地毯背衬用新型复合材料

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摘要：热塑复合材料具有许多优于热固性材料的优点：较好的韧性、使用寿命长、可循环利用及生产周期短等。三维机织物作为纺织结构复合材料的预制件，具有良好的整体性，其复合材料抗层间剪切强度、抗冲击性等综合力学性能皆优于传统的层合复合材料，是目前最新型地毯用背衬复合材料。

关键词：热塑复合材料；冲击性能；拉伸性能；空隙率

Abstract: The advantages of thermoplastic composite materials have many better than thermosetting material: good toughness, long service life, recyclable and short production cycle. Three-dimensional woven fabric as preform of textile structural composites, has the advantages of good integrity, interlaminar shear strength, resistance to mechanical and impact properties of the composites are better than traditional laminated composite materials, it is currently the most new carpet backing composite material.

Key words: thermoplastic composites; impact property; tensile properties; porosity

中图分类号：J523.3 文献标识码：文章编号

1研究内容

热塑复合材料具有高韧性、储存寿命长、低吸湿性、可明显降低加工成本以及具有反复加工和回收利用等特点，在近几年得到了快速广泛的发展和应用。本课题通过对混纤纱制得的三维机织热塑复合材料的结构、力学性能的测试和研究以及空隙率的测定，对其性能做出客观的评价，对影响复合材料性能的因素进行分析，为复合材料的加工和为低成本制造高性能热塑复合材料提供了提供实验基础。

以热塑纤维/增强纤维的包芯纱为媒介织成三维分层角联锁机织物和平纹织物，然后利用热塑纤维的熔融性进行热压、固化制得复合材料，因此该材料用作地毯背衬材料，是目前对此复合材料的冲击性能和拉伸性能进行了测试、分析。

2 复合材料性能测试

对热塑复合材料的力学性能进行测试和分析，目的在于对复合材料的性能进行检验，作为生产过程中的质量控制手段或是最终产品的质量评定依据。对三维分层角联锁机织物复合材料和二维平纹机织物层合复合材料分别进行了冲击性能、拉伸性能的测试。

实验中复合材料C1—C3的预制件分别是纱线YY1—YY3的三维分层角联锁机织物，复合材料C4是由纱线YY2的五层平纹织物层合压制而成的，具有较强的结合力。

表2-1地毯背衬的工艺参数

2.1 冲击实验

2.1.1 冲击实验的设备及方法

在Dynatup9250HV型材料冲击试验机上，对不同的玻璃/丙纶复合材料进行冲击性能的测试。冲头形状为圆形，冲头与板平面垂直，冲击物的质量固定为5.7806kg。将复合材料板材试样裁取尺寸为95mmx95mm，夹持在中间开圆孔的两钢板之间。每种工艺板材均测试5次取平均值。

2.1.2冲击实验结果讨论

由于所测复合材料的厚度较小，在本文冲击测试条件下，复合材料的冲击损伤主要为板材的穿透性破坏形成永久变形。对不同厚度复合材料冲击性能的比较均取材料单位厚度的冲击性能，作为地毯背衬材料更加抗麿。

增强纤维是影响复合材料抗碰撞性能的主要因素。在冲击能量小于初始破坏的值时，纤维损伤小，主要是树脂基体损伤吸收能量，纤维的作用主要是提供较高的刚性；在冲击能量较高时，纤维剪出和断裂是复合材料进一步吸收能量的主要因素，纤维对复合材料吸收碰撞能量有明显作用。因此，相同冲击速度下，不同纤维体积含量复合材料的冲击性能是不同的， C1、C2具有相同的组织结构，均为三维分层角联锁机织物；玻璃纤维丝束特数均为70tex，唯一不同的是玻璃纤维的体积含量不同。单位厚度的载荷峰值随着玻璃纤维体积分数的增加而增加，到达最大载荷时吸收的能量值以及总能量值也随之增加；同时由于材料中增强纤维含量的提高，使得到达最大载荷时的时间长，因此使得达到最大冲击载荷之前的位移相应增大。

C2和C3具有相同的组织结构，均为三维分层角联锁机织物，所采用的两种玻璃丝束单位细度的强力相同，玻璃纤维的体积含量也相同。玻璃丝束细度细的玻璃纤维的复合材料的最大载荷和总能量比较高，这是因为玻璃丝束细度越细，树脂和纤维之间的距离短，树脂越容易渗透到纤维束中去，使纤维和树脂的界面结合好，从而抗冲击性能提高。

其原因是：三维分层角联锁机织物复合材料与二维平纹织物层合复合材料相比，层与层之间结合好，三维分层角联锁机织物在x、y、z 三个方向上都有纤维分部，在厚度方向（z方向）的纤维可以提高厚度方向上的力学性能。厚度方向的纤维与各层之间的纤维层层交联使复合材料结合成一个整体。而二维平纹织物层合复合材料层和层之间没有纤维分部，仅靠树脂连接。

根据以上分析，二维平纹织物层合复合材料在冲击破坏过程中，除了层内纤维与基体的开裂和破坏之外，还会产生层和层之间的开裂。因而，二维平纹织物层合复合材料的冲击性能与三维分层角联锁机织物复合材料相比较低。

2.2 拉伸实验

2.2.1拉伸实验设备及方法

采用Instron3369实验机对不同的玻璃/丙纶复合材料的拉伸性能进行测试，拉伸速度2.00mm/min。试样几何形状为矩形，其长度x宽度为95mmx15mm。每种工艺板材均测试5次取平均值。

2.2.2拉伸实验结果讨论

表2-2各复合材料的经向拉伸性能

表2-3同一复合材料经纬向拉伸性能的比较

（1）由表2-2可以得到：试样C2的经向拉伸强度和弹性模量高于C1的，试样C3的高于C2的。这说明随着增强纤维体积分数的增加，三维分层角联锁机织物复合材料的拉伸性能提高。但这指的是在一定范围内，并不是体积分数越大越好。

（2） 由表2-2可以得到：试样C4的经向拉伸强度和弹性模量高于C2的，这说明玻璃丝束细度细的三维分层角联锁机织物复合材料的抗拉强度高，这是因为玻璃丝束细度越细，树脂和纤维之间的距离短，树脂越容易渗透到纤维束中去，使纤维和树脂的界面结合好，从而抗拉伸性能提高。通过电镜照片也可以看出试样C4中，树脂在纤维束中的渗透好。

（3）由表2-3可以看出：三维分层角联锁机织物复合材料的纬向拉伸强度和模量均好于经向，这是因为经纱屈曲大，而且纬密比经密大；二维平纹织物层合复合材料的纬向拉伸性能也好于经向，因为纬向密度较大，纤维含量高。

（4）二维平纹织物层合复合材料的拉伸强度和弹性模量明显高于三维分层角联锁机织物复合材料；三维分层角联锁织物复合材料与二维平纹织物复合材料相比具有较高的断裂功，断裂功大表示材料具有抵抗外力破坏的内在结合能大。这是因为三维分层角联锁机织物复合材料中经纱的屈曲情况不同，在模压成型后，各经纱仍有一定的弯曲，当复合材料受到沿经纱方向的拉伸载荷时，弯曲的经纱有伸直、平行的趋向，由于经纱的弯曲情况不同，其中，接结经弯曲较大，因此，三维分层角联锁机织物中经纱具有不同时断裂性。而平纹织物中各经纱的屈曲情况相同，具有同时断裂性。因此，简单织物层合复合材料的模量和强度要高于三维分层角联锁机织物复合材料，而断裂功小于三维分层角联锁机织物复合材料。

3 结论

通过对新型复合材料的研究，研究了三维分层角联锁机织复合材料和二维平纹织物层合复合材料的拉伸及冲击性能以及它们的空隙率。可以得出以下结论：

3.1 三维分层角联锁机织复合材料与二维平纹织物层合复合材料相比具有较好的冲击性能，单位厚度的最大载荷和吸收的总能量都有明显提高，而拉伸强度和拉伸模量较二维平纹织物层合复合材料低；

3.2纤维含量、丝束细度等都对三维分层角联锁机织物热塑复合材料的冲击性能和拉伸性能有着重要的影响：一定范围内，增强纤维体积分数越高，复合材料的力学性能越好；丝束细度越细，树脂与纤维间的距离越小，树脂越容易浸透，材料的冲击性能和拉伸性能越好；

3.3 三维机织热塑复合材料织物组织结构影响了材料的空隙率，玻璃丝特数、丙纶与玻璃质量比也影响着材料的空隙率。同时，空隙率也影响到了材料的力学性能。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料的优点是可实现生产过程自动化，能低成本地将初加工产品转化为最终产品。毫无疑问，热塑基体复合材料的快速的、扩大化的应用是在预料之中的。由于混纤纱能很好地解决热塑树脂渗透困难这一大问题，且有利于后续加工其性能优点，其必将具有很广阔的发展前景。尽管混纤纱热塑复合材料起步较晚，在地毯背衬中使用还是探索节段，但相信在不远的将来，混纤纱热塑复合材料的巨大的潜能将会释放出来。

参考文献

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作者简介：郑 卫，高级工程师，主要研究方向为地毯新型材料的性能的研究。