段参与到固化反应中，体系交联密度降低，内聚强度降低，从而压缩弹性模量降低。
　　3. 1. 2树脂基体配比对弯曲性能的影响(1)三种树脂基体配比的三维织物夹芯复合材料弯曲性能的应力。
　　树脂基体配比采用3：1，三维织物夹芯复合材料的弯曲强度最大。树脂基体配比为2：1时，弯曲强度为5. 08MPa;树脂基体配比为3：1时，弯曲强度为6. 33MPa;树脂基体配比为4：1时，弯曲强度为4. 79MPa。这是由于环氧树脂体系是以刚性芳香胺为固化剂的脆性体系，加入适量的(3：1)聚醚胺组分后，体系呈刚性固化网络与柔性固化网络并存，当受到外力作用时，柔性固化网络结构能很好地产生应力松弛效应，有效抵抗体系的抗开裂能力，使体系呈现较高的弯曲强度。
　　(2)三种树脂基体配比的三维织物夹芯复合材料的弯曲弹性模量。
　　随着聚醚胺含量的减少，三维织物夹芯复合材料的弯曲弹性模量逐渐增大。当聚醚胺含量越多时(如3：1：2：1)，柔性固化网络结构在体系中所占的比例越多，增大了交联点之间的空间，从而交联密度降低，弯曲弹性模量降低。
　　3. 2三维织造工艺对力学性能的影响
　　3. 2.1维织造工艺对压缩性能的影响分别对改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的复合材料的压缩性能进行测试。
　　对比改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的复合材料，后者的压缩性能优于前者。采用改良前的织造工艺，压缩强度为U. 97MPa，压缩弹性模量为7. 34MPa;采用改良后的织造工艺，压缩强度为1. 81MPa，压缩弹性模量为17. 29MPa。这是由于改良后的三维织造工艺具有多综眼、多开口与双动程的特点，上下面板层同时织造，中间的三维立体结构网眼成型清晰，复合成型后的材料的上下面板层平整度更高，树脂浸透效果更好，力学性能得到优化， (1-6为经纱顺序数，工书为综框顺序数)。
　　3. 2.2三维织造工艺对弯曲性能的影响分别对改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的材料的弯曲性能进行测试。
　　对比改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的材料，后者的弯曲性能优于前者。采用改良前的织造工艺，弯曲强度为4. 65MPa,弯曲弹性模量为98. 91MPa;采用改良后的织造工艺，压缩强度为5. 08MPa，弯曲弹性模量为49. 24MPao
　　4结论
　　1.夹芯层高度、间距相同时，树脂基体配比为3：1,三维织物夹芯复合材料的压缩强度和弯曲强度最大。
　　2.夹芯层高度、间距相同时，随着聚醚胺含量的减少，三维织物夹芯复合材料的压缩弹性模量和弯曲弹性模量逐渐增大。
　　3.夹芯层高度、间距、树脂基体配比相同时，对比改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的复合材料，后者的力学性能优于前者。