權(quán)利要求

1.具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料以凱夫拉纖維為復(fù)合增強體原料，環(huán)氧樹脂為基體；所述復(fù)合增強體以多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元。2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)將所述凱夫拉纖維進行上漿處理； (2)按照設(shè)定好的結(jié)構(gòu)織造復(fù)合增強體； (3)對所述復(fù)合增強體進行脫漿處理并干燥； (4)以樹脂固化劑混合溶液浸漬所述復(fù)合增強體，靜置，得到所述復(fù)合材料。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)上漿處理的溫度為100℃。 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)上漿處理所用漿料原料包括PVA、變性淀粉和水；所述PVA、變性淀粉和水的質(zhì)量比為48:112:1840。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述漿料的制備方法包括以下步驟：將所述PVA、變性淀粉和水混合溶解后，于90℃下煮漿2.5h。 6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)脫漿處理采用NaOH溶液，處理時間為3h。 7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂固化劑混合溶液由JL-235樹脂與固化劑按照質(zhì)量比100:27混合得到。

說明書

具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

復(fù)合材料一般是由兩種或兩種以上的材料，通過化學(xué)或物理的方法，在宏觀上組成的新性能的材料，其中組分根據(jù)其在實踐中的不同應(yīng)用可分為基體和增強體。它們在保持自身固有基本特性的基礎(chǔ)上，通過界面之間的相互作用，來實現(xiàn)材料性能的疊加與互補和產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料獲得優(yōu)異的新的綜合性能，滿足其在不同領(lǐng)域的性能要求。

隨著紡織技術(shù)的飛速發(fā)展，以纖維為主要原料的針織物、機織物及非織造布被廣泛用作為復(fù)合材料的增強體材料。紡織復(fù)合材料由于其低密度、高模量、高強度等優(yōu)點，在安全防護和交通建設(shè)及航空航天等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

多層織物增強復(fù)合材料具有較高的整體性和仿形性，層壓復(fù)合材料有著優(yōu)異的抗拉伸性能，但是層壓復(fù)合材料的層間強度較低，易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而多層織物復(fù)合材料不僅可以擁有層壓復(fù)合材料高比剛度、高比強度、抗疲勞等優(yōu)點的同時，還可以克服層壓復(fù)合材料的層間強度低的缺點，并且可以提高復(fù)合材料層間性能和損傷容限，且這種織物可以在普通織機上織造或改造，生產(chǎn)效率高，適于批量生產(chǎn)。因此多層織物復(fù)合材料在各個領(lǐng)域得到了廣泛的運用。多層織物組織結(jié)構(gòu)多樣化，多層織物增強體結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能具有重要影響，對紡織復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義。多層結(jié)構(gòu)的織物復(fù)合材料是三維機織復(fù)合材料的一種特殊形式，其最大特點是粘合經(jīng)紗沿厚度方向以一定角度交織成型，從而提高復(fù)合材料的層間性能。多層結(jié)構(gòu)機織復(fù)合材料具有多種增強結(jié)構(gòu)，通過匹配不同的纖維類型、機織密度和其他設(shè)計參數(shù)，可以形成具有不同性能的復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

多層織物和平紋層壓復(fù)合材料與三維織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響方面，引起了學(xué)者們的關(guān)注及探討。其中郭洪偉通過對多層織物結(jié)構(gòu)的分析表明，緯紗密度對多層織物復(fù)合材料的力學(xué)性能有著顯著的影響，而提高緯紗密度也可以提高材料的整體性能，尤其是厚度方向的性能。胡靖元通過對層壓復(fù)合材料的研究分析表明，復(fù)合材料受沖擊損傷機理包括裂紋的穩(wěn)定性，傳播性和滲透性，以及材料結(jié)構(gòu)對能量的吸收和纖維斷裂的影響。阮芳濤采取小樣織機制備了經(jīng)緯密度不同的芳綸/碳纖維混雜平紋織物，利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝制備了芳綸/碳混雜織物增強復(fù)合材料并測試材料的力學(xué)性能。研究表明，當經(jīng)紗的密度增大時，復(fù)合材料的彎曲模量、拉伸模量呈下降趨勢，而材料的拉伸強度和斷裂伸長率呈上升趨勢；李思輝對聚乙烯層壓復(fù)合材料進行沖擊性能的試驗測試，同時把降解過程分為拉伸，剪切和分層三個階段，研究表明復(fù)合材料中纖維和基體材料的疊加是對能量吸收最多的。黃故對多維織物的結(jié)構(gòu)進行不同設(shè)計制備復(fù)合材料進行拉伸試驗，對此提出多維機織物的組織結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率等起著決定性作用，伸直狀態(tài)的長絲束有利于提高三維機織物復(fù)合材料性能。顧龍鑫通過設(shè)計并織造了相同層數(shù)，結(jié)構(gòu)不同的織物進行復(fù)合材料的制備，并對其材料進行力學(xué)性能的測試，從而證明了多維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計中，厚度一定時，應(yīng)提高織物的面密度，從而可以提高復(fù)合材料的拉伸斷裂強度。從目前的整體研究方向來看，主要是基于單一織物結(jié)構(gòu)和材料的選擇應(yīng)用的變化來研究復(fù)合材料性能的影響，探索單一織物結(jié)構(gòu)以及空間和平面結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)用對復(fù)合材料性能的影響。

而工程領(lǐng)域日益嚴格的要求對多層機織物增強復(fù)合材料提出了更高的要求。目前的工業(yè)上所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能還沒有完全滿足實際需要。例如，作為異型構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)，復(fù)合加固需要結(jié)合良好的整體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)變形能力，克服異型構(gòu)件在織造過程中的變形、彎曲等變形行為還不能完全符合條件需求。多層織物改變了經(jīng)紗和緯紗的排列規(guī)律以及每層經(jīng)紗和緯紗的交織規(guī)律，從而獲得良好的結(jié)構(gòu)變形和力學(xué)性能，有望成為異形結(jié)構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)材料。實際應(yīng)用過程中，多層復(fù)合材料在拉伸、壓縮等外部環(huán)境下，會導(dǎo)致材料損傷，嚴重影響材料的可繼續(xù)使用性，因此有必要對其力學(xué)性能做深入研究，對多層機織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計織造以及工藝優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，以滿足工程領(lǐng)域?qū)Χ鄬訖C織物增強復(fù)合材料較高的性能需求，同時，為復(fù)合結(jié)構(gòu)對所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能影響提供理論與設(shè)計依據(jù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供一種具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料以凱夫拉纖維為復(fù)合增強體原料，環(huán)氧樹脂為基體；所述復(fù)合增強體以多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元。其中多層組織以機織組織結(jié)構(gòu)中的角聯(lián)鎖組織為基礎(chǔ)組織單元，平紋組織為二維機織組織中平紋組織結(jié)構(gòu)。在進行組織結(jié)構(gòu)單元配置時，根據(jù)材料要求進行組織結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先確定復(fù)合組織配置比，再根據(jù)兩種組織單元的完全循環(huán)紗線數(shù)，確定兩種組織結(jié)構(gòu)單元的一個組織循環(huán)完全紗線數(shù)，當兩種組織結(jié)構(gòu)單元完全循環(huán)紗線數(shù)不同時，根據(jù)兩種組織結(jié)構(gòu)單元的最小公倍數(shù)進行循環(huán)紗線數(shù)的設(shè)置?？椩鞎r，采用分區(qū)穿綜法進行穿綜。

本發(fā)明還提供上述復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將所述凱夫拉纖維進行上漿處理；

(2)按照設(shè)計好的結(jié)構(gòu)織造復(fù)合增強體；

(3)對所述復(fù)合增強體進行脫漿處理并干燥；

(4)以樹脂固化劑混合溶液浸漬所述復(fù)合增強體，靜置，得到所述復(fù)合材料。

進一步地，步驟(1)上漿處理的溫度為100℃。

進一步地，步驟(1)上漿處理所用漿料原料包括PVA、變性淀粉和水；所述PVA、變性淀粉和水的質(zhì)量比為48:112:1840。

進一步地，所述漿料的制備方法包括以下步驟：將所述PVA、變性淀粉和水混合溶解后，于90℃下煮漿2.5h。

進一步地，步驟(3)脫漿處理采用NaOH溶液，處理時間為3h。

進一步地，所述樹脂固化劑混合溶液由JL-235樹脂與固化劑按照質(zhì)量比100:27混合得到。

本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明以平紋組織結(jié)構(gòu)單元與多層組織結(jié)構(gòu)單元為配比單元，設(shè)計具有復(fù)合組織結(jié)構(gòu)的多層組織結(jié)構(gòu)，以凱夫拉纖維為增強體原料，環(huán)氧樹脂為基體，通過真空輔助成型工藝制備芳綸環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，并對復(fù)合材料進行力學(xué)性能測試，同時對比平紋層壓復(fù)合材料和多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能，分析多層組織結(jié)構(gòu)單元與平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合比例對制備的復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合多層組織結(jié)構(gòu)有利于多層芳綸環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，與傳統(tǒng)多層復(fù)合材料相比，組織結(jié)構(gòu)設(shè)計為3+1的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗拉強度提高最多，為81.67％；組織結(jié)構(gòu)設(shè)計為1+3的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗彎強度改善最大，提高了近2倍；組織結(jié)構(gòu)設(shè)計為2+1的復(fù)合多層復(fù)合材料的抗沖擊性能最多增加了42.56％。

本發(fā)明在多維增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維結(jié)構(gòu)增強體、二維結(jié)構(gòu)增強體，探究其結(jié)構(gòu)的不同對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為復(fù)合結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響提供了理論與設(shè)計依據(jù)，有助于在減輕復(fù)合材料質(zhì)量的情況下保證復(fù)合材料的力學(xué)性能，以達到節(jié)約燃料和成本的目的，同時能夠改善現(xiàn)有紡織復(fù)合材料層間強度低等各方面應(yīng)用的缺點和不足。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料配置結(jié)構(gòu)圖；圖a為1+1配置結(jié)構(gòu)，圖b為1+2配置結(jié)構(gòu)，圖c為1+3配置結(jié)構(gòu)，圖d為1+4配置結(jié)構(gòu)，圖e為2+1配置結(jié)構(gòu)，圖f為3+1配置結(jié)構(gòu)；

圖2為實施例1中單層平紋織物組織結(jié)構(gòu)和多層織物組織結(jié)構(gòu)；圖a為平紋組織圖，圖b為多層組織圖；

圖3為樹脂傳遞模塑工藝裝置圖；其中：1-增強體，2-導(dǎo)流網(wǎng)，3-導(dǎo)流管，4-黑膠，5-墊板，6-真空膜，7-樹脂灌注出口，8-真空管，9-樹脂灌注入口；

圖4為復(fù)合材料的拉伸強度柱狀圖；

圖5為復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖6為復(fù)合材料的抗彎強度柱狀圖；

圖7為復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖8為復(fù)合材料的沖擊強度柱狀圖；

圖9為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模擬圖。

具體實施方式

現(xiàn)詳細說明本發(fā)明的多種示例性實施方式，該詳細說明不應(yīng)認為是對本發(fā)明的限制，而應(yīng)理解為是對本發(fā)明的某些方面、特性和實施方案的更詳細的描述。

應(yīng)理解本發(fā)明中所述的術(shù)語僅僅是為描述特別的實施方式，并非用于限制本發(fā)明。另外，對于本發(fā)明中的數(shù)值范圍，應(yīng)理解為還具體公開了該范圍的上限和下限之間的每個中間值。在任何陳述值或陳述范圍內(nèi)的中間值以及任何其他陳述值或在所述范圍內(nèi)的中間值之間的每個較小的范圍也包括在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上限和下限可獨立地包括或排除在范圍內(nèi)。

除非另有說明，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所述領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)人員通常理解的相同含義。雖然本發(fā)明僅描述了優(yōu)選的方法和材料，但是在本發(fā)明的實施或測試中也可以使用與本文所述相似或等同的任何方法和材料。本說明書中提到的所有文獻通過引用并入，用以公開和描述與所述文獻相關(guān)的方法和/或材料。在與任何并入的文獻沖突時，以本說明書的內(nèi)容為準。

在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可對本發(fā)明說明書的具體實施方式做多種改進和變化，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。由本發(fā)明的說明書得到的其他實施方式對技術(shù)人員而言是顯而易見得的。本申請說明書和實施例僅是示例性的。

關(guān)于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限于。

本發(fā)明實施例所用原料如表1所示：

表1

實施例1增強體的制備

1.增強體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強體中，機織材料是較常用做增強體的一種紡織結(jié)構(gòu)，其主要分為平面雙軸向、平面多軸向、空間三維三種結(jié)構(gòu)。機織織物可以被任意設(shè)計，從而得到良好的結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性，且是經(jīng)緯紗在平面內(nèi)覆蓋系數(shù)較大的織物。

本發(fā)明把多層組織結(jié)構(gòu)與平紋組織結(jié)構(gòu)分別為一個結(jié)構(gòu)單元，并對兩個組織結(jié)構(gòu)單元進行復(fù)合配置(多層結(jié)構(gòu)組織單元是四層，平紋組織結(jié)構(gòu)單元是雙層)，其配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖a為1+1配置結(jié)構(gòu)，圖b為1+2配置結(jié)構(gòu)，圖c為1+3配置結(jié)構(gòu)，圖d為1+4配置結(jié)構(gòu)，圖e為2+1配置結(jié)構(gòu)，圖f為3+1配置結(jié)構(gòu)。

采用相同筘號進行織造，經(jīng)密增相同，為124根/10cm，四層角聯(lián)鎖多層織物的緯密是98根/10cm，1+1的緯密是65，1+2的緯密是60，1+3的緯密是54，2+1的緯密是62，1+4的緯密是46，3+1的緯密是48，平紋織物的緯密是35。

為了增加復(fù)合結(jié)構(gòu)芳綸復(fù)合材料的性能研究，本發(fā)明還對比了平面雙軸向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)和多層組織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，同時也可觀察斷裂處樹脂與增強體的結(jié)合情況。故選取了4層、6層平紋層壓結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)織物(四層角聯(lián)鎖)進行后續(xù)對比實驗。單層平紋織物組織結(jié)構(gòu)和多層織物組織結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖a為平紋組織圖，圖b為多層組織圖。

2.原料上漿

凱夫拉纖維雖然強度和比模量都很高，但是出于實際織造的考慮，因為織造增強體不允許纖維有捻度，而凱夫拉纖維耐摩擦性極差，故導(dǎo)致織造比較困難，所以本發(fā)明織造前對凱夫拉纖維進行上漿處理。

為了提高紗線可織性，且不改變紗線本身固有的物理性能，在不加捻的前提下，上漿是通過漿料將松散的凱夫拉爾纖維浸漬貼合，以增強集束效果并提高其耐磨性。

漿料配方為：含固率8％、PVA 48g、變性淀粉(磷酸酯淀粉)112g、水1840g。

將配方原料稱重后全部置于調(diào)漿桶中，加入要求的水，用玻璃棒充分攪拌，使得在煮漿之前固體粉末能夠充分溶解。接著將調(diào)漿桶置于煮漿皿中，升溫加熱到90℃，開啟自動攪拌器，同時為防止水分蒸發(fā)，含固率上升現(xiàn)象，在煮漿過程中加硬紙板封住調(diào)漿桶口，保溫攪拌煮漿兩個半小時。待時間達到時，將漿料倒入燒杯中，在水浴鍋中保溫，防止?jié){料粘結(jié)變稠。接著采用GA391B型單紗漿機進行上漿，烘房溫度調(diào)至100℃，開啟風箱，用準備好的漿料配方進行上漿，以供織造經(jīng)紗的需要。

3.準備工作

開始穿綜前需要調(diào)整綜框的高度和平齊度，以保證綜框運轉(zhuǎn)正常，使控制機構(gòu)能夠正?？刂扑鶎?yīng)的綜框。為了便于滿足織造多層織物的需求，故織造所有多層織物全部使用飛穿法穿筘。采用英制筘號＝60，修正60#筘的鋼筘，所有的紗線都采用一入一筘的方法。

4.上機織造

采用1580dtex無捻的凱夫拉(Kevlar)纖維，在SGA598型小樣織機上織造各增強體織物。

5.打緯工藝

多層試樣要求每層相同位置的緯紗重合，因此織造時應(yīng)加大打緯力度，使相同位置不同層數(shù)的紗線重合，進而增加厚度出現(xiàn)三維效果。

6.織造環(huán)境

芳綸纖維1414不耐光，特別是紫外線，為了防止光照引起的實驗誤差，織造過程需要在無直接光照條件下完成。

7.織物后處理

為了更好的讓樹脂浸透增強體中的纖維，對織造的織物進行脫漿處理，處理工藝采用質(zhì)量濃度10％的NaOH溶液，對其水浴加熱(80℃)從而對增強體織物進行脫漿處理，處理時間為3h，而后利用烘箱對處理后的織造的織物進行烘干，烘箱溫度設(shè)定為85℃。

實施例2復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料的制備包括八個步驟：準備階段、封裝過程、抽氣、樹脂的配制、注膠、固化、脫模、后處理。

1.準備規(guī)格為40cm×40cm×0.8cm的玻璃板，在玻璃板上鋪上一層相應(yīng)規(guī)格的隔離膜。實驗開始前將玻璃板用蒸餾水洗凈靜置晾干，并且保證薄膜平整無褶皺。

2.以塑料薄膜為底板，居中放置機織物，并在織物的四周用AT-199膠帶定位，其具體位置為膠帶距離織物左右兩側(cè)各1-2mm，上下3-4mm。在定位時要注意膠帶連接點的密封性，在膠帶四個頂角處和織物上下側(cè)多粘一些膠帶，要求膠帶條與條之間無縫隙，且織物上下側(cè)多粘的膠帶區(qū)長6-7cm，寬5cm。

3.取下織物，在薄膜上刷上外用脫模劑。脫模劑則是為了方便復(fù)合材料卸下，保護其結(jié)構(gòu)的完整性。

4.重新放置織物，并將另一塊塑料薄膜放置在織物上；為了增強成型復(fù)合材料板可卸的便易性，還可以在織物與上、下薄膜之間放置脫模布。

5.依次粘結(jié)外直徑16mm、內(nèi)直徑12mm的導(dǎo)流粗管和外直徑6mm、內(nèi)直徑4mm的導(dǎo)流細管。粘結(jié)過程為：先取細管的一端，在5cm長處上下左右纏繞一層長達5cm的膠帶區(qū)，然后粘結(jié)在下層板上表面下側(cè)居中的5cm寬的膠帶區(qū)，覆蓋膠帶，增強其密封性；再取粗管的一端，同樣在5cm長處，上下纏繞一層長達5cm的膠帶區(qū)，然后粘結(jié)在下層板織物上表面上側(cè)居中的5cm寬的膠帶區(qū)，覆蓋膠帶，增強其密封性。

6.粘好脫模布，用玻璃棒反復(fù)按壓膠帶粘結(jié)的地方，防止空氣進入模具內(nèi)。

7.將2XZ-2型旋片式真空泵抽氣口與導(dǎo)流粗管相連接，用大力鉗封住樹脂進出端導(dǎo)流粗管，打開真空泵抽取模具內(nèi)氣體，待表上大氣壓達到700Pa時，將導(dǎo)流粗管打折并夾上大力鉗，持續(xù)放置15分鐘，觀察否漏氣。如不漏氣則可導(dǎo)入樹脂，若漏氣則找到漏氣點粘好并重新檢查。尤其注意在膠帶接口處易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，用玻璃棒將各個拐角夾緊即可。

8.配備127g樹脂固化劑混合溶液，JL-235樹脂與固化劑質(zhì)量比為100:27，充分攪拌2min后，靜置10分鐘進行消泡。再打開真空泵，打開導(dǎo)流粗管上的封口并迅速將導(dǎo)管插入帶有樹脂的燒杯中(減少空氣進入密封空間)，直至混合溶液充分浸漬織物后，再封好兩端導(dǎo)流管，關(guān)閉真空泵，并用重物壓緊，保證材料硬化后平整，放置24小時。待上述復(fù)合材料放置24小時后，將其從玻璃板上剝離下來。剝離下的材料標號不能混淆。

9.使用切割機將大的復(fù)合材料板進行裁制制備試樣樣品；因芳綸纖維的物理性質(zhì)所決定，切割后的材料，寬度方向的兩邊會有纖維漏出材料板面，長度方向上會有多余的樹脂等雜質(zhì)，因此需要打磨材料至均勻。

圖3為樹脂傳遞模塑工藝裝置圖。

實施例3復(fù)合材料的力學(xué)性能測試

1.拉伸性能

根據(jù)ASTM D3039/D3039M-08《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標準試驗方法》測試標準制備試樣，具體如表1所示。

表1

拉伸斷裂應(yīng)力由公式計算得出，具體計算公式如下所示：

式中：σ—為拉伸斷裂強度，MPa；

P—為拉伸斷裂強力，N；

b—試樣寬度，mm；

h—為試樣厚度，mm；

表2為復(fù)合材料的拉伸性能測試結(jié)果?？芍?，增強體為四層的層壓復(fù)合材料所需拉伸斷裂強度最大，約為509.74MPa，多層復(fù)合材料所需拉伸斷裂強度最小，約為144.05MPa。這是因為對于多層織物，緯紗密度增大，增加了經(jīng)紗與緯紗的交織次數(shù)，間接增加了緯紗與經(jīng)紗的結(jié)合力，使經(jīng)紗在承受經(jīng)紗張力時受阻，不能自由拉伸。因此多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸強度不如平紋層壓材料。

表2

圖4為復(fù)合材料的拉伸強度柱狀圖。通過各試樣的抗拉伸強度的數(shù)據(jù)大小可看出復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉伸性能都有著不錯的表現(xiàn)。對比多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸強度為144.05MPa，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中加入平紋組織結(jié)構(gòu)單元后的復(fù)合材料的拉伸強度得到提高。其中編號1(1+1)試樣拉伸強度為212.78MPa，提高了材料的拉伸強度47.71％。編號2(2+1)試樣拉伸強度為230.52MPa，提高了材料的拉伸強度60％。編號3(1+3)試樣拉伸強度為202.18MPa，提高了材料的拉伸強度40.35％。編號4(4+1)試樣拉伸強度為227.70MPa，提高了材料的拉伸強度57.70％，編號5(2+1)試樣拉伸強度為227.03MPa，提高了材料的拉伸強度57.60％，編號6(3+1)試樣拉伸強度為261.71MPa，提高了材料的拉伸強度81.67％。從以上數(shù)據(jù)可知，復(fù)合的增強體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋單元可以提高材料的抗拉伸能力。這是因為對于平紋織物來說經(jīng)紗與緯紗配比一致，其纖維的整體趨向于伸直狀態(tài)，使得經(jīng)紗在承擔經(jīng)向拉伸載荷時直接受力，因此經(jīng)向拉伸強度優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

圖5為復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過各試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線所圍成的面積，可知各復(fù)合材料試樣斷裂功的大小，其中六層層壓復(fù)合材料斷裂功最大，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料斷裂功最小。這是因為對于多層織物來說經(jīng)紗的增加提高了經(jīng)紗對緯紗的束縛，從而間接地提高了緯紗為經(jīng)紗的束縛，使得經(jīng)紗在承擔經(jīng)向拉伸載荷時受阻礙，不能自由的伸展，因此多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷裂功小于平紋層壓材料斷裂功。

在實驗中通過增強體材料與復(fù)合材料質(zhì)量分析可知，六層的層壓復(fù)合材料浸透的樹脂只有16g，而多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料樹脂浸的樹脂為32g，二者經(jīng)過對比可知，六層的層壓復(fù)合材料在受到拉伸作用力時纖維受力為主體，而多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料受拉伸力時復(fù)合材料中的樹脂也受較為均勻拉伸力的作用。六層的層壓復(fù)合材料在受到拉伸力時，由于增強體與樹脂間受力不均勻，故出現(xiàn)當拉伸強度達到材料所能承受的極限時，其試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在受拉伸力時使織物與樹脂受力較為均勻，所以當力到材料承受最大拉伸力時發(fā)生的是試樣的直接出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.彎曲性能

彎曲性能測試標準則需根據(jù)實驗采用方法及試樣厚度進行選擇，實驗室內(nèi)儀器測試方法為三點彎曲法，故選取ASTM D790為測試標準。試樣的尺寸與厚度相關(guān)具體標準如表3所示。

表3

抗彎強度，是指材料發(fā)生彎曲時的最大應(yīng)力與彎曲橫截面積的比值，具體計算公式如下所示。

式中：σ—抗彎強度，MPa；

P—作用力，N；

L—支持跨距，mm；

b—試樣寬度，mm；

h—試樣厚度，mm；

表4為復(fù)合材料的彎曲性能測試結(jié)果。可知，多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料所需彎曲斷裂強度是110.42MPa，四層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料所需彎曲斷裂強度166.75MPa。從層壓復(fù)合材料和多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料角度分析，層壓復(fù)合材料的抗彎曲性能優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能。這是因為彎曲受力為紗線的垂直方向，受到彎曲作用力時，平紋組織經(jīng)緯紗交織點最多，經(jīng)緯密度相對較大，受彎曲力時承受彎曲力的紗線多，所以抗彎強度要優(yōu)于多層織物。

表4

圖6為復(fù)合材料的抗彎強度柱狀圖，從圖中可看出，對比多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能，在配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能得到了提高，其中編號1(1+1)試樣的抗彎曲強度為282.53MPa，材料的抗彎曲強度提高了156％。編號2(1+2)試樣的抗彎曲強度為187.08MPa，材料的抗彎曲強度提高了70％。編號3(1+3)試樣的抗彎曲強度為310.16Mpa，材料的抗彎曲強度提高了181.81％。編號4(1+4)試樣的抗彎曲強度為221.41MPa,材料的抗彎曲強度提高了100％。其中編號3(1+3)試樣的抗彎曲性能表現(xiàn)最好。在配入多層組織結(jié)構(gòu)單元的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的試樣抗彎曲性能數(shù)據(jù)進行分析，編號5(2+1)試樣的抗彎曲強度為256.31MPa,材料的抗彎曲強度提高了132.72％。編號6(3+1)試樣的抗彎曲強度為242.54MPa,材料的抗彎曲強度提高了120％。

經(jīng)數(shù)據(jù)對比可知，多層結(jié)構(gòu)單元的增加，降低了復(fù)合材料材料抗彎曲性能。這是因為彎曲受力為紗線的垂直方向，復(fù)合材料受到彎曲作用力時，經(jīng)紗與緯紗受力情況不同，這是因為對于多層織物來說經(jīng)向紗的增加提高了經(jīng)向紗對緯紗的束縛，從而間接地提高了緯經(jīng)紗之間的相互束縛，使得緯紗在承擔彎曲載荷時受阻礙，故表現(xiàn)出其彎曲性能較差。

圖7為各復(fù)合材料彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，曲線下降的坡度隨著平紋組織結(jié)構(gòu)單元的增加而逐漸變緩，曲線上升階段斜率即是材料的彎曲模量，其代表在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力。編號2(1+2)、編號3(1+3)、編號4(1+4)三種復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的模量相差不大，編號1(1+1)的略大一些。四層層壓復(fù)合材料和六層層壓復(fù)合材料及多層復(fù)合材料試樣的模量普遍小于復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣，主要是因為隨著平紋組織結(jié)構(gòu)單元和多層組織結(jié)構(gòu)單元進行復(fù)合后材料整體性能發(fā)生很大變化，對彎曲性能發(fā)生明顯的影響。從圖中還可看出，試樣1(1+1)的應(yīng)力峰值最大，但其應(yīng)變也是最小的，曲線下面積在一定程度上表征試樣破壞所需能量，很明顯能看出復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣被破壞所需要的能量大于單純的多層復(fù)合材料試樣和四層層壓、六層層壓復(fù)合材料試樣。

3.抗沖擊性能

沖擊性能測試標準常見的有落錘沖擊試驗(ASTM D7136)、擺錘式(ASTM D6110)等，本發(fā)明由于采用的是XJJ-50S數(shù)顯簡支梁沖擊試驗機，本次測試采用實驗室通用標準進行測試，其要求試樣測試具體如表5所示。

表5

沖擊強度，是指材料單位面積吸收能力，表示材料的抗沖擊能力。具體計算公式如下所示。

式中：α k—沖擊強度，KJ/m 2；

Ec—試樣吸收能量，J；

h—試樣厚度，mm；

b—試樣寬度，mm；

表6為復(fù)合材料的沖擊性能測試結(jié)果。由表6數(shù)據(jù)中可知，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊強度為0.0242KJ/m 2，四層層壓復(fù)合材料的抗沖擊強度為0.0545KJ/m 2，六層層壓復(fù)合材料的抗彎曲強度為0.0589KJ/m 2。由以上三組數(shù)據(jù)對比可知，層壓復(fù)合材料的抗沖擊性能要明顯優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這是由于平紋組織經(jīng)緯紗交織點最多，紗線之間的摩擦約束力最強，多層織物經(jīng)緯浮長線較平紋長，組織循環(huán)中經(jīng)緯紗交織次數(shù)較平紋少，最終導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強度比平紋層合材料小。

表6

圖8為復(fù)合材料的沖擊強度柱狀圖。由圖8可以看出，對比多層復(fù)合材料的抗沖擊性能，在配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能得到了提高。編號5(2+1)試樣的抗沖擊強度為0.0345KJ/m 2，試樣的抗沖擊性能提高了42.56％。編號6(3+1)試樣的抗沖擊強度為0.0324KJ/m 2，試樣的抗沖擊性能提高了33.88％。經(jīng)數(shù)據(jù)對比可知，多層結(jié)構(gòu)單元的增加，提高了復(fù)合材料材料抗沖擊性能。這是因為平紋結(jié)構(gòu)給予了復(fù)合材料的吸收能量的有效面積更大，故表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖擊性能。

本發(fā)明通過設(shè)計不同比例的多層單元組織結(jié)構(gòu)、平紋單元組織結(jié)構(gòu)制備復(fù)合結(jié)構(gòu)增強體復(fù)合材料,并與多層增強體復(fù)合材料、四層平紋增強體層壓復(fù)合材料、六層平紋增強體復(fù)合材料進行拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能對比，結(jié)果顯示：

對于拉伸性能；復(fù)合多層增強體結(jié)構(gòu)中的平紋組織結(jié)構(gòu)單元可以提高復(fù)合材料的抗拉強度，配入平紋的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相對于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能提高了40.35％～81.67％。配入平紋結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料拉伸性能，是因為對于平紋織物來說，經(jīng)紗與緯紗配比一致，其纖維的整體趨向于伸直狀態(tài)，使得經(jīng)紗在承擔經(jīng)向拉伸載荷時直接受力，因此經(jīng)向拉伸強度優(yōu)于多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

對于彎曲性能；復(fù)合的增強體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋單元可以提高材料的抗彎曲能力，配入平紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相對于多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能提高100％～181.81％。配入平紋結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料的彎曲性能，是因為彎曲受力為紗線的垂直方向，受到彎曲作用力時，平紋組織經(jīng)緯紗交織點最多，經(jīng)緯密度相對較大，受彎曲力時承受彎曲力的紗線多，所以抗彎強度要優(yōu)于多層織物。

對于沖擊性能；復(fù)合的增強體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的平紋組織結(jié)構(gòu)單元可以提高材料的抗沖擊能力，配入平紋組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣相對于多層復(fù)合材料的試樣抗沖擊性能提高33.88％～42.56％。配入多層組織結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之所以可以提高材料拉伸性能，是因為多層組織結(jié)構(gòu)給予了復(fù)合材料的吸收能量的有效面積更大，故表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖擊性能。

總的來看，通過多層組織結(jié)構(gòu)單元和平紋組織結(jié)構(gòu)單元搭配的增強體制備的復(fù)合材料，對比原有的層壓復(fù)合材料及多層復(fù)合材料的力學(xué)性能都有改善，可提高材料的力學(xué)性能。其中，在拉伸測試中，平紋組織結(jié)構(gòu)增強了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗拉伸強度；在彎曲測試中，平紋組織結(jié)構(gòu)提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎曲性能；沖擊測試中，平紋組織結(jié)構(gòu)也提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗沖擊性能。故此，對復(fù)合組織結(jié)構(gòu)的多層增強體制備復(fù)合材料進行研究，可以一定的改善多層復(fù)合材料的綜合性能，讓多層復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展。

本發(fā)明復(fù)合多層增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可滿足工程領(lǐng)域?qū)Χ鄬訖C織物增強復(fù)合材料較高的性能需求，同時，也為復(fù)合結(jié)構(gòu)對所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能影響提供了理論與設(shè)計依據(jù)。

以上所述的實施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。

全文PDF

具有復(fù)合增強體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法.pdf